Tecnología de PCB - Análisis de la integridad de la señal: señales inalámbricas

1. Enlace de Señal inalámbrica

La señal inalámbrica es una parte importante de muchos sistemas embebidos. Los fabricantes de terminales móviles están discutiendo la fusión de medios. Los consumidores pueden navegar por Internet o ver juegos en laptops, teléfonos móviles, televisores digitales portátiles o PDAs.

En resumen, todo tipo de contenido multimedia se "traduce" en señales inalámbricas. Sin embargo, la fusión de medios es en realidad el precursor de numerosas tecnologías complejas, como la compresión de datos mejorada (Codec), la interoperabilidad, la transmisión de radiofrecuencia y el procesamiento de interferencias. Innumerables otras tecnologías inalámbricas, como un gran número de estándares internacionales y formatos de medios, merecen un libro especial. Sin embargo, en este capítulo, para el diseño de la integridad de la señal, no tenemos que considerar las características de los medios de comunicación, las normas y todo tipo de transmisión inalámbrica, sino que sólo nos centramos en probar y analizar la señal inalámbrica. El análisis de la señal inalámbrica y el espectro es un método ampliamente utilizado en todos los campos profesionales, que debe aparecer en los libros de texto inalámbricos.

Además, debido a que los sistemas inalámbricos son cada vez más populares en el diseño de sistemas embebidos y se adoptan nuevas normas inalámbricas, la ingeniería de integridad de la señal debe ser enfatizada en estos entornos inalámbricos. Por lo tanto, este libro sería incompleto sin discutir las señales inalámbricas modernas y sus pruebas. Por lo tanto, este capítulo está diseñado para ayudarle a entender las nuevas tecnologías de prueba de señales inalámbricas. Este capítulo también proporciona algunas nuevas ideas para el análisis de señales en el entorno inalámbrico moderno.

La discusión de la integridad de la señal y la medición es un gran proyecto. La discusión de los instrumentos de prueba inalámbricos ha sido controvertida en una amplia gama de libros si. Sin embargo, este tema también es simple, ya que el analizador de espectro (SA) es una herramienta indispensable para las pruebas de radiofrecuencia (RF), y el análisis de espectro es dominante en el diseño de sistemas y dispositivos inalámbricos. Además, el análisis del espectro se utiliza actualmente en la investigación y el desarrollo de sistemas de identificación por radiofrecuencia de baja potencia (RFID) a radares de alta potencia y transmisores de radiofrecuencia.

2. Señal RF

La señal portadora RF es como una hoja de papel en blanco en la que se puede escribir y difundir información. Los portadores de radiofrecuencia pueden transmitir información cambiando la amplitud y la fase, lo que se conoce como modulación. Por ejemplo, normalmente hablamos de modulación de amplitud (AM) y modulación de frecuencia (FM), pero por escrito, FM es una Form A de modulación de fase (PM). La combinación de Am y PM ha formado muchos métodos de modulación actuales, como la tecla de cambio de fase ortogonal (qpsk), que es un método de modulación digital con una diferencia de fase de 90 grados entre bits simbólicos. La modulación de amplitud ortogonal (QAM) es un método de modulación ampliamente utilizado, en el que la fase y la amplitud cambiarán simultáneamente para proporcionar múltiples Estados. Otros métodos de modulación más complejos, como la Multiplexación por División de frecuencia ortogonal (OFDM), también pueden descomponer componentes de amplitud y fase. La información básica proporcionada por el sistema inalámbrico proporciona un ejemplo sintético de cómo modular una señal portadora. Para entender la modulación, la imagen de muestra puede ser más eficiente que mil palabras.

Sin embargo, para entender la modulación digital de los portadores inalámbricos, es necesario familiarizarse con el uso de vectores para representar la amplitud y la fase de la señal. Como se muestra en la figura 10 - 1, el vector de señal puede entenderse como la amplitud y fase instantáneas de la señal, representadas por la longitud y el ángulo del vector.

Si está en Coordenadas polares, también puede ser representado por coordenadas cartesianas tradicionales o coordenadas cartesianas X e y. En la representación digital de señales RF, las señales I y q ortogonales se utilizan comúnmente. Matemáticamente, en realidad son equivalentes a los componentes X e y del sistema de coordenadas cartesianas. La figura 10 - 2 ilustra el tamaño y la fase del vector y el Estado de los componentes I y q en ese momento.

Figura 10 - 1

Figura 10 - 2

Por ejemplo, la señal modulada am puede estar representada por componentes I y q. Esto requiere calcular las amplitudes I y q instantáneas del portador. Cada valor instantáneo se representa como un número y se registra en la memoria. Los últimos datos almacenados (valores de amplitud) son expresiones de la señal modulada original. Sin embargo, la modulación PM no es tan simple. También incluye información de fase. Después de calcular los valores I y q y almacenarlos, se realiza una operación triangular para corregir todos los datos. Los datos resultantes son las señales de modulación originales. Puede parecer difícil entender completamente las señales I y q, pero en realidad es lo mismo que entender el vector de una señal sinusoidal usando coordenadas X e y para representar un punto en el tiempo.

Sin embargo, las señales descritas en los gráficos 10 - 1 y 10 - 2 rara vez aparecen en la práctica. En el mundo moderno, donde la interferencia inalámbrica es omnipresente, los teléfonos móviles y muchos otros sistemas inalámbricos se han ampliado. Productos como los teléfonos móviles suelen funcionar en bandas de frecuencia limitadas. Por lo tanto, los fabricantes de teléfonos móviles y otros dispositivos inalámbricos deben cumplir con las normas de banda de frecuencia de acuerdo con la ley. Estos dispositivos deben estar diseñados para evitar la transmisión de energía RF en canales adyacentes, lo que es más difícil para algunos sistemas inalámbricos que necesitan cambiar canales en diferentes modos. Algunos dispositivos inalámbricos con un diseño relativamente simple en bandas de frecuencia no autorizadas también necesitan manejar eficazmente el problema de interferencia.

Las regulaciones gubernamentales generalmente requieren que estos dispositivos de banda de frecuencia no autorizados funcionen sólo en modo de estallido (estallido), y deben funcionar bajo ciertas limitaciones de potencia. La detección, medición y análisis correctos de la señal inalámbrica en modo de estallido es muy importante para el diseño si.

3. Medición de frecuencias

Las mediciones de frecuencia se realizan generalmente mediante un analizador de espectro de barrido. Al escanear la amplitud de cada señal de frecuencia en un ancho de banda de resolución definido (rbw) y guardarla, se muestra la información de que la amplitud varía con toda la banda de frecuencia. El analizador de espectro de barrido debe proporcionar un buen rango dinámico y una alta precisión de los componentes del espectro estático de la señal, y rbw es un factor importante. Sin embargo, la principal desventaja del analizador de espectro de barrido es que mide la amplitud de una señal en un punto de frecuencia en un solo momento.

Esta es una desventaja, ya que las señales RF de las nuevas aplicaciones inalámbricas tienen características de dominio de tiempo complejas. Las últimas señales de radiofrecuencia, en particular las bandas abiertas de frecuencia industrial, científica y médica (ISM), suelen utilizar técnicas de comunicación de espectro extendido, como Bluetooth y WiFi, que son intermitentes o repentinas. En comparación con las señales de radio anteriores, las variaciones en el dominio de frecuencia de las señales de radio de corta duración son más significativas. Por lo tanto, debido al análisis de modulación digital y a la capacidad de trabajo del analizador de espectro de barrido tradicional, es muy difícil probar la señal inalámbrica actual. Incluso el analizador de señales vectoriales (vsa) para aplicaciones específicas de modulación digital tiene limitaciones en el análisis de señales específicas moduladas por frecuencia durante un período de tiempo.

Hoy en día, la detección del espectro suele implicar la detección de eventos básicos no fijos y ruidos no correlacionados. En resumen, incluye cambios de frecuencia instantáneos, previsibles e impredecibles, modos de modulación complejos y diversas normas y aplicaciones de comunicación por radiofrecuencia e inalámbrica. Ejemplos comunes son la RFID y las comunicaciones de espectro extendido. La comunicación ocurre en muy poco tiempo o es una señal de estallido. Aunque los analizadores comunes de espectro de barrido y los analizadores vectoriales tienen opciones de medición para estos métodos de comunicación inalámbrica, nuestro objetivo en este capítulo es utilizar un analizador de espectro en tiempo real (rtsa) para la medición. Discutimos rtsa porque las aplicaciones infinitas de hoy tienden a ser señales instantáneas. Los ingenieros de si ahora necesitan activar y capturar señales de interés en el dominio de tiempo y frecuencia.

Los ingenieros de si a menudo necesitan capturar flujos de señal continuos, incluyendo deriva instantánea y de frecuencia, y necesitan obtener cambios en la frecuencia, amplitud y modulación de la señal. Además, todas estas tareas suelen tardar mucho en completarse. Por ejemplo, si un ingeniero de si utiliza un analizador de espectro de barrido para detectar eventos transitorios en un sistema RF moderno, tendrá que esperar mucho tiempo. Aun así, puede ser restringido, o puede perderse la medición de la emergencia.

La idea de probar nuevas aplicaciones RF es probar los cambios en estas señales inalámbricas en el dominio del tiempo. Esta característica, junto con los factores discutidos anteriormente, requiere urgentemente nuevas soluciones de prueba. Como resultado, los ingenieros y diseñadores de si utilizan cada vez más Analizadores de espectro en tiempo real. Aunque rtsa no es una novedad, es muy similar al concepto de vsa, que sigue siendo esencial para las aplicaciones de ingeniería si. Por lo tanto, los ingenieros de si de hoy necesitan considerar la información tradicional del dominio de frecuencia y rtsa. Además, aunque la tendencia actual es que los ingenieros de si han comenzado a darse cuenta de la importancia de rtsa para las características potenciales de la señal RF en el dominio de tiempo y frecuencia, este capítulo discute las razones de la preocupación por rtsa.

Analizador de espectro de barrido

Hace décadas, el analizador de espectro hiperheterodino de barrido con arquitectura tradicional permitió a los ingenieros realizar mediciones en el dominio de frecuencia por primera vez. El analizador de espectro de barrido (SA) utiliza equipos analógicos puros para realizar pruebas tempranas y tiene un éxito rápido. En la actualidad, la nueva generación de Analizadores de espectro de barrido utiliza una infraestructura digital de alto rendimiento, que incluye ADC, procesador de señales digitales (DSP) y Microcontrolador. Sin embargo, el principio de escaneo se basa en el mismo principio, y el instrumento se mantiene como una herramienta básica de medición de señales de radiofrecuencia. La ventaja sobresaliente de la nueva generación de Sa es su excelente rango dinámico, por lo que puede capturar y detectar una amplia gama de señales RF.

La medición de la frecuencia de potencia se puede realizar a través del punto de frecuencia requerido de la señal de conversión hacia abajo y el escaneo en el ancho de banda a través del filtro rbw. Detrás del filtro rbw está un detector para calcular los valores de amplitud de cada punto de frecuencia en la banda de paso, como se muestra en la figura 10 - 3.

Figura 10 - 3

La figura 10 - 3 muestra una prueba de equilibrio entre la resolución de frecuencia y el tiempo. El Oscilador local proporciona una frecuencia de "escaneo" al mezclador, cada escaneo proporciona una frecuencia diferente y sus valores correspondientes en la salida del mezclador. El filtro de resolución se establece en un rango de frecuencia seleccionable por el usuario, a saber, el ancho de banda de resolución (rbw). Cuanto más estrecho es el ancho de banda del filtro, mayor es la resolución del instrumento de medición, mejor es el efecto de eliminación del ruido del instrumento. El filtro rbw es seguido por un detector para medir la Potencia de frecuencia instantánea de cada valor de frecuencia. Debido a que este método puede proporcionar un rango dinámico más alto, su principal ventaja es que puede calcular el valor de amplitud de un punto de frecuencia en un momento dado. Si el filtro rbw está diseñado para ser demasiado estrecho, tomará mucho tiempo completar el escaneo de la entrada RF para detectar algunos cambios en la señal RF de entrada. El escaneo en el dominio de frecuencia o en múltiples bandas de paso llevará mucho tiempo. La premisa de esta técnica de prueba es que la señal no cambia significativamente durante las pruebas de escaneo múltiple. Por lo tanto, se requiere una señal de entrada relativamente estable y constante. Si la señal cambia con frecuencia, es posible que no pueda obtener resultados.

Por ejemplo, el lado izquierdo de la figura 10 - 4 muestra los resultados de las pruebas del Analizador lógico rbw. La frecuencia comienza con fa, pero se convierte en FB. Cuando el escaneo alcanza FB, la señal desaparece y no se puede detectar. Por lo tanto, el escaneo del analizador de espectro rbw no puede proporcionar un disparador en FB, por lo que no puede almacenar la condición de señal sintética en memoria durante algún tiempo. Este es un ejemplo clásico del equilibrio entre la resolución de frecuencia y el tiempo de prueba, y una debilidad fatal del analizador de espectro rbw.

Figura 10 - 4

Sin embargo, el último analizador de espectro de barrido es mucho más rápido que los dispositivos tradicionales basados en el Procesamiento analógico. La figura 10 - 5 muestra la estructura de un excelente analizador de espectro de barrido moderno. Los filtros rbw analógicos tradicionales han sido mejorados digitalmente para promover un filtrado rápido y preciso de banda estrecha. Sin embargo, los filtros, mezcladores y amplificadores anteriores al ADC realizan un procesamiento analógico. En particular, es necesario tener en cuenta la no linealidad y el ruido en el ADC. Por lo tanto, el analizador de espectro analógico todavía tiene una posición que puede evitar los problemas anteriores.

Figura 10 - 5