PCB Tecnico - Analisi dell'integrità del segnale: segnale wireless

1 Catena di segnale wireless

I segnali wireless sono oggi una parte essenziale di molti sistemi embedded. I produttori di terminali mobili stanno discutendo della convergenza dei media. I consumatori possono navigare sul web o guardare il gioco su computer portatili, telefoni cellulari, TV digitali portatili o PDA.

In poche parole, tutti i tipi di contenuti multimediali sono "tradotti" in segnali wireless. Tuttavia, la convergenza dei media è in realtà il precursore di innumerevoli tecnologie complesse, come la compressione dei dati migliorata (codec), l'interoperabilità, la trasmissione in radiofrequenza e l'elaborazione delle interferenze. Innumerevoli altre tecnologie wireless, come un gran numero di standard internazionali e formati multimediali, meritano un libro speciale. Ma in questo capitolo, per la progettazione dell'integrità del segnale, non dobbiamo considerare i media, gli standard e le caratteristiche di varie trasmissioni wireless, e concentrarci solo sul test e l'analisi dei segnali wireless. L'analisi dei segnali wireless e dello spettro è un metodo ampiamente utilizzato in vari campi professionali e dovrebbe apparire nei libri di testo wireless.

Inoltre, poiché i sistemi wireless stanno diventando sempre più popolari nella progettazione di sistemi embedded, vengono adottati anche nuovi standard wireless e l'ingegneria dell'integrità del segnale dovrebbe essere presa sul serio in questi ambienti wireless. Pertanto, questo libro sarà incompleto se non discuterà dei moderni segnali wireless e dei loro test. Pertanto, questo capitolo mira ad aiutare a comprendere la nuova tecnologia di test del segnale wireless. Questo capitolo fornisce anche alcune nuove idee per l'analisi del segnale in ambienti wireless moderni.

Discutere l'integrità del segnale e la misurazione è un grande progetto, ed è stato controverso includere discussioni sugli strumenti di test wireless negli ampi libri SI. Tuttavia, questo argomento è anche semplice, perché l'analizzatore di spettro (SA) è uno strumento indispensabile per i test di radiofrequenza (RF) e l'analisi dello spettro occupa una posizione dominante nella progettazione di una vasta gamma di sistemi e dispositivi wireless. Inoltre, l'analisi dello spettro è attualmente utilizzata nella ricerca e nello sviluppo in settori che vanno dai sistemi di identificazione a radiofrequenza a bassa potenza (RFID) ai sistemi radar ad alta potenza e trasmettitori RF.

2 segnale RF

Un segnale di vettore RF è come un pezzo di carta bianco su cui è possibile scrivere e diffondere informazioni. Il vettore RF può trasmettere informazioni cambiando l'ampiezza e la fase, che è chiamata modulazione. Per esempio, generalmente discutiamo della modulazione di ampiezza (AM) e della modulazione di frequenza (FM), ma per iscritto, la modulazione di frequenza FM è una forma di modulazione di fase (PM). La combinazione di AM e PM forma gli attuali numerosi metodi di modulazione, come Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), che è un metodo di modulazione digitale, con una differenza di fase di 90 gradi tra i bit simbolo. La modulazione di ampiezza quadratura (QAM) è un metodo di modulazione ampiamente usato, in cui la fase e l'ampiezza cambieranno simultaneamente per fornire più stati. Altri metodi di modulazione più complessi come il multiplexing ortogonale della divisione di frequenza (OFDM) possono anche decomporre componenti di ampiezza e fase. Le informazioni di base fornite dal sistema wireless forniscono un esempio completo di come modulare un segnale portante. Per capire la modulazione, un'immagine di esempio può essere più efficace di mille parole.

Tuttavia, per comprendere la modulazione digitale del vettore wireless, è necessario avere familiarità con l'uso di vettori per rappresentare l'ampiezza e la fase del segnale. Come mostrato nella Figura 10-1, un vettore di segnale può essere inteso come l'ampiezza istantanea e la fase del segnale dal vettore Lunghezza e angolo sono espressi.

Se si trova in un sistema di riferimento di coordinate polari, può anche essere espresso in un sistema di riferimento di coordinate cartesiane tradizionale o coordinate rettangolari X e Y. Nella rappresentazione digitale di un segnale RF, un segnale I e un segnale Q ortogonali ad esso sono solitamente utilizzati. Matematicamente, sono in realtà equivalenti ai componenti X e Y del sistema di coordinate cartesiano. La figura 10-2 illustra la grandezza e la fase del vettore e lo stato dei componenti I e Q in quel momento.

Figura 10-1

Figura 10-2

Ad esempio, un segnale modulato AM può essere rappresentato da componenti I e Q. Ciò richiede il calcolo delle ampiezze istantanee I e Q del vettore. Ogni valore istantaneo viene espresso come numero e registrato nella memoria. L'ultimo dato memorizzato (valore di ampiezza) è L'espressione del segnale modulato originale è data. Tuttavia, la modulazione PM non è così semplice. Include anche informazioni sulle fasi. Dopo aver calcolato e memorizzato i valori I e Q, vengono eseguite operazioni trigonometriche per correggere tutti i dati. I dati risultanti sono il segnale modulato originale. Sembra difficile capire a fondo i segnali I e Q, ma in realtà questo è lo stesso che capire un segnale sinusoidale per esprimere un vettore in un certo punto nel tempo utilizzando le coordinate X e Y.

Tuttavia, i segnali descritti nelle figure 10-1 e 10-2 raramente si verificano in situazioni reali. I telefoni cellulari e innumerevoli altri sistemi wireless sono stati estesi nel mondo moderno, dove le interferenze wireless sono onnipresenti. Prodotti come i telefoni cellulari generalmente funzionano in una banda di frequenza limitata. Pertanto, i produttori di telefoni cellulari e altri dispositivi wireless devono rispettare legalmente le specifiche della banda di frequenza. La progettazione di questi dispositivi deve evitare la trasmissione di energia RF nei canali adiacenti, che è ancora più difficile per alcuni sistemi wireless che hanno bisogno di cambiare canali in modalità diverse. Anche alcuni dispositivi wireless con design relativamente semplice in bande di frequenza non autorizzate devono affrontare efficacemente il problema delle interferenze.

Le normative governative richiedono generalmente che questi dispositivi a banda non autorizzati possano funzionare solo in modalità burst (bursty) e devono funzionare sotto un certo limite di consumo energetico. La corretta rilevazione, misurazione e analisi dei segnali wireless in modalità "burst" sono un lavoro molto significativo per la progettazione SI.

3 Misurazione della frequenza

La misurazione della frequenza è generalmente completata da un analizzatore di spettro di scansione. Scansionando l'ampiezza di ogni segnale di frequenza sotto una certa larghezza di banda di risoluzione (RBW) e salvandolo, viene visualizzata l'informazione che l'ampiezza varia con l'intera banda di frequenza. Gli analizzatori di spettro Sweep devono fornire un'eccellente gamma dinamica e un'elevata precisione dei componenti dello spettro statico del segnale, e RBW è una considerazione importante. Tuttavia, lo svantaggio principale dell'analizzatore di spettro di scansione è che misura solo l'ampiezza di un punto di frequenza del segnale in un punto nel tempo.

Questo è uno svantaggio perché i segnali RF delle nuove applicazioni wireless hanno caratteristiche complesse del dominio temporale. I più recenti segnali RF, in particolare le bande di frequenza industriali, scientifiche e mediche aperte (ISM), utilizzano spesso tecnologie di comunicazione a spettro esteso, come Bluetooth e WiFi, e questi segnali sono intermittenti o burstici. Rispetto ai precedenti segnali wireless, i cambiamenti nel dominio di frequenza di tali segnali wireless di breve durata sono più evidenti. Pertanto, in considerazione dell'analisi della modulazione digitale e delle capacità di funzionamento degli analizzatori di spettro a scansione tradizionali, è troppo difficile utilizzare questo strumento per testare i segnali wireless odierni. Anche un analizzatore di segnali vettoriali (VSA) per specifiche applicazioni di modulazione digitale ha limitazioni nell'analisi di segnali specifici modulati in frequenza per un periodo di tempo.

Il rilevamento dello spettro odierno spesso comporta il rilevamento di eventi di base in orari non fissi e rumore non corretto. In poche parole, include spostamenti di frequenza istantanei, prevedibili e imprevedibili, schemi di modulazione complessi e una varietà di standard e applicazioni di comunicazione RF e wireless. Esempi comuni sono l'RFID e la comunicazione a spettro esteso. La comunicazione avviene in un tempo molto breve o è un segnale di scoppio. Sebbene gli analizzatori di spettro a scansione ordinaria e gli analizzatori vettoriali abbiano opzioni di misura per questi metodi di comunicazione wireless, in questo capitolo puntiamo a utilizzare analizzatori di spettro in tempo reale (RTSA) per le misurazioni. Stiamo discutendo di RTSA perché le applicazioni illimitate di oggi tendono a segnali istantanei. Gli ingegneri SI devono ora attivare e catturare segnali di interesse sia nel dominio del tempo che nel dominio della frequenza.

Gli ingegneri SI hanno spesso bisogno di catturare un flusso di segnale continuo, compresa la deriva istantanea e di frequenza, hanno bisogno di ottenere i cambiamenti di frequenza, ampiezza e modulazione del segnale. Inoltre, tutti questi compiti spesso devono essere completati in un lungo periodo di tempo. Ad esempio, se un ingegnere SI utilizza un analizzatore di spettro di scansione per rilevare eventi transitori in un moderno sistema RF, deve attendere molto tempo. Anche allora sarebbe stato limitato, o potrebbe aver perso la misurazione di un'emergenza.

L'idea di testare nuove applicazioni RF è il cambiamento di questi segnali wireless nel dominio del tempo. Questa caratteristica, unita ai fattori discussi in passato, è una necessità urgente di nuove soluzioni di test. Pertanto, ingegneri e progettisti SI utilizzano sempre più analizzatori di spettro in tempo reale. Anche se RTSA non è una cosa nuova, è molto simile al concetto di VSA. RTSA è ancora fondamentale per l'applicazione dell'ingegneria SI. Pertanto, gli ingegneri SI di oggi devono considerare le informazioni tradizionali sul dominio di frequenza e RTSA. Inoltre, anche se la tendenza attuale è che gli ingegneri SI hanno iniziato a rendersi conto dell'importanza di RTSA per le caratteristiche potenziali del segnale RF del dominio di tempo e frequenza, il nostro capitolo discute le ragioni per concentrarsi su RTSA.

4 Analizzatore di spettro di scansione

Gli analizzatori di spettro supereterodini con architettura tradizionale hanno permesso agli ingegneri di effettuare misurazioni nel dominio delle frequenze per la prima volta decenni fa. L'analizzatore di spettro di scansione (SA) ha utilizzato dispositivi analogici puri per battere precocemente e ha rapidamente raggiunto il successo. L'attuale nuova generazione di analizzatori di spettro di scansione utilizza un'infrastruttura digitale ad alte prestazioni, tra cui ADC, processori di segnale digitali (DSP) e microcontrollori. Tuttavia, la base del principio di scansione è la stessa e lo strumento mantiene il suo stato come strumento di misura del segnale RF di base. L'eccezionale vantaggio della nuova generazione di SA è che ha un'eccellente gamma dinamica, in modo da poter catturare e rilevare una vasta gamma di segnali RF.

Convertendo i punti di frequenza richiesti del segnale e scansionando all'interno della larghezza di banda attraverso il filtro RBW, è possibile realizzare la misurazione della potenza-frequenza. Il filtro RBW è seguito da un rivelatore per calcolare il valore di ampiezza di ogni punto di frequenza nella banda passante, come mostrato nella Figura 10-3.

Figura 10-3

La figura 10-3 mostra un test dell'equilibrio tra risoluzione di frequenza e tempo. L'oscillatore locale fornisce una frequenza di "sweep" al mixer e ogni sweep fornisce una frequenza diversa e il suo valore corrispondente all'uscita del mixer. Il filtro di risoluzione è impostato in un intervallo di frequenza selezionabile dall'utente, che è la larghezza di banda di risoluzione (RBW). Più stretta è la larghezza di banda del filtro, maggiore è la risoluzione dello strumento di misura e migliore è l'eliminazione del rumore dello strumento. Il filtro RBW è seguito da un rivelatore per misurare la potenza istantanea di frequenza di ogni valore di frequenza. Poiché questo metodo può fornire una gamma dinamica più elevata, il suo vantaggio principale è che può calcolare il valore di ampiezza di un punto di frequenza in un certo punto nel tempo. Se il filtro RBW è progettato per essere troppo stretto, ci vorrà molto tempo per completare una scansione dell'ingresso RF, in modo che alcune modifiche nel segnale RF in ingresso non possano essere rilevate. La scansione in un dominio di frequenza o in più passband richiederà molto tempo. La premessa di questa tecnica di prova è quella di presumere che il segnale non cambierà significativamente durante il periodo di prova di più sweep. Pertanto, un segnale di ingresso relativamente stabile e costante è necessario. Se il segnale cambia frequentemente, potresti non ottenere risultati.

Ad esempio, il lato sinistro della Figura 10-4 mostra il risultato di un test di analisi logica RBW. La frequenza è Fa all'inizio, ma in un momento la frequenza diventa Fb. Quando la scansione raggiunge Fb, il segnale è scomparso e non può essere rilevato. Pertanto, la scansione dell'analizzatore di spettro RBW non può fornire un trigger a Fb, quindi non può memorizzare le condizioni complete del segnale in un periodo di tempo. Questo è un classico esempio dell'equilibrio tra risoluzione di frequenza e tempo di prova, ed è anche il tallone d'Achille dell'analizzatore di spettro RBW.

Figura 10-4

Tuttavia, l'ultimo analizzatore di spettro di scansione è molto più veloce delle tradizionali apparecchiature basate sull'elaborazione analogica in passato. La figura 10-5 mostra l'architettura di un moderno analizzatore di spettro di scansione eccellente. I filtri RBW analogici tradizionali sono stati migliorati digitalmente per facilitare il filtraggio a banda stretta veloce e preciso. Tuttavia, i filtri, i mixer e gli amplificatori prima dell'ADC eseguono tutti l'elaborazione analogica. In particolare, occorre considerare la non linearità e il rumore nell'ADC. Pertanto, c'è ancora un posto per gli analizzatori di spettro analogico, che possono evitare i problemi di cui sopra.

Figura 10-5