PCB技術 - 信号完全性解析：無線信号

1 無線信号チェーン

ワイヤレス信号は、多くの組み込みシステムの重要な一部です。モバイル端末のメーカはメディアの収束を検討している。消費者は、ウェブを閲覧するか、ラップトップ、携帯電話、携帯用のデジタルテレビまたはPDAの上でゲームを見ます。

簡単に言えば、メディアコンテンツのすべての種類は、ワイヤレス信号に“翻訳”です。しかし、メディアの収束は、データ圧縮（CODEC）、相互運用性、無線周波数送信、および干渉処理のような無数の複雑な技術の先駆者です。多くの国際標準やメディアフォーマットなどの無数の他のワイヤレス技術は、特別な本に値する。しかし、この章では、信号完全性設計のために、様々な無線伝送のメディア、規格、および特性を考慮する必要はなく、ワイヤレス信号をテストし、解析するだけである。無線信号とスペクトルの解析は，様々な専門分野で広く使用されている方法であり，無線教科書に現れるべきである。

さらに、無線システムが組込みシステム設計でますます普及しているので、新しい無線規格も採用されています、そして、信号保全工学はこれらの無線環境で真剣にとられなければなりません。したがって、それが現代の無線信号と彼らのテストを議論しないならば、この本は不完全です。したがって、この章では、ワイヤレス信号のテストの新技術を理解するために目指しています。この章はまた、現代のワイヤレス環境での信号解析のためのいくつかの新しいアイデアを提供します。

信号の整合性と測定を議論する大きなプロジェクトであり、それは広範なSIの本にワイヤレステスト機器の議論を含めるように議論されている。しかし、スペクトル分析器（SA）は無線周波数（RF）試験のための必須のツールであり、スペクトル解析は広範囲の無線システムおよびデバイスの設計において支配的な位置を占めているので、このトピックはまた、簡単である。加えて、スペクトル解析は、低出力無線周波数識別（RFID）システムから高出力レーダ及びRF送信機システムに至る分野での研究開発において現在使用されている。

2 RF信号

RFキャリヤー信号は、あなたが書き留めて、情報を広げることができる紙の空白の部分のようです。RFキャリアは、振幅と位相を変化させることにより情報を伝送することができる。例えば、通常、振幅変調（AM）と周波数変調（FM）を検討するが、周波数変調FMは位相変調（PM）の形態である。AMとPMの組み合わせは、ディジタル変調方式である直交位相シフトキーイング（QPSK）のような、現在の多数の変調方式を形成し、シンボルビット間に90度の位相差を有する。直交振幅変調（QAM）は、位相と振幅が同時に複数の状態を与えるように変化する、広く使用される変調方法である。直交周波数分割多重化（OFDM）などの他のより複雑な変調方法は、振幅および位相成分も分解することができる。無線システムによって提供される基本情報は、キャリア信号を変調する方法の包括的な例を提供する。変調を理解するために、例の絵は千の語より効果的かもしれません。

しかしながら、無線キャリアのデジタル変調を理解するためには、信号の振幅および位相を表すベクトルを使用することに慣れていなければならない。図10−1に示すように、ベクトル長及び角度による信号の瞬時振幅及び位相が表現されるので、信号ベクトルを理解することができる。

それが極座標参照系にある場合、それはまた、従来のデカルト座標参照系または直角座標xおよびyにおいて、表されることができる。数学的には、それらは実際にデカルト座標系のxおよびy成分に相当する。図10 - 2は、ベクトルの大きさと位相、およびそのときのIおよびQ成分の状態を示す。

図10 - 1

図10 - 2

例えば, AM変調信号はIおよびQ成分によって表される. これは、キャリアの瞬間的なIおよびQ振幅を計算することを必要とする. 各々の瞬間値は、ナンバーとして表されて、メモリーに記録される. The last stored data (amplitude value) is The expression of the original modulated signal is given. しかし, PM変調は単純ではない. また、位相情報が含まれて. I値とQ値を計算して保存する, 三角演算はすべてのデータを修正するために実行される. 結果として得られるデータは、元の変調信号である. IとQ信号を完全に理解するのは難しいようです, しかし、実際には、これは、正弦波の信号を理解するのと同じである.

しかし, 図10−1および10−2に記載された信号は、実際にはほとんど発生しない. 携帯電話と無数の他の無線システムは、現代の世界で広げられました, 無線干渉がどこにあるか. . 携帯電話などの製品は一般的に制限された周波数帯域で働く. したがって, 携帯電話と他の無線装置のメーカーは、周波数帯域仕様に法的に準拠しなければなりません. これらのデバイスの設計は、隣接チャネルにおけるRFエネルギーの送信を避ける必要がある, 異なるモードでチャンネルを切り替える必要があるいくつかの無線システムのためにさらに挑戦的です. 無免許の周波数帯域において比較的単純な設計を有するいくつかの無線デバイスはまた、干渉の問題に効果的に対処する必要がある.

Government regulations generally require that these unlicensed band devices can only operate in burst mode (bursty) and must work under a certain power consumption limit. 正しい検出, “バースト”モード無線信号の測定と解析はSi設計のための非常に意味のある仕事である.

3周波数測定

周波数測定は、一般に走査スペクトルアナライザによって完了する。特定の解像度帯域幅（RBW）の下で各々の周波数信号の振幅をスキャンして、それを保存することによって、振幅が全体の周波数帯によって、変化する情報は、表示される。掃引スペクトルアナライザは信号の静的スペクトル成分の優れたダイナミックレンジと高精度を提供する必要があり，rbwは重要な考察である。しかしながら、走査スペクトルアナライザの主な欠点は、ある時点で信号の1つの周波数点の振幅を測定するだけである。

新しい無線アプリケーションのRF信号が複雑な時間領域特性を有するので、これは不利である。最新のRF信号、特にオープン産業、科学、医療（ISM）周波数帯は、しばしば、BluetoothやWiFiなどのスペクトル拡散通信技術を使用し、それらの信号は断続的であるかバースト性である。以前の無線信号と比較して、そのような短い持続無線信号の周波数領域の変化は、より顕著である。したがって、従来の走査型スペクトルアナライザのデジタル変調解析および作業能力を考慮すると、今日の無線信号をテストするためにこの装置を使用することは困難である。特定のデジタル変調アプリケーションのためのベクトル信号アナライザ（VSA）であっても、特定の信号を分析することに制限がある。

今日のスペクトル検出は、非固定時間と無相関ノイズでの基本的な事象を検出することが多い。簡単に言えば、それは瞬時、予測可能で予測不能な周波数シフト、複雑な変調パターン、および様々なRFおよび無線通信標準およびアプリケーションを含む。一般的な例は、RFIDおよびスペクトル拡散通信である。通信は非常に短い時間で行われるか、バースト信号である。通常の走査スペクトルアナライザとベクトルアナライザはこれらの無線通信方法のための測定オプションを持っていますが、この章では、測定のためにリアルタイムスペクトルアナライザ（RTSA）を使用することを目指します。今日の無制限のアプリケーションが瞬時信号に対して傾向があるので、我々はRTSAを議論しています。SI技術者は、時間ドメインと周波数領域の両方に関心のある信号をトリガーして捕捉する必要がある。

SI技術者は、しばしば瞬間的および周波数ドリフトを含む連続信号ストリームを捕捉する必要がある。加えて、これらのタスクは、しばしば長期間にわたって完了する必要がある。例えば、SIエンジニアが現代のRFシステムの過渡事象を検出するために走査スペクトルアナライザを使用するならば、彼は長い間待つ必要があります。その時でさえ、彼は制限されます、あるいは、彼は非常事態の測定を逃したかもしれません。

新しいRFアプリケーションをテストするという考えは、時間領域におけるこれらの無線信号の変化である。この機能は、過去に議論された要因と結合して、新しいテスト解決の緊急の必要性です。したがって，si技術者や設計者は，実時間スペクトルアナライザを使用している。RTSAは新しいものではありませんが、それはVSAの概念と非常に似ています。rtsaはsi工学の応用にはまだ重要である。したがって，今日のsi技術者は従来の周波数領域情報とrtsaを考慮する必要がある。加えて、現在の傾向は、SI技術者がRTSAの潜在的な時間と周波数領域のRF信号特性の重要性を実現し始めているが、我々の章では、RTSAに焦点を当てる理由を説明しています。

スキャンスペクトラムアナライザ

従来のアーキテクチャを用いた走査型超ヘテロダインスペクトルアナライザは，数十年前に初めて技術者が周波数領域で測定を行うことを可能にした。走査スペクトルアナライザ（sa）は初期のビートに純粋なアナログ装置を使用し，迅速に成功を収めた。現在の新世代の走査スペクトルアナライザは、ADC、デジタル信号プロセッサ（DSP）、およびマイクロコントローラを含む高性能デジタルインフラを使用する。しかし、走査原理の基礎は同じであり、基本的なRF信号測定ツールとしての状態を維持する。SAの新世代の優れた利点は、それが優れたダイナミックレンジを有するので、広範囲のRF信号を捕らえて、検出することができるということである。

信号の必要な周波数点をダウンコンバートし、帯域幅内のRBWフィルタを通して走査することにより、電力周波数測定を実現することができる。RBWフィルタに続いて、図10−3に示すように、通過帯域内の各周波数点の振幅値を計算する検出器が続いている。

図10 - 3

図10 - 3は、周波数分解能と時間のバランスのテストを示します。局部発振器は、「掃引」周波数をミキサに供給し、各掃引はミキサ出力で異なる周波数およびその対応する値を提供する。解像度フィルタは、解像度帯域幅（RBW）であるユーザ選択可能な周波数範囲に設定される。フィルタの帯域幅が狭くなるほど、測定器の分解能が高くなり、楽器ノイズの除去がより大きくなる。RBWフィルタに続いて、各周波数値の瞬時周波数電力を測定する検出器が続いている。この方法は、より高いダイナミックレンジを提供することができるので、その主要な利点は、ある時点で周波数ポイントの振幅値を計算することができるということである。RBWフィルタが狭すぎるように設計されている場合、RF入力の掃引を完了するのに長い時間がかかるので、入力RF信号のいくつかの変化を検出することができない。周波数領域またはいくつかの通過帯域での走査はかなりの時間を要する。このテスト手法の前提は、信号が多重掃引のテスト期間中に有意に変化しないと仮定することである。したがって、比較的安定した一定の入力信号が必要となる。シグナルが頻繁に変わるならば、あなたは結果を得るかもしれません。

例えば、図10 - 4の左側はRBWロジックアナライザテストの結果を示す。周波数は初めはFAであるが、周波数はFBとなる。スキャンがFBに達すると、信号は消失し、検出できない。したがって、RBWスペクトラムアナライザのスキャンはFBでトリガーを提供することができないので、それは期間の包括的な信号条件を格納することができない。これは、周波数分解能とテスト時間のバランスの古典的な例であり、それはまた、RBWスペクトラムアナライザのアキレスのかかとです。

図10 - 4

しかし、最新の走査スペクトルアナライザは過去に従来のアナログ処理ベースの装置よりずっと速い。現代の優れた走査スペクトルアナライザのアーキテクチャを示す。従来のアナログRBWフィルタは、速くて正確な狭帯域フィルタリングを容易にするためにデジタル的に強化されました。しかしながら、ADCの前のフィルタ、ミキサおよび増幅器は全てアナログ処理を行う。特に、ADCの非線形性とノイズを考慮する必要がある。このため、上記の問題を回避できるアナログスペクトラムアナライザの場所がまだ存在する。

図10 - 5