Technologie PCB - Analyse de l'intégrité du signal: signaux sans fil

1 chaîne de signal sans fil

Les signaux sans fil sont une partie importante de nombreux systèmes embarqués d'aujourd'hui. Les fabricants de terminaux mobiles discutent de la convergence des médias. Les consommateurs peuvent naviguer sur le Web ou regarder des matchs sur un ordinateur portable, un téléphone portable, une télévision numérique portable ou un ordinateur de poche.

En termes simples, toutes sortes de contenus multimédias sont « traduits» en signaux sans fil. Cependant, Media fusion est en fait le précurseur d'innombrables technologies complexes telles que la compression améliorée des données (codecs), l'interopérabilité, la transmission RF et le traitement des interférences. D'innombrables autres technologies sans fil, telles qu'un grand nombre de normes internationales et de formats multimédias, méritent un livre spécial. Mais dans ce chapitre, pour la conception de l'intégrité du signal, nous n'avons pas besoin de prendre en compte les caractéristiques des médias, des normes et des diverses transmissions sans fil, nous nous concentrons uniquement sur le test et l'analyse des signaux sans fil. L'analyse du spectre et des signaux sans fil est une méthode largement utilisée dans divers domaines professionnels et devrait figurer dans les manuels sans fil.

En outre, en raison de la popularité croissante des systèmes sans fil dans la conception de systèmes embarqués, de nouvelles normes sans fil sont également adoptées et l'ingénierie de l'intégrité du signal doit être prise au sérieux dans ces environnements sans fil. Par conséquent, ce livre ne serait pas complet sans discuter des signaux sans fil modernes et de leurs tests. Par conséquent, ce chapitre est conçu pour vous aider à comprendre les nouvelles techniques de test de signaux sans fil. Ce chapitre propose également de nouvelles idées pour l'analyse des signaux dans les environnements sans fil modernes.

Discuter de l'intégrité du signal et de la mesure est un grand projet, et l'inclusion de discussions sur les instruments de test sans fil dans un grand nombre de livres si a été controversée. Cependant, le sujet est également simple, car l'analyseur de spectre (SA) est un outil indispensable pour les tests de radiofréquence (RF), et l'analyse spectrale domine la conception de divers systèmes et dispositifs sans fil. En outre, l'analyse spectrale est actuellement utilisée pour la recherche et le développement dans des domaines allant des systèmes d'identification par radiofréquence (RFID) de faible puissance aux radars de haute puissance et aux systèmes d'émission RF.

2 signaux RF

Un signal de porteuse RF est comme un morceau de papier blanc sur lequel vous pouvez écrire et diffuser des informations. La porteuse radiofréquence peut transmettre des informations en faisant varier l'amplitude et la phase, ce qui est appelé Modulation. Par exemple, nous parlons généralement de modulation d'amplitude (AM) et de modulation de fréquence (FM), mais en écriture, la modulation de fréquence FM est une forme de modulation de phase (PM). La combinaison de Am et PM forme un certain nombre de méthodes de modulation actuelles, telles que QPSK (Orthogonal Phase Shift Keying), qui est une méthode de modulation numérique avec une différence de phase de 90 degrés entre les bits de signe. La modulation d'amplitude orthogonale (QAM) est une méthode de modulation largement utilisée dans laquelle la phase et l'amplitude changent simultanément pour fournir plusieurs états. D'autres méthodes de modulation plus complexes, telles que le multiplexage par division de fréquence orthogonale (OFDM), peuvent également décomposer les composantes d'amplitude et de phase. Les informations de base fournies par le système sans fil fournissent un exemple complet de la façon dont le signal porteur peut être modulé. Pour comprendre la modulation, une image d'exemple peut être plus efficace que mille mots.

Cependant, pour comprendre la modulation numérique d'une porteuse radio, il est nécessaire de se familiariser avec l'utilisation de vecteurs pour représenter l'amplitude et la phase d'un signal. Comme représenté sur la figure 10 - 1, on entend par vecteur signal l'amplitude et la phase instantanées du signal, représentées par la longueur du vecteur et l'angle.

Si elle est dans un repère polaire, elle peut également être représentée par un repère cartésien classique ou par des coordonnées rectangulaires X et Y. dans la représentation numérique d'un signal RF, on utilise généralement les signaux I et Q qui lui sont orthogonaux. Mathématiquement, ils sont pratiquement équivalents aux composantes X et y du repère cartésien. La figure 10 - 2 montre la taille et la phase du vecteur, ainsi que l'état des composantes I et q à ce moment - là.

Figure 10 - 1

Figure 10 - 2

Par example, le signal de modulation am peut être représenté par les composantes I et Q. Cela nécessite le calcul des amplitudes instantanées I et q de la porteuse. Chaque valeur instantanée est représentée par un nombre et enregistrée en mémoire. Les dernières données stockées (valeurs d'amplitude) sont des expressions du signal de modulation original. Cependant, la modulation PM n'est pas aussi simple. Il comprend également des informations de phase. Après avoir calculé les valeurs de I et Q et les avoir stockées, une opération de triangulation est effectuée pour corriger toutes les données. Les données obtenues sont des signaux de modulation originaux. Il peut sembler difficile de comprendre complètement les signaux I et Q, mais en fait, c'est la même chose que de comprendre qu'un signal sinusoïdal utilise les coordonnées x et y à un moment donné pour exprimer un vecteur.

Cependant, les signaux décrits aux figures 10 - 1 et 10 - 2 apparaissent rarement dans la pratique. Les téléphones portables et d'innombrables autres systèmes sans fil se sont développés dans un monde moderne où les interférences sans fil sont omniprésentes. Les produits tels que les téléphones cellulaires fonctionnent généralement dans une bande de fréquences limitée. Par conséquent, les fabricants de téléphones mobiles et d'autres appareils sans fil doivent se conformer légalement aux spécifications de bande de fréquences. La conception de ces dispositifs nécessite d'éviter la transmission d'énergie RF dans des canaux adjacents, ce qui est plus difficile pour certains systèmes sans fil qui nécessitent de Commuter les canaux dans différents modes. Certains dispositifs sans fil de conception relativement simple dans des bandes de fréquences non autorisées doivent également traiter efficacement les problèmes de brouillage.

Les réglementations gouvernementales exigent généralement que ces dispositifs de bande non autorisés ne fonctionnent qu'en mode rafale (Bursty) et doivent fonctionner sous certaines limites de consommation d'énergie. La détection, la mesure et l'analyse correctes des signaux sans fil en mode "rafale" sont un travail très significatif pour la conception si.

3 mesure de fréquence

La mesure de fréquence est généralement effectuée par un analyseur de spectre à balayage. En balayant l'amplitude de chaque signal fréquentiel à une certaine largeur de bande de résolution (RBW) et en le sauvegardant, il est possible d'afficher des informations sur la variation de l'amplitude avec toute la bande de fréquence. Les Analyseurs de spectre à balayage doivent fournir une bonne plage dynamique et une grande précision pour la composante spectrale statique du signal, et le RBW est une considération importante. Cependant, l'inconvénient majeur d'un analyseur de spectre à balayage est qu'il mesure l'amplitude d'un signal en un seul point de fréquence sur un point temporel.

Ceci est un inconvénient, car les signaux RF pour les nouvelles applications sans fil ont des propriétés temporelles complexes. Les signaux RF les plus récents, en particulier les bandes de fréquences ouvertes industrielles, scientifiques et médicales (ISM), utilisent généralement des technologies de communication à spectre étalé telles que Bluetooth et wifi, qui sont intermittentes ou soudaines. La variation du Domaine fréquentiel de ce signal sans fil de courte durée est plus prononcée que celle des signaux sans fil précédents. Il est donc trop difficile de tester les signaux sans fil d'aujourd'hui avec cet instrument, compte tenu de l'analyse par Modulation numérique et des capacités de fonctionnement des analyseurs de spectre à balayage traditionnels. Même les Analyseurs de signaux vectoriels (VSA) pour des applications de modulation numérique spécifiques ont des limites dans l'analyse de signaux spécifiques ayant subi une période de modulation de fréquence.

La détection spectrale d'aujourd'hui consiste généralement en la détection d'événements élémentaires à temps non fixe et de bruits non corrélés. En termes simples, il comprend des décalages de fréquence instantanés, prévisibles et imprévisibles, des modes de modulation complexes et diverses normes et applications de communication RF et sans fil. Des exemples courants sont la RFID et la communication à spectre étalé. La communication se produit dans un court laps de temps, ou est un signal de rafale. Bien que les Analyseurs de spectre à balayage et les Analyseurs vectoriels courants aient des options de mesure pour ces méthodes de communication sans fil, dans ce chapitre, notre objectif est d'utiliser un analyseur de spectre en temps réel (rtsa) pour les mesures. La raison pour laquelle nous parlons de rtsa est que les applications illimitées d'aujourd'hui ont tendance à avoir des signaux instantanés. Les ingénieurs si doivent maintenant déclencher et capturer les signaux d'intérêt dans les domaines temporel et fréquentiel.

Les ingénieurs si ont souvent besoin de capturer un flux continu de signaux, y compris les dérives instantanées et fréquentielles, et ils doivent obtenir les variations de fréquence, d'amplitude et de modulation du signal. De plus, toutes ces tâches doivent souvent être accomplies sur une longue période. Par exemple, si un ingénieur si utilise un analyseur de spectre à balayage pour détecter des événements transitoires dans les systèmes RF modernes, il doit attendre longtemps. Même alors, il sera limité ou il pourrait manquer la mesure de l'urgence.

L'idée de tester de nouvelles applications RF est la variation de ces signaux sans fil dans le domaine temporel. Cette fonctionnalité, combinée à des facteurs discutés dans le passé, nécessite de toute urgence de nouvelles solutions de test. Par conséquent, les ingénieurs et les concepteurs si utilisent de plus en plus des analyseurs de spectre en temps réel. Bien que la rtsa ne soit pas une nouveauté, elle est très similaire au concept de VSA. L'application de la rtsa à l'ingénierie si reste essentielle. Par conséquent, les ingénieurs si d'aujourd'hui doivent tenir compte des informations traditionnelles du Domaine fréquentiel et de la rtsa. En outre, bien que la tendance actuelle soit que les ingénieurs si commencent à prendre conscience de l'importance de la rtsa pour les caractéristiques potentielles des signaux RF dans le domaine temporel et fréquentiel, notre section traite des raisons de se concentrer sur la rtsa.

4 analyseur Spectral à balayage

Il y a quelques décennies, un analyseur de spectre superhétérodyne à balayage avec une structure traditionnelle a permis aux ingénieurs de prendre des mesures dans le domaine des fréquences pour la première fois. L'analyseur de spectre à balayage (SA) a rapidement vaincu ses adversaires à l'aide d'appareils purement analogiques et a connu un succès rapide. La nouvelle génération actuelle d'Analyseurs de spectre à balayage utilise une infrastructure numérique haute performance, notamment un ADC, un processeur de signal numérique (DSP) et un microcontrôleur. Cependant, la base du principe de balayage est la même et l'instrument conserve son état d'outil de mesure du signal radiofréquence de base. L'avantage majeur de la nouvelle génération de sa est qu'elle dispose d'une excellente plage dynamique, ce qui lui permet de capturer et de détecter une large gamme de signaux RF.

La mesure de la fréquence de puissance peut être réalisée en effectuant une down - conversion du point de fréquence désiré du signal et un balayage dans la bande passante par un filtre RBW. Le filtre RBW est suivi d'un détecteur qui calcule la valeur de l'amplitude de chaque point de fréquence dans la bande passante, comme illustré sur la figure 10 - 3.

Figure 10 - 3

La figure 10 - 3 montre un test d'équilibre entre la résolution en fréquence et le temps. L'oscillateur local fournit une fréquence de "balayage" au mélangeur, chaque balayage fournissant une fréquence différente et sa valeur correspondante en sortie du mélangeur. Le filtre de résolution est réglé sur une plage de fréquences sélectionnable par l'utilisateur, à savoir la bande passante de résolution (RBW). Plus la bande passante du filtre est étroite, plus la résolution de l'instrument de mesure est élevée et meilleure est l'élimination du bruit de l'instrument. Le filtre RBW est suivi d'un détecteur qui mesure la puissance fréquentielle instantanée pour chaque valeur fréquentielle. Parce que cette méthode peut fournir une plage dynamique plus élevée, son principal avantage est qu'il est possible de calculer la valeur de l'amplitude d'un point de fréquence à un moment donné. Si le filtre RBW est conçu pour être trop étroit, il faudra beaucoup de temps pour terminer le balayage de l'entrée RF, de sorte que certains changements dans le signal RF d'entrée ne peuvent pas être détectés. Le balayage dans le domaine fréquentiel ou dans plusieurs bandes passantes prendra un temps considérable. Cette technique de test suppose que le signal ne change pas significativement au cours d'un cycle de test de plusieurs balayages. Un signal d'entrée relativement stable et constant est donc nécessaire. Si le signal change fréquemment, vous n'obtiendrez probablement pas de résultats.

Par exemple, le côté gauche de la figure 10 - 4 montre les résultats du test de l'Analyseur logique RBW. La fréquence est fa au début, mais devient FB en un instant. Lorsque le balayage atteint FB, le signal a disparu et ne peut être détecté. Par conséquent, le balayage de l'analyseur de spectre RBW ne peut pas fournir de déclenchement à FB et il ne peut donc pas stocker les conditions de signal intégrées pendant un certain temps. C'est un exemple classique de l'équilibre entre la résolution en fréquence et le temps de test, et une faiblesse fatale pour les Analyseurs de spectre RBW.

Figure 10 - 4

Cependant, les derniers Analyseurs de spectre à balayage sont beaucoup plus rapides que les dispositifs traditionnels basés sur le traitement analogique du passé. La figure 10 - 5 montre l'architecture d'un excellent analyseur de spectre à balayage moderne. Les filtres RBW analogiques traditionnels ont été améliorés numériquement pour faciliter un filtrage à bande étroite rapide et précis. Cependant, les filtres, mélangeurs et amplificateurs antérieurs à l'ADC effectuent tous un traitement analogique. En particulier, la non - linéarité et le bruit dans l'ADC doivent être pris en compte. L'analyseur de spectre analogique a donc encore sa place et permet d'éviter les problèmes mentionnés ci - dessus.

Figure 10 - 5