信號(hào)完整性分析：無(wú)線信號(hào)(一)無(wú)線/射頻信號(hào)

《信號(hào)完整性 - 工程師的同伴》一書的第10章討論了在現(xiàn)代無(wú)線環(huán)境中的無(wú)線信號(hào)測(cè)量和可能有些激進(jìn)的信號(hào)分析的新技術(shù)。本文是該文章的一部分摘要。

無(wú)線信號(hào)鏈

無(wú)線信號(hào)是如今的許多嵌入式系統(tǒng)中必備的部分，移動(dòng)終端的制造商正在討論媒體匯聚，消費(fèi)者可以在筆記本、移動(dòng)電話、便攜式數(shù)字電視或者PDA進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)瀏覽或者觀看賽事實(shí)況。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，各種媒體內(nèi)容都被“翻譯”成為無(wú)線信號(hào)。然而，媒體匯聚其實(shí)是無(wú)數(shù)種復(fù)雜的技術(shù)的先驅(qū)，比如說(shuō)增強(qiáng)的數(shù)據(jù)壓縮（編解碼）、互操作性、射頻傳輸和干擾處理。無(wú)數(shù)其他的無(wú)線技術(shù)，比如大量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和媒體格式，都應(yīng)得到大書特書。但這個(gè)章節(jié)，對(duì)于信號(hào)完整性設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，我們無(wú)需考慮媒體、標(biāo)準(zhǔn)，和那些各種無(wú)線傳輸?shù)奶匦裕魂P(guān)注測(cè)試和分析無(wú)線信號(hào)。無(wú)線信號(hào)和頻譜的分析是各種專業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的手法，并且更應(yīng)該在無(wú)線的教科書中出現(xiàn)。

并且，因?yàn)闊o(wú)線系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中越來(lái)越流行，新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)也在采用，在這些無(wú)線環(huán)境中信號(hào)完整性工程應(yīng)該得到重視。因此，這本書如果不討論現(xiàn)代無(wú)線信號(hào)和它們的測(cè)試，那將是不完整的。所以，本章節(jié)旨在幫助你理解無(wú)線信號(hào)測(cè)試的新技術(shù)，本章節(jié)同時(shí)提供一些在現(xiàn)代無(wú)線環(huán)境中進(jìn)行信號(hào)分析的新點(diǎn)子。

討論信號(hào)完整性和測(cè)量是個(gè)大工程，將無(wú)線測(cè)試儀器的討論也加入到關(guān)于廣泛的SI書籍里面一直是受到爭(zhēng)議的。然而，這個(gè)話題也是直接坦白的，因?yàn)轭l譜分析儀(SA)是進(jìn)行射頻(RF)測(cè)試必備的工具，并且，頻譜分析在廣泛的無(wú)線系統(tǒng)和器件的設(shè)計(jì)中是占有統(tǒng)治地位的。另外，頻譜分析目前在從低功耗射頻識(shí)別(RFID)系統(tǒng)到高功率雷達(dá)和RF發(fā)射機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)中都會(huì)被采用。

射頻信號(hào)

一個(gè)RF載波信號(hào)就像一張空白的紙，在上面可以寫下并傳播信息。RF載波可以通過(guò)改變幅度和相位傳遞信息，這也就是所謂的調(diào)制。舉例來(lái)說(shuō)，我們一般討論調(diào)幅（AM）和調(diào)頻（FM），不過(guò)書面上，頻率調(diào)制FM是相位調(diào)制（PM）的一種形式。AM和PM的結(jié)合形成了目前的無(wú)數(shù)種調(diào)制方式，比如正交相移鍵控（QPSK），是一種數(shù)字調(diào)制方式，各符號(hào)位呈90度的相位差。正交幅度調(diào)制（QAM）是廣泛應(yīng)用的調(diào)制方式，采用該方式相位和幅度都會(huì)同時(shí)變化從而提供多種狀態(tài)。其他更加復(fù)雜的調(diào)制方式比如說(shuō)正交頻分復(fù)用（OFDM）也可以分解出幅度和相位分量。無(wú)線系統(tǒng)提供的基本的訊息為調(diào)制一個(gè)載波信號(hào)的方法提供了全面的實(shí)例。為了理解調(diào)制，一張實(shí)例圖可能比千言萬(wàn)語(yǔ)更有效。

然而，要理解無(wú)線載波的數(shù)字調(diào)制，必須熟悉用向量來(lái)表示信號(hào)的幅度和相位，正如圖10-1中顯示的那樣，一個(gè)信號(hào)向量可以理解為將信號(hào)的瞬時(shí)的幅度和相位分別由向量的長(zhǎng)度和角度來(lái)表示。

如果是在一個(gè)極坐標(biāo)參照系統(tǒng)，同樣可以采用一個(gè)傳統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)參照系或直角坐標(biāo)X和Y來(lái)表述。在一個(gè)RF信號(hào)的數(shù)字表述中，通常會(huì)用到一個(gè)I信號(hào)和與其正交的Q信號(hào)，在數(shù)學(xué)上，其實(shí)就相當(dāng)于笛卡爾坐標(biāo)系的X分量和Y分量。圖10-2舉例說(shuō)明了向量的幅度和相位，和當(dāng)時(shí)的I、Q分量的狀態(tài)。

圖1

圖2

比如，AM調(diào)制信號(hào)就可以用I和Q分量來(lái)表示，這就需要計(jì)算載波瞬時(shí)的I、Q幅度，每個(gè)瞬時(shí)值被表述為數(shù)字并記錄在存儲(chǔ)器上，最后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)（幅度值）就給出了原始調(diào)制信號(hào)的表述。然而，PM調(diào)制沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，它還包括相位的信息，計(jì)算I、Q值并存儲(chǔ)后，然后執(zhí)行三角運(yùn)算來(lái)糾正所有的數(shù)據(jù)，所得到的數(shù)據(jù)就是原始的調(diào)制信號(hào)。徹底理解I、Q信號(hào)似乎比較難，但實(shí)際上這與理解一個(gè)正弦信號(hào)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上用X、Y坐標(biāo)來(lái)表述向量是一樣的。

然而，在10-1和10-2圖中表述的信號(hào)在實(shí)際情況中是很少發(fā)生的，移動(dòng)電話和其他無(wú)數(shù)的無(wú)線系統(tǒng)在現(xiàn)代世界中進(jìn)行了延伸，在這個(gè)世界中無(wú)線干擾無(wú)處不在。諸如移動(dòng)電話等產(chǎn)品一般是在一個(gè)受限的頻段里面工作，因此，移動(dòng)電話和其他無(wú)線設(shè)備制造商需要在法律上遵守頻帶的規(guī)范。設(shè)計(jì)這些設(shè)備需要避免臨近頻道RF能量的傳輸，這對(duì)一些需要在不同的模式下切換信道的無(wú)線系統(tǒng)更加具備設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。一些設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單的無(wú)授權(quán)頻段的無(wú)線設(shè)備同樣需要有效處理干擾的問(wèn)題。

政府的規(guī)范一般會(huì)要求這些無(wú)授權(quán)頻帶設(shè)備只能進(jìn)行突發(fā)模式（bursty）工作并必須在一定功耗的限制下工作。正確的探測(cè)、測(cè)量并分析“突發(fā)”模式的無(wú)線信號(hào)對(duì)與SI設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是非常有意義的工作。

下一節(jié)：頻率測(cè)量

Geoff Lawday博士是泰克公司在英國(guó)Buckinghamshire New University的教授，他在泰克實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行信號(hào)完整性設(shè)計(jì)和高性能總線系統(tǒng)的教學(xué)，并在歐洲負(fù)責(zé)泰克公司信號(hào)完整性的研討會(huì)。

David Ireland是泰克公司在歐洲和亞洲的設(shè)計(jì)和制造市場(chǎng)經(jīng)理，在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域有超過(guò)30年的工作經(jīng)驗(yàn)，在領(lǐng)先的技術(shù)期刊上定期發(fā)表信號(hào)完整性的文章。

Greg Edlund是IBM全球工程解決方案部的高級(jí)工程師，曾參與十個(gè)高性能計(jì)算平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試，他著有Timing Analysis and Simulation for Signal Integrity Engineers一書。