Leiterplattentechnisch - Analyse der Signalintegrität: drahtloses Signal

1 Drahtlose Signalkette

Drahtlose Signale sind heute ein wesentlicher Bestandteil vieler eingebetteter Systeme. Hersteller mobiler Endgeräte diskutieren Medienkonvergenz. Verbraucher können im Internet surfen oder das Spiel auf Laptops, Mobiltelefonen, tragbaren digitalen Fernsehern oder PDAs ansehen.

Einfach ausgedrückt werden alle Arten von Medieninhalten in drahtlose Signale "übersetzt". Allerdings ist Medienkonvergenz tatsächlich der Vorläufer zahlreicher komplexer Technologien, wie verbesserte Datenkompression (Codec), Interoperabilität, Hochfrequenzübertragung und Interferenzverarbeitung. Unzählige andere drahtlose Technologien, wie eine Vielzahl internationaler Standards und Medienformate, verdienen ein besonderes Buch. Aber in diesem Kapitel, für das Design der Signalintegrität, müssen wir Medien, Standards und die Eigenschaften verschiedener drahtloser Übertragungen nicht berücksichtigen, und konzentrieren uns nur auf das Testen und Analysieren drahtloser Signale. Die Analyse von drahtlosen Signalen und Spektrum ist eine Methode, die in verschiedenen Berufsfeldern weit verbreitet ist, und sie sollte in drahtlosen Lehrbüchern erscheinen.

Da drahtlose Systeme im Embedded-System-Design immer beliebter werden, werden auch neue drahtlose Standards angenommen, und die Signalintegritätstechnik sollte in diesen drahtlosen Umgebungen ernst genommen werden. Daher wird dieses Buch unvollständig sein, wenn es nicht auf moderne drahtlose Signale und deren Tests eingeht. Daher soll dieses Kapitel Ihnen helfen, die neue Technologie der drahtlosen Signalprüfung zu verstehen. Dieses Kapitel enthält auch einige neue Ideen für die Signalanalyse in modernen drahtlosen Umgebungen.

Die Diskussion über Signalintegrität und Messung ist ein großes Projekt, und es war umstritten, Diskussionen über drahtlose Testgeräte in die umfangreichen SI-Bücher aufzunehmen. Dieses Thema ist jedoch auch unkompliziert, denn der Spektrumanalysator (SA) ist ein unverzichtbares Werkzeug für die Hochfrequenztests (RF) und die Spektrumanalyse nimmt eine dominierende Stellung bei der Auslegung einer Vielzahl von drahtlosen Systemen und Geräten ein. Darüber hinaus wird die Spektrumanalyse derzeit in Forschung und Entwicklung in Bereichen eingesetzt, die von Low-Power Radio Frequency Identification (RFID)-Systemen bis hin zu Hochleistungsradar- und HF-Sendersystemen reichen.

2 HF-Signal

Ein HF-Trägersignal ist wie ein leeres Stück Papier, auf das Sie aufschreiben und Informationen verbreiten können. Der HF-Träger kann Informationen übertragen, indem er die Amplitude und Phase ändert, die Modulation genannt wird. Beispielsweise sprechen wir im Allgemeinen über Amplitudenmodulation (AM) und Frequenzmodulation (FM), aber schriftlich ist Frequenzmodulation FM eine Form der Phasenmodulation (PM). Die Kombination von AM und PM bildet die derzeit zahlreichen Modulationsverfahren, wie z.B. Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), ein digitales Modulationsverfahren, mit einer 90-Grad-Phasendifferenz zwischen den Symbolbits. Die quadratische Amplitudenmodulation (QAM) ist eine weit verbreitete Modulationsmethode, bei der sich Phase und Amplitude gleichzeitig ändern, um mehrere Zustände bereitzustellen. Andere komplexere Modulationsmethoden wie das Orthogonale Frequenz Division Multiplexing (OFDM) können Amplituden- und Phasenkomponenten ebenfalls zerlegen. Die Basisinformationen des Funksystems liefern ein umfassendes Beispiel für die Modulation eines Trägersignals. Um Modulation zu verstehen, kann ein Beispielbild effektiver sein als tausend Worte.

Um jedoch die digitale Modulation des drahtlosen Trägers zu verstehen, muss man mit Vektoren vertraut sein, um Amplitude und Phase des Signals darzustellen. Wie in Abbildung 10-1 gezeigt, kann ein Signalvektor als die momentane Amplitude und Phase des Signals verstanden werden, indem der Vektor Länge und Winkel ausgedrückt werden.

Wenn es sich in einem polaren Koordinatenreferenzsystem befindet, kann es auch in einem traditionellen kartesischen Koordinatenreferenzsystem oder rechteckigen Koordinaten X und Y ausgedrückt werden. Bei der digitalen Darstellung eines HF-Signals werden üblicherweise ein I-Signal und ein Q-Signal orthogonal zu ihm verwendet. Mathematisch sind sie eigentlich äquivalent zu den X- und Y-Komponenten des kartesischen Koordinatensystems. Abbildung 10-2 veranschaulicht die Größe und Phase des Vektors sowie den Zustand der I- und Q-Komponenten zu diesem Zeitpunkt.

Abbildung 10-1

Abbildung 10-2

Ein AM-moduliertes Signal kann beispielsweise durch I- und Q-Komponenten dargestellt werden. Dies erfordert die Berechnung der momentanen I- und Q-Amplituden des Trägers. Jeder Momentanwert wird als Zahl ausgedrückt und im Speicher aufgezeichnet. Der Ausdruck des ursprünglichen modulierten Signals wird angegeben. Die PM-Modulation ist jedoch nicht so einfach. Sie enthält auch Phaseninformationen. Nach der Berechnung der I- und Q-Werte und deren Speicherung werden trigonometrische Operationen durchgeführt, um alle Daten zu korrigieren. Die resultierenden Daten sind das original modulierte Signal. Es scheint schwierig, die I- und Q-Signale gründlich zu verstehen, aber in der Tat ist dies dasselbe wie das Verständnis eines sinusförmigen Signals, um einen Vektor zu einem bestimmten Zeitpunkt mit X- und Y-Koordinaten auszudrücken.

Die in den Abbildungen 10-1 und 10-2 beschriebenen Signale treten jedoch selten in realen Situationen auf. Mobiltelefone und unzählige andere drahtlose Systeme wurden in der modernen Welt, in der drahtlose Störungen allgegenwärtig sind, erweitert. Produkte wie Mobiltelefone funktionieren in der Regel in einem eingeschränkten Frequenzband. Daher müssen Hersteller von Mobiltelefonen und anderen drahtlosen Geräten die Frequenzbandspezifikationen rechtlich einhalten. Das Design dieser Geräte muss die Übertragung von HF-Energie in benachbarten Kanälen vermeiden, was für einige drahtlose Systeme, die Kanäle in verschiedenen Modi wechseln müssen, noch schwieriger ist. Einige drahtlose Geräte mit relativ einfachen Designs in nicht lizenzierten Frequenzbändern müssen auch effektiv mit dem Problem der Interferenz umgehen.

Staatliche Vorschriften verlangen im Allgemeinen, dass diese nicht lizenzierten Bandgeräte nur im Burst-Modus (Bursty) arbeiten können und unter einer bestimmten Stromverbrauchsgrenze arbeiten müssen. Die korrekte Erkennung, Messung und Analyse von Funksignalen im Burst-Modus sind für das SI-Design sehr bedeutungsvolle Arbeit.

3 Frequenzmessung

Die Frequenzmessung wird in der Regel durch einen Scanning-Spektrumanalysator abgeschlossen. Durch Scannen der Amplitude jedes Frequenzsignals unter einer bestimmten Auflösungsbandbreite (RBW) und Speichern wird die Information angezeigt, dass die Amplitude mit dem gesamten Frequenzband variiert. Sweep-Spektrumanalysatoren müssen einen ausgezeichneten Dynamikbereich und eine hohe Genauigkeit der statischen Spektrumkomponenten des Signals bieten, und RBW ist eine wichtige Überlegung. Der Hauptnachteil des Scanning-Spektrumanalysators besteht jedoch darin, dass er nur die Amplitude eines Frequenzpunktes des Signals zu einem Zeitpunkt misst.

Dies ist ein Nachteil, da die HF-Signale neuer drahtloser Anwendungen komplexe Zeitbereichsmerkmale aufweisen. Die neuesten HF-Signale, insbesondere die offenen industriellen, wissenschaftlichen und medizinischen Frequenzbänder (ISM), verwenden häufig Spread-Spektrum-Kommunikationstechnologien wie Bluetooth und WiFi, und diese Signale sind intermittierend oder bursty. Im Vergleich zu früheren Funksignalen sind die Veränderungen im Frequenzbereich solcher kurzzeitigen Funksignale spürbarer. Daher ist es angesichts der digitalen Modulationsanalyse und der Funktionsfähigkeit herkömmlicher Scanspektrumanalysatoren zu schwierig, dieses Instrument zum Testen der heutigen drahtlosen Signale zu verwenden. Selbst ein Vektorsignalanalysator (VSA) für spezifische digitale Modulationsanwendungen hat Einschränkungen bei der Analyse spezifischer Signale, die über einen bestimmten Zeitraum frequenzmoduliert werden.

Die heutige Spektrumerkennung beinhaltet oft die Erkennung grundlegender Ereignisse zu nicht festen Zeiten und unkorreliertes Rauschen. Einfach ausgedrückt, umfasst es sofortige, vorhersehbare und unvorhersehbare Frequenzverschiebungen, komplexe Modulationsmuster und eine Vielzahl von HF- und drahtlosen Kommunikationsstandards und -anwendungen. Häufige Beispiele sind RFID und Spread-Spectrum-Kommunikation. Die Kommunikation erfolgt in sehr kurzer Zeit oder ist ein Burst-Signal. Obwohl herkömmliche Scan-Spektrumanalysatoren und Vektoranalysatoren Messmöglichkeiten für diese drahtlosen Kommunikationsmethoden haben, möchten wir in diesem Kapitel Echtzeitspektrumanalysatoren (RTSA) für Messungen verwenden. Wir diskutieren RTSA, weil die heutigen unbegrenzten Anwendungen zu sofortigen Signalen tendieren. SI-Ingenieure müssen nun Signale von Interesse sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich auslösen und erfassen.

SI-Ingenieure müssen oft einen kontinuierlichen Signalstrom erfassen, einschließlich sofortiger und Frequenzdrift, sie müssen Frequenz-, Amplitude- und Modulationsänderungen des Signals erhalten. Darüber hinaus müssen all diese Aufgaben oft innerhalb eines langen Zeitraums erledigt werden. Wenn ein SI-Ingenieur beispielsweise einen Scanning-Spektrumanalysator verwendet, um transiente Ereignisse in einem modernen HF-System zu erkennen, muss er lange warten. Selbst dann wäre er eingeschränkt, oder er hätte die Messung eines Notfalls verpasst.

Die Idee, neue HF-Anwendungen zu testen, ist die Veränderung dieser drahtlosen Signale im Zeitbereich. Diese Eigenschaft, gepaart mit den in der Vergangenheit diskutierten Faktoren, ist ein dringender Bedarf an neuen Testlösungen. Daher setzen SI-Ingenieure und -Konstrukteure zunehmend Echtzeit-Spektrumanalysatoren ein. Obwohl RTSA nicht neu ist, ähnelt es dem Konzept von VSA sehr. RTSA ist immer noch entscheidend für die Anwendung von SI-Engineering. Daher müssen die heutigen SI-Ingenieure traditionelle Frequenzbereichsinformationen und RTSA berücksichtigen. Darüber hinaus, obwohl der aktuelle Trend ist, dass SI-Ingenieure begonnen haben, die Bedeutung von RTSA für potenzielle Zeit- und Frequenzbereich HF-Signaleigenschaften zu erkennen, diskutiert unser Kapitel die Gründe für den Fokus auf RTSA.

4 Scanspektrumanalysator

Scannende, superheterodyne Spektrumanalysatoren mit traditioneller Architektur ermöglichten Ingenieuren vor Jahrzehnten erstmals Messungen im Frequenzbereich. Der Scanning Spectrum Analysator (SA) verwendete rein analoge Geräte, um früh zu schlagen und erzielte schnell Erfolg. Die aktuelle neue Generation von Scanspektrumanalysatoren nutzt eine leistungsstarke digitale Infrastruktur, einschließlich ADCs, Digital Signal Processors (DSP) und Mikrocontroller. Die Grundlage des Abtastprinzips ist jedoch dieselbe, und das Gerät behält seinen Status als grundlegendes HF-Signal-Messwerkzeug bei. Der herausragende Vorteil der neuen Generation von SA ist, dass sie über einen ausgezeichneten Dynamikbereich verfügt, sodass sie eine breite Palette von HF-Signalen erfassen und erfassen kann.

Durch Downkonvertierung der erforderlichen Frequenzpunkte des Signals und Scannen innerhalb der Bandbreite durch den RBW-Filter kann die Leistungs-Frequenzmessung realisiert werden. Dem RBW-Filter folgt ein Detektor, um den Amplitudenwert jedes Frequenzpunktes im Passband zu berechnen, wie in Abbildung 10-3 gezeigt.

Abbildung 10-3

Abbildung 10-3 zeigt einen Test der Balance zwischen Frequenzauflösung und Zeit. Der lokale Oszillator stellt dem Mischer eine "Sweep"-Frequenz zur Verfügung, und jeder Sweep liefert eine andere Frequenz und ihren entsprechenden Wert am Mischerausgang. Der Auflösungsfilter wird in einem vom Benutzer wählbaren Frequenzbereich eingestellt, der die Auflösungsbandbreite (RBW) ist. Je enger die Filterbandbreite, desto höher die Auflösung des Messgeräts und desto besser die Beseitigung von Geräterauschen. Dem RBW-Filter folgt ein Detektor, um die momentane Frequenzleistung jedes Frequenzwertes zu messen. Da diese Methode einen höheren Dynamikbereich bieten kann, besteht ihr Hauptvorteil darin, dass sie den Amplitudenwert eines Frequenzpunkts zu einem bestimmten Zeitpunkt berechnen kann. Wenn der RBW-Filter so ausgelegt ist, dass er zu schmal ist, dauert es lange, bis ein Sweep des HF-Eingangs abgeschlossen ist, sodass einige Änderungen des Eingangs-HF-Signals nicht erkannt werden können. Das Scannen in einem Frequenzbereich oder mehreren Passbändern dauert eine beträchtliche Zeit. Die Prämisse dieser Testtechnik ist anzunehmen, dass sich das Signal während des Testzeitraums mehrerer Sweeps nicht signifikant ändert. Daher ist ein relativ stabiles, A konstantes Eingangssignal erforderlich. Wenn sich das Signal häufig ändert, erhalten Sie möglicherweise keine Ergebnisse.

Beispielsweise zeigt die linke Seite von Abbildung 10-4 das Ergebnis eines RBW-Logikanalysatortests. Die Frequenz ist am Anfang Fa, aber in einem Moment wird die Frequenz Fb. Wenn der Scan Fb erreicht, ist das Signal verschwunden und kann nicht erkannt werden. Daher kann der Scan des RBW-Spektrumanalysators bei Fb keinen Trigger liefern, so dass er die umfassenden Signalbedingungen nicht in einem Zeitraum speichern kann. Dies ist ein klassisches Beispiel für die Balance zwischen Frequenzauflösung und Testzeit, und es ist auch die Achillesferse des RBW Spektrumanalysators.

Abbildung 10-4

Der neueste Scan-Spektrumanalysator ist jedoch viel schneller als die traditionellen analogen Verarbeitungsgeräte in der Vergangenheit. Abbildung 10-5 zeigt die Architektur eines modernen exzellenten Scanspektrumanalysers. Herkömmliche analoge RBW-Filter wurden digital verbessert, um eine schnelle und genaue Schmalband-Filterung zu ermöglichen. Jedoch führen die Filter, Mischer und Verstärker vor dem ADC alle analoge Verarbeitung durch. Insbesondere die Nichtlinearität und das Rauschen im ADC sind zu berücksichtigen. Daher gibt es noch Platz für analoge Spektrumanalysatoren, die die oben genannten Probleme vermeiden können.

Abbildung 10-5