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許多新興應用要求功能強大的射頻分析工具，除傳統的頻率軸和幅度軸之外，同時(shí)捕獲時(shí)間信息。當前許多射頻信號在不同時(shí)間點(diǎn)之間變化。有些信號會(huì )跳頻，有些信號則簡(jiǎn)單地達到尖峰，然后消失。許多信號采用復雜的調制，其可能會(huì )在瞬間發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。這些活動(dòng)可能會(huì )產(chǎn)生自己的負面效應，如隨機瞬變、干擾、開(kāi)關(guān)異常事件等。這些現象都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是時(shí)間不再是一個(gè)可以忽略的軸。 本文考察了時(shí)間在數字射頻中的關(guān)鍵特性，還回顧和比較了發(fā)現、觸發(fā)、捕獲和分析信號的方法。 射頻傳輸類(lèi)別 數字射頻的革命帶來(lái)了市場(chǎng)上種類(lèi)豐富的低成本低功耗器件，如將整個(gè)通信系統都集成到一塊集成電路中的單芯片產(chǎn)品等。日益稀缺的頻帶上傳送的信息不斷激增，推動(dòng)著(zhù)人們需要在每單位帶寬上實(shí)現更高的數據速率，同時(shí)需要復雜的通信協(xié)議，允許各種射頻設備和系統實(shí)現和平共存。 通信協(xié)議的一個(gè)關(guān)鍵目標是用盡可能少的帶寬可靠地傳送數據包，同時(shí)使干擾達到最小。盡管不是為通信而設計的，但雷達系統在頻譜效率和最小干擾方面也擁有類(lèi)似的目標，同時(shí)在目標中增加了安全性和避免檢測。這就產(chǎn)生了多種射頻傳輸類(lèi)別，包括： * 傳輸打開(kāi)的時(shí)間很短，只在發(fā)送數據單元時(shí)打開(kāi)，一旦數據發(fā)送完畢，就會(huì )釋放頻譜，以用于其他用途。在許多情況下，這些短傳輸的時(shí)間關(guān)系是未知的、隨機的。 * 系統與超寬帶(UWB)和碼分多址(CDMA)同時(shí)共享相同的頻譜。 * 認知無(wú)線(xiàn)電(CR)調節頻率、調制和功率，以便對某個(gè)時(shí)間點(diǎn)和位置的頻譜環(huán)境做出反應。 * 一個(gè)封裝內包含多臺射頻設備。 * 射頻設備與時(shí)鐘速率達到幾GHz的數字CPU共享相同的集成電路。 射頻測量挑戰 當前射頻工具必須具備一些基本的測量任務(wù)，以便滿(mǎn)足設計工程師實(shí)現自己的設計目標。這些任務(wù)在某種形式上都包含各種射頻傳輸類(lèi)別，涵蓋了從監控到物理研究的各種應用。 檢定頻率漂移——通常必須檢定頻率穩定時(shí)間和響應，以保證設備滿(mǎn)足功能需求和操作需求。通常要求不間斷地捕獲頻率隨時(shí)間不斷變化的信號。 檢測干擾信號及其來(lái)源——干擾信號來(lái)來(lái)往往，通常是由于系統內部或外部故意干擾源或無(wú)意干擾源的開(kāi)關(guān)活動(dòng)導致的。通過(guò)記錄許多離散的干擾實(shí)例及周?chē)鷷r(shí)間，可以確定干擾頻率，推斷出干擾來(lái)源。 查找和分析瞬時(shí)信號——不管是毛刺還是預計傳輸，瞬時(shí)頻率變化可能會(huì )意想不到地出現在比較穩定、甚至更大的信號當中。檢測這些信號需要采用某種特殊的手段，它可以把相關(guān)事件與觀(guān)測跨度上的其他信號區分開(kāi)來(lái)。 捕獲和分析基帶之上的信道化信號——通帶信號可能會(huì )具有捷變和被調制的特點(diǎn)，因此必須捕獲某個(gè)時(shí)間周期中相關(guān)頻段上發(fā)生的一切事件。這就要求不間斷的頻譜記錄，以便能夠考察信號的頻譜、時(shí)間和調制特點(diǎn)。 分析自適應數字調制——隨著(zhù)帶寬變得越來(lái)越寶貴，安全變得越來(lái)越重要，自適應數字調制正變得越來(lái)越普遍、越來(lái)越復雜。分析調制質(zhì)量及其與信號頻域特點(diǎn)和時(shí)域特點(diǎn)的關(guān)系，是轉型過(guò)程中進(jìn)行無(wú)線(xiàn)調試的關(guān)鍵一步。這通常要求進(jìn)行超出標準的測試，特別是在沒(méi)定義實(shí)現方案時(shí)。 通過(guò)回顧這些射頻測量任務(wù)，可以明顯看出，許多新興應用要求功能強大的射頻分析解決方案，除了傳統頻率軸和幅度軸外，該工具還要能夠捕獲時(shí)間信息。 目前市場(chǎng)上提供了三類(lèi)射頻信號分析儀：掃頻分析儀(SA)、矢量信號分析儀(VSA)和實(shí)時(shí)頻譜分析儀(RTSA)。下面我們將更仔細地考察每種分析儀及其滿(mǎn)足新興數字射頻設計要求的能力。 掃頻分析儀 傳統掃頻分析儀通過(guò)在相關(guān)頻率上掃描分辨率帶寬(RBW)濾波器，來(lái)進(jìn)行幅度對頻率測量。其缺點(diǎn)是，它一次只能記錄一個(gè)頻率中的幅度數據，要求輸入信號相對穩定、不會(huì )發(fā)生變化。 圖1 掃頻分析儀步進(jìn)通過(guò)一系列頻段，經(jīng)常會(huì )漏掉當前掃描頻段外面發(fā)生的重要瞬時(shí)事件 在圖1中，掃頻分析儀查看時(shí)間Ta上的頻段，但在更高頻率上發(fā)生了瞬間畸變。等到掃描到達較高的頻段時(shí)，也就是時(shí)間Tb時(shí)，畸變已經(jīng)消失了，因此掃頻分析儀沒(méi)有檢測到畸變。它沒(méi)有任何方式觸發(fā)定義的信號特點(diǎn)，也沒(méi)有任何方式累積長(cháng)期的信號行為記錄。 矢量信號分析儀 矢量信號分析儀的出現，滿(mǎn)足了數字調制信號的不同要求。與掃頻分析儀不同，VSA是為進(jìn)行調制測量?jì)?yōu)化的。它捕獲整個(gè)信號及在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生的任何數字調制效應，快速提供許多關(guān)鍵調制參數的讀數，如誤差矢量幅度。 射頻實(shí)時(shí)頻譜分析儀 由于隨時(shí)間變化的信號在射頻應用中越來(lái)越常見(jiàn)，人們日益迫切需要一種新的射頻采集和分析方法。實(shí)時(shí)頻譜分析儀應運而生，解決了這種棘手的測量問(wèn)題。單純地從三種頻譜分析儀結構來(lái)看，RTSA可以觸發(fā)頻域事件，然后捕獲和分析落在實(shí)時(shí)帶寬內的任何通帶信號。 圖2 實(shí)時(shí)頻譜分析儀結構，儀器一次捕獲整個(gè)頻率通帶，DSP支持靈活的觸發(fā)和分析功能 圖2說(shuō)明了RTSA的結構。一個(gè)集成式下變頻器把實(shí)時(shí)帶寬放在任何通帶上，直到分析儀的上限。在濾波后，下變頻后的信號通過(guò)一個(gè)ADC，ADC對信號進(jìn)行數字轉換。這可以實(shí)時(shí)觸發(fā)頻域事件，把信號捕獲到存儲器中，對時(shí)域、頻域和調制域進(jìn)行多域分析。RTSA的數字射頻結構在測量期間可以連續捕獲信號，然后作為無(wú)縫的連續時(shí)間記錄把信號存儲到存儲器中。RTSA是唯一為生成三維顯示畫(huà)面優(yōu)化的射頻信號分析儀，即頻率、功率(幅度)和時(shí)間。 清楚地顯現問(wèn)題 認識到存在問(wèn)題只是解決問(wèn)題的第一步。與數字射頻有關(guān)的問(wèn)題通常會(huì )以間接方式顯現。一臺設備中的瞬變可能會(huì )導致另一臺設備中的誤碼率提高。由于自身?yè)矶禄蚴艿剿矔r(shí)干擾，雷達可能偶爾會(huì )提供不準確的標靶信息。功放器中的熱量或電氣貯存效應可能會(huì )導致數據丟失，給鄰道帶來(lái)瞬間干擾。執行計算密集型軟件子例程可能會(huì )導致電源電壓變化，影響射頻傳輸質(zhì)量。 為了使射頻設計人員發(fā)現問(wèn)題，泰克已經(jīng)研制出數字熒光或DPX技術(shù)，仿真可變余輝CRT。泰克實(shí)時(shí)頻譜分析儀中采用的數字熒光頻譜分析實(shí)現方案把顯示處理與專(zhuān)用DSP硬件結合在一起，執行頻率變換的速度要比傳統頻譜分析儀高出幾個(gè)量級。DPX技術(shù)每秒可以更新大約50 000條軌跡，頻譜更新速度約為傳統掃頻分析儀的100 000%。 每次變換的信息在DPX引擎中結合在一起，以全面運動(dòng)速率生成顯示畫(huà)面。這一引擎包括統計余輝處理，允許查看信號行為隨時(shí)間變化的全部信息。它還可以立即顯現散布在強信號中的弱信號，突出顯示不頻繁的短時(shí)間事件。余輝調節允許用戶(hù)針對變化的信號條件優(yōu)化顯示特點(diǎn)，從動(dòng)態(tài)信號的實(shí)地射頻視圖，直到發(fā)現只發(fā)生一次的事件。它可以揭示傳統頻譜分析儀或矢量信號分析儀看不到的信號行為。實(shí)時(shí)頻譜分析儀的其他功能則提供了多種手段，可以觸發(fā)信號行為，把信號捕獲到存儲器中，在時(shí)域、頻域和調制域中分析這些信號。 小結 隨著(zhù)射頻信號變得越來(lái)越復雜、越來(lái)越不可預測，設計人員必須了解從跳頻到EMI瞬變的隨時(shí)間變化的各種信號行為。盡管市場(chǎng)上為射頻測量提供了大量的儀器，但只有RTSA為設計人員適應射頻設計新興趨勢提供了所需的觸發(fā)、捕獲和分析功能。 |
