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满足复杂信号测量需要的实时频谱分析工具
上网时间 : 2005年06月08日

打 印 版 推 荐 给 同 仁 发 送 查 询
数字RF设备的特点是RF信号不再采用简单的AM或FM调制，而是采用高度复杂的时变调制方式，且信号随时间有很大的变化，本文将讨论载波信号中时间与频率的变化关系，并说明：为了真实地测量信号随时间变化的特征，工程师需要采用实时仪器对未预期的事件进行触发、无缝捕获并分析过去一段时

间内累积的数据。

随着无线设备和系统的快速普及，人们开始更多地关注“无处不在的无线信号。”过去十多年蜂窝电话用户数量得到了飞速发展，但驱动无线未来发展的不仅仅是蜂窝电话用户数的增长，还有更多其它种类的无线设备、系统和应用。如今内置无线组网模块的膝上电脑已很常见，各种游戏设备也装上了无线控制器。各种模式和配置的消费类设备让人们对未来美好的无线世界充满了憧憬。无论是今天的库存跟踪还是今后的无线数字钱包，RFID技术都将得到广泛的应用。现在似乎每天都有关于新的无线设备或服务的新闻。一些商业出版物也连篇报导着处于标准化进程的最新无线技术。无线革新正在史无前例地加速前进。

对无线设备和系统的潜在性需求已经不是什么新鲜事了。最终用户都将是渴望彼此间交流的移动用户。自从Chester
Gould于1946年首次提出内置双向无线链路的腕表并藉他的Dick
Tracy漫画闻名于世后，这一概念至今仍未实现。
去除我们周边的各种线缆一直是我们的心愿。信号电缆非常昂贵，大多数人都希望去除电脑或家庭娱乐系统后面成捆杂乱的线缆。因此人们对无线需求的动机是由来已久。如今我们已经进入一个能够更快更好地满足这些要求的新时代。这一新时代的基础就是数字射频(数字RF)技术。在这个新兴的数字RF时代，能够给最终用户带来巨大好处的无线设备和系统正越来越普及。数字RF时代给那些拥有强大数字技术能力、能够加速无线领域创新的后来者创造了极好的发展机遇。数字RF技术将是无线领域创新提速的重要助推剂。

数字RF技术
数字RF技术可以让我们以比过去更快的速度实现“无线无处不在”的愿望。虽然已经有无线系统采用了数字技术，但对于已经采用传统模拟技术构架的系统来说只能逐步地增加数字化功能。未来的数字RF设备和系统将围绕由数字技术带来的益处进行优化。数字世界带给人们的全部好处可以再现于无线领域。数字世界的发展变化非常快，尤其是人们期待的价格/性能的提升非常快速。迅速降低价格并增加灵活性是快速创新的源动力。目前我们可以看到所有这些好处正在无线领域呈现出来。
图2：二个仪器屏幕分别表示
RTSA在二个稍有不同的时间点进行
的深层分析结果。
数字RF功能是由数字RF芯片实现的。数字RF

芯片不再依赖于复杂的混合信号或特殊的半导体工艺，采用的是电脑、PDA和其它数字设备使用的相同技术(图1)。随着RF领域向数字RF芯片的发展，我们将看到与数字芯片业务发展中相似的现象发生。随着传统的数字半导体公司将他们的核心技术应用于这些新的应用领域，这些公司将在新的领域扮演重要的角色。

数字RF领域的性价比提升速度堪比以往的数字领域。随着成本的戏剧性下降，无线功能将应用于前所未有的更广阔领域。看看RFID技术的发展轨迹就可以想象到成本下降是如何促进新应用实现的。这些成本/利益发展趋势将进一步增强未来设备功能，同时也会相应地提高设备复杂性。

数字智能可以从容应对无线通信在三大领域中的传统挑战，即频谱利用/抑制干扰的增强、信息安全的改善以及功耗的降低。虽然数字RF中满足这些挑战的许多技术出现已久，但这些技术现在可以被集成进特低成本、日益普及的最终用户设备和系统中。

由于射频频谱是稀缺资源，因此频谱利用率的增强非常重要。蜂窝电信业已经很好地证明了这一点。虽然简单的时分复用系统已经使用多时，但数字RF技术所包含的智能可以使系统/网络设计师接受与其它频谱用户更好地分享时间的概念。

例如，基于时间的频谱资源共享技术已经被广泛用于WLAN和蓝牙系统和平共存的同一个组合设备中，通过协调发送的时间WLAN和蓝牙可以使用相同的频段。更复杂的系统能够利用自适应无线技术检测环境条件、理解用户需求和控制无线系统操作，并决定何时、如何以及向何处发送无线信号。

由于无线领域中的环境是与其它用户共享的，因此安全性非常重要。数字RF技术的智能性在此大有用武之地。传送只在需要时发生，在突发式通信系统中实际比特传送的突发性能够极大地减少被检测和截取的机会。信号特征可以随时变化，因此未被授权的接收者将无法跟随而破译信号。极具鲁棒性的安全策略目前只需少量的成本就能拥有。

由于最终用户一般是移动用户，功耗将是许多无线系统中的关键因素。数字RF技术提供了必要的智能来满足这一要求。通过测量到达目标接收器所需的理想功率，设备只发送到达目标接收器所必需的功率。必要时系统仍保持在“睡眠”状态，只运转无线射频部分，从而达到进一步节省功耗的目的。

时间问题
目前的RF信号不再采用简单的AM或FM调制，而是采用高

度复杂的调制方式，并且信号随时间有很大的变化。数字RF技术带来的是随时间变化的RF信号。本文不仅要讨论载波信号中时间与频率的倒数关系，而且将更详细的讨论与信号中智能相关的不在同一级别的时间变化。这些变化可以反映出不同的调制类型，比如信号跳跃到新的频率或以短脉冲方式发送信号。为了保证系统能够正常工作，这些变化发生的时间点必须十分精确。此外，由于当前这种瞬时变化的RF信号采用了复杂的调制方式，因此他们常常会产生符合自身特点的一些副作用，如随机性瞬态现象、干扰、异常切换等等。

所有这些现象共有的一个重要属性是时间。实时(有时是微秒、有时是数秒、数分甚至更长)发生的变化都能表现为频域的变化。这对前一代RF技术来说是不可能的，但现在事实如此。时间问题再也无法被忽视了。

RF设计工程师受到巨大压力
那些设计、检查、制造和维护RF设备的工程师们发现应对新挑战的难度越来越大。设计周期越来越短、数字RF技术引起的信号复杂性增加都给设计环境带来了新的问题。数字技术的基础是事件必须发生在精确的时间点。而RF系统的基本原理也认为RF系统的主要问题表现为对频率占用的控制。数字RF技术则独一无二地兼具这二个要点。频率占用仍必须要控制，而影响信号特征性能的事件必须发生在精确的时间点。

像频谱分析仪这样的传统测量仪器是在另外一个时代开发出来的。如同历史上著名的超外差模拟收音机，它们在有兴趣的波段中调谐窄带接收器以检测信号功率与频率比。它们内部的扫描架构意味着它们无法描述信号频率随时间的变化特征。因此当设计师组装各种仪器、在设备中设计专门的测试模式以试图了解信号行为时，测试的复杂性和难度就变得越来越大。为了更好地表现调制质量特征，业界使用向量信号分析仪(VSA)来弥补传统频谱分析仪的不足，但VSA的动态范围不足，无法完整地描述信号随时间的变化特点。测试环境中也可以包含定制设计的测试设备以应对特殊的测试挑战。这些测试装置的建立又费时又费力。另外，可能会遗漏某些瞬变状态，从而引起最终系统或网络故障。如果在系统发送给用户之前没有检测到这些错误，那么修正的代价将是非常高昂的。

随着技术的不断发展，迫切需要一款能够反映目前信号随时间变化这种本质特性的工具。工程师们需要能够对未知事件进行触发、无缝捕捉以及分析过去一段时间内累积数据的实时RF仪器。这

样的仪器可以显著缩短设计时间、节省最终设备中测试建立和特殊模式的成本。而且这些仪器还能帮助工程师尽早捕捉到问题，避免潜在性故障发生在实际使用中而损害用户利益，甚至某些情况下造成网络瘫痪。

幸运的是，新一代实时频谱分析仪(RTSA)能够帮助工程师处理各种RF信号。与传统的扫描频谱分析仪不同，先进的RTSA可以利用极具鲁棒性的实时带宽和高速数字信号处理功能对目标信号实施全面分析。由于这些信号具有更高的复杂性，也更难预测，因此只有RTSA提供的触发、捕获和分析功能才能帮助设计师理解随时间变化的从跳频到EMI瞬态的各种信号行为。

触发、捕获、分析
当今先进的RTSA具有强大的触发功能，能够同时在频域和时域捕捉到RF事件。这些触发装置能够将捕获到的连续时间记录的RF信号存储于内存中用于进一步分析。有些RTSA还能提供功率触发功能，当分析跨度内所有信号的总功率超过用户定义的门限时将启动触发功能。还有的分析仪能提供频率屏蔽触发功能，当信号频率、幅度或带宽发生离散变化，或信号在某个频率点出现或消失时该功能将得到启动。

由于故障信号可能一小时甚至一天才出现一次，一些先进的RTSA提供了连续触发模式来连续监视感兴趣的频谱，不过只有满足用户定义的触发条件时才进行捕获。一旦触发后，分析仪将捕获频谱活动内容并记录时间，并将相关信息存储于存储器中。如果满足条件的事件再次发生，就重新回到触发状态。这样可以高效地利用捕获存储器，确保存储器中的内容是有用信息，从而能使用户远离仪器也能随时捕获瞬时发生的事件。

由于RTSA能够非常方便地根据时域或频域中的特殊事件对动态和瞬态信号进行触发，因此工程师能够凭藉RTSA可靠地识别和捕捉单个事件或复杂的序列事件，并将它们记录于分析仪的存储器中。

通过无缝捕获实时信号行为，这些分析仪可以支持众多功能强大的分析工具。RTSA能够显示记载有频率和功率相对时间的频谱图。在与时间相关的显示内容中频率、时间和调制域都是可见的，而频谱图本身也有对长期观察结果的总结，因此能够对随时间变化的信号行为实现直觉的三维视觉效果，这是传统频域视图中无法看见的。

下面举例说明实时分析的强大功能。图2是实时频谱分析仪屏幕上的一个快照，显示的是WLAN链路性能比较恶劣时的情形。

用户利用RTSA可以

在捕获时间记录间移动光标来控制分析点。光谱图的水平轴代表频率，垂直轴代表时间，因此可以提供全局视觉效果。图中用颜色指示信号功率的大小，颜色越亮表示功率越大。

在屏幕快照的左边可以看到目标WLAN信号旁边还有一个采用跳频技术的蓝牙信号。另外还能看到从附近的微波炉中泄漏出来的能量。当光标置于这个时间点上时，WLAN链路是正常工作的。WLAN信号的频谱以及星座图都表示信号同步正确，EVM性能良好。

在屏幕快照的右边，光标稍向前移动。在这个时间点，蓝牙信号正好跳跃到WLAN信号的顶上。在WLAN信号的频谱中表现为一个信号尖峰。这个蓝牙信号会干扰有用的WLAN信号，以致于WLAN信号无法被正确解码。从对应的星座图也可以看到同步丢失。最终用户设备将发生WLAN信号丢失、甚至蓝牙信号丢失的现象。

如上例所示，代表整个时间段平均值的简单频谱图无法完全描述目前的RF信号环境。需要足够的时间刻度才能准确描述信号环境中发生的事情。另外，无绳电话、无线游戏控制器以及HVAC控制系统都将与上述设备竞争频谱资源。随着无线设备的普及，这种情况将变得越来越复杂。

RTSA是用于测试、测量和检查宽带、动态RF信号的优秀仪器。它能从与时间相关的角度观察频域、时域和调制域，并具有全面的触发和分析功能，因此工程师凭借RTSA可以全面观察RF信号，完成信号的特征化描述，并快速解决问题。

当今复杂的RF信号和RTSA对RF频谱监视、干扰跟踪、信号特征化和EMI诊断具有重要的意义。它们能够简便地实现RF设备的特征刻画、查错和调试，并有助于确保在设计中消除潜在的系统不稳定性，从而有效地避免故障系统进入市场，破坏已经拥挤失序的RF频谱。随着无线领域中技术的不断发展变化，时间分析将被证明是实时频谱分析仪的一大强项。

作者：Rick King

副总裁兼总经理

实时频谱分析仪产品线

泰克公司






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