Teknik PCB - Analisis integriti isyarat: isyarat tanpa wayar

1 rantai isyarat tanpa wayar

Isyarat tanpa wayar adalah sebahagian penting dari banyak sistem terkandung hari ini. Pembuat terminal bimbit sedang membincangkan konvergensi media. Konsumen boleh melayari web atau menonton permainan pada laptop, telefon bimbit, TV digital portable atau PDA.

Dengan sederhana, semua jenis kandungan media "diterjemahkan" ke isyarat tanpa wayar. Namun, konvergensi media sebenarnya adalah pelancar awal teknologi yang tidak terdapat kompleks, seperti pemampatan data (codec), interoperabilitas, transmisi frekuensi radio, dan pemprosesan gangguan. Tak terdapat banyak teknologi tanpa wayar lain, seperti bilangan besar standar antarabangsa dan format media, layak mendapat buku istimewa. Tetapi dalam bab ini, untuk desain integriti isyarat, kita tidak perlu mempertimbangkan media, standar, dan ciri-ciri transmisi tanpa wayar berbeza, dan hanya fokus pada ujian dan analisis isyarat tanpa wayar. Analisis isyarat tanpa wayar dan spektrum adalah kaedah yang digunakan secara luas dalam berbagai medan profesional, dan ia patut muncul dalam buku teks tanpa wayar.

Selain itu, kerana sistem tanpa wayar semakin populer dalam rancangan sistem terkandung, standar tanpa wayar baru juga sedang diadopsi, dan insinyur integriti isyarat patut dianggap serius dalam persekitaran tanpa wayar ini. Oleh itu, buku ini tidak lengkap jika ia tidak membincangkan isyarat tanpa wayar modern dan ujian mereka. Oleh itu, bab ini bermaksud untuk membantu anda memahami teknologi baru pengujian isyarat tanpa wayar. Bab ini juga menyediakan beberapa idea baru untuk analisis isyarat dalam persekitaran tanpa wayar modern.

Membincangkan integriti isyarat dan pengukuran adalah projek besar, dan ia telah kontroversial untuk menyertai diskusi tentang alat ujian tanpa wayar dalam buku SI yang luas. Namun, topik ini juga terus terang, kerana penganalisis spektrum (SA) adalah alat yang tidak diperlukan untuk ujian frekuensi radio (RF), dan analisis spektrum menguasai kedudukan dominan dalam rekaan julat luas sistem dan peranti tanpa wayar. Selain itu, analisis spektrum kini digunakan dalam kajian dan pembangunan dalam medan yang berlainan dari sistem pengenalan frekuensi radio kuasa rendah (RFID) ke sistem radar kuasa tinggi dan penghantar RF.

isyarat 2 RF

Isyarat pembawa RF adalah seperti potongan kertas kosong yang and a boleh tulis dan menyebarkan maklumat. Pembawa RF boleh hantar maklumat dengan mengubah amplitud dan fasa, yang dipanggil modulasi. Contohnya, kita biasanya membincangkan modulasi amplitud (AM) dan modulasi frekuensi (FM), tetapi dalam tulisan, modulasi frekuensi FM adalah bentuk modulasi fasa (PM). Kombinasi AM dan PM membentuk kaedah modulasi yang berbilang semasa, seperti Kekunci Pemindahan Fasa Kuwadratur (QPSK), yang merupakan kaedah modulasi digital, dengan perbezaan fasa 90 darjah diantara bit simbol. Modulasi amplitud kuadratur (QAM) adalah kaedah modulasi yang digunakan secara luas, di mana fasa dan amplitud akan berubah secara bersamaan untuk menyediakan keadaan berbilang. Kaedah modulasi yang lebih kompleks lain seperti Pemberontakan Divisi Frekuensi Orthogonal (OFDM) juga boleh pecahkan komponen amplitud dan fasa. Maklumat asas yang disediakan oleh sistem tanpa wayar menyediakan contoh komprensif bagaimana untuk modulasi isyarat pembawa. Untuk memahami modulasi, gambar contoh mungkin lebih berkesan daripada seribu kata.

Bagaimanapun, untuk memahami modulasi digital pembawa tanpa wayar, perlu dikenali dengan menggunakan vektor untuk mewakili amplitud dan fasa isyarat. Seperti yang dipaparkan dalam Gambar 10-1, vektor isyarat boleh dipahami sebagai amplitud dan fasa segera isyarat oleh Panjang vektor dan sudut diungkap.

Jika ia berada dalam sistem rujukan koordinat kutub, ia juga boleh diekspresikan dalam sistem rujukan koordinat Cartesian tradisional atau koordinat segiempat X dan Y. Dalam mewakili digital isyarat RF, isyarat I dan isyarat Q secara ortogonal biasanya digunakan. Secara matematik, ia sebenarnya sama dengan komponen X dan Y sistem koordinat Cartesian. Figur 10-2 memperlihatkan ukuran dan fasa vektor, dan keadaan komponen I dan Q pada masa itu.

Figur 10-1

Figur 10-2

Contohnya, isyarat modulasi AM boleh diwakili oleh komponen I dan Q. Ini memerlukan pengiraan amplitudes I dan Q seketika pembawa. Setiap nilai seketika diungkap sebagai nombor dan direkam dalam ingatan. Data tersimpan terakhir (nilai amplitud) adalah ungkapan isyarat modulasi asal diberi. Namun, modulasi PM tidak begitu mudah. Ia juga termasuk maklumat fasa. Selepas menghitung nilai I dan Q dan menyimpannya, operasi trigonometrik dilakukan untuk betulkan semua data. Data yang menghasilkan adalah isyarat modulasi asal. Nampaknya sukar untuk memahami dengan teliti isyarat I dan Q, tetapi sebenarnya ini sama dengan memahami isyarat sinusoidal untuk mengekspresikan vektor pada titik tertentu pada masa menggunakan koordinat X dan Y.

Namun, isyarat yang diterangkan dalam Figur 10-1 dan 10-2 jarang berlaku dalam situasi sebenar. Telefon bimbit dan banyak sistem tanpa wayar lain telah dilambangkan di dunia modern, di mana gangguan tanpa wayar adalah di mana-mana. . Produk seperti telefon bimbit biasanya berfungsi dalam band frekuensi terbatas. Oleh itu, pembuat telefon bimbit dan peranti tanpa wayar lain mesti secara sah mematuhi spesifikasi band frekuensi. Design peranti ini perlu menghindari penghantaran tenaga RF dalam saluran sebelah, yang lebih mencabar untuk beberapa sistem tanpa wayar yang perlu menukar saluran dalam mod yang berbeza. Beberapa peranti tanpa wayar dengan rancangan relatif sederhana dalam band frekuensi tidak disenaraikan juga perlu menangani secara efektif masalah gangguan.

Peraturan kerajaan secara umum memerlukan bahawa peranti band tidak sah ini hanya boleh berfungsi dalam mod letupan (letupan) dan mesti berfungsi di bawah had penggunaan kuasa tertentu. Pengesanan, pengukuran dan analisis yang betul bagi isyarat tanpa wayar mod "letupan" adalah kerja yang sangat bermakna untuk desain SI.

Pengukuran frekuensi 3

Pengukuran frekuensi secara umum selesai oleh penganalisis spektrum imbas. Dengan imbas amplitud setiap isyarat frekuensi dibawah lebar banding resolusi tertentu (RBW) dan menyimpannya, maklumat yang amplitud berbeza dengan seluruh band frekuensi dipaparkan. Penganalisis spektrum Sweep perlu menyediakan julat dinamik yang baik dan ketepatan tinggi komponen spektrum statik isyarat, dan RBW adalah pertimbangan yang penting. Namun, kelemahan utama penganalisis spektrum imbas ialah ia hanya mengukur amplitud satu titik frekuensi isyarat pada satu titik pada masa.

Ini merupakan kelemahan kerana isyarat RF aplikasi tanpa wayar baru mempunyai ciri-ciri domain masa kompleks. Isyarat RF terbaru, terutama band frekuensi industri, saintifik, dan perubatan (ISM) terbuka, sering menggunakan teknologi komunikasi spektrum-menyebar, seperti Bluetooth dan WiFi, dan isyarat-isyarat tersebut adalah intermittent atau meletup. Berbanding dengan isyarat tanpa wayar terdahulu, perubahan dalam domain frekuensi bagi isyarat tanpa wayar jangka pendek seperti ini lebih dapat dilihat. Oleh itu, dalam pandangan analisis modulasi digital dan kemampuan kerja penganalisis spektrum pengimbasan tradisional, ia terlalu sukar untuk menggunakan alat ini untuk menguji isyarat tanpa wayar hari ini. Walaupun penganalisis isyarat vektor (VSA) untuk aplikasi modulasi digital spesifik mempunyai keterangan dalam menganalisis isyarat spesifik yang modulasi frekuensi sepanjang masa.

Pengesanan spektrum hari ini sering melibatkan pengesan peristiwa asas pada masa yang tidak ditetapkan dan bunyi yang tidak terhubung. Dengan sederhana, ia termasuk perubahan frekuensi segera, terduga dan tidak terduga, corak modulasi kompleks, dan pelbagai standar komunikasi RF dan tanpa wayar dan aplikasi. Contoh umum adalah komunikasi RFID dan spektrum penyebaran. Komunikasi berlaku dalam masa yang sangat singkat atau adalah isyarat letupan. Walaupun penganalis spektrum imbas biasa dan penganalis vektor mempunyai pilihan pengukuran untuk kaedah komunikasi tanpa wayar ini, dalam bab ini kami bertujuan untuk menggunakan penganalis spektrum masa sebenar (RTSA) untuk pengukuran. Kami sedang membincangkan RTSA kerana aplikasi tidak terbatas hari ini telah cenderung kepada isyarat segera. jurutera SI sekarang perlu memicu dan menangkap isyarat yang berminat dalam domain masa dan domain frekuensi.

jurutera SI sering perlu menangkap aliran isyarat terus menerus, termasuk aliran segera dan frekuensi, mereka perlu mendapatkan frekuensi isyarat, amplitud, dan perubahan modulasi. Selain itu, semua tugas ini sering perlu selesai dalam masa yang panjang. Contohnya, jika seorang jurutera SI menggunakan penganalisis spektrum pengimbas untuk mengesan peristiwa sementara dalam sistem RF modern, dia perlu menunggu lama. Walaupun itu dia akan diharamkan, atau dia mungkin telah melewatkan pengukuran keadaan kecemasan.

Idea untuk menguji aplikasi RF baru adalah perubahan isyarat tanpa wayar ini dalam domain masa. Feature ini, ditambah dengan faktor yang dibincangkan di masa lalu, adalah keperluan mendesak untuk penyelesaian ujian baru. Oleh itu, jurutera SI dan perancang semakin menggunakan analisis spektrum masa sebenar. Walaupun RTSA bukan perkara baru, ia sangat mirip dengan konsep VSA. RTSA masih kritikal kepada aplikasi insinyur SI. Oleh itu, jurutera SI hari ini perlu mempertimbangkan maklumat domain frekuensi tradisional dan RTSA. Selain itu, walaupun trend semasa ialah bahawa jurutera SI telah mula menyadari penting RTSA untuk potensi masa dan karakteristik isyarat RF domain frekuensi, bab kami membahas sebab untuk fokus pada RTSA.

Penganalisis spektrum 4

Mengimbas, penganalisis spektrum superheterodyne dengan arkitektur tradisional membenarkan jurutera untuk membuat pengukuran dalam domain frekuensi untuk pertama kalinya dekade yang lalu. Penganalisis spektrum imbas (SA) menggunakan peranti analog murni untuk mengalahkan awal, dan dengan cepat mencapai kejayaan. Generasi baru semasa penganalisis spektrum imbas menggunakan infrastruktur digital prestasi tinggi, termasuk ADCs, pemproses isyarat digital (DSP), dan mikrokawal. Namun, as as prinsip imbasan adalah sama, dan instrumen menyimpan status sebagai alat pengukuran isyarat RF asas. Keuntungan yang luar biasa dari generasi baru SA ialah ia mempunyai julat dinamik yang baik, sehingga ia boleh menangkap dan mengesan julat luas isyarat RF.

Dengan menukar-turun titik frekuensi yang diperlukan bagi isyarat dan imbas dalam lebar band melalui penapis RBW, pengukuran frekuensi kuasa boleh disedari. Penapis RBW diikuti oleh pengesan untuk mengira nilai amplitud setiap titik frekuensi dalam band laluan, seperti yang dipaparkan dalam Figur 10-3.

Figur 10-3

Figur 10-3 menunjukkan ujian keseimbangan antara resolusi frekuensi dan masa. Oscilator setempat menyediakan frekuensi "sweep" kepada penyampur, dan setiap sweep menyediakan frekuensi yang berbeza dan nilai yang sepadan pada output penyampur. Penapis resolusi ditetapkan dalam julat frekuensi yang boleh dipilih-pengguna, iaitu lebar band resolusi (RBW). Semakin sempit lebar kawasan penapis, semakin tinggi resolusi instrumen pengukuran dan semakin baik penghapusan bunyi instrumen. Penapis RBW diikuti oleh pengesan untuk mengukur kuasa frekuensi segera bagi setiap nilai frekuensi. Kerana kaedah ini boleh menyediakan julat dinamik yang lebih tinggi, keuntungan utamanya ialah ia boleh menghitung nilai amplitud titik frekuensi pada titik tertentu masa. Jika penapis RBW direka untuk terlalu sempit, ia akan mengambil masa yang lama untuk menyelesaikan penyelidikan input RF, sehingga beberapa perubahan dalam isyarat RF input tidak dapat dikesan. Mengimbas dalam domain frekuensi atau beberapa band laluan akan mengambil banyak masa. Teknik ujian ini adalah untuk menganggap bahawa isyarat tidak akan berubah secara signifikan semasa peristiwa ujian penyelidikan berbilang. Oleh itu, satu isyarat input yang relatif stabil, adalah diperlukan. Jika isyarat berubah sering, anda mungkin tidak mendapat keputusan.

Contohnya, sisi kiri Figur 10-4 menunjukkan hasil ujian logik RBW. Frekuensi adalah Fa pada permulaan, tetapi pada satu saat frekuensi menjadi Fb. Apabila imbasan mencapai Fb, isyarat telah hilang dan tidak dapat dikesan. Oleh itu, imbas penganalisis spektrum RBW tidak boleh menyediakan pemicu di Fb, jadi ia tidak boleh menyimpan keadaan isyarat komprensif dalam beberapa masa. Ini contoh klasik keseimbangan antara resolusi frekuensi dan masa ujian, dan ia juga tumit Achilles dari penganalisis spektrum RBW.

Figur 10-4

Namun, penganalisis spektrum pengimbasan terbaru jauh lebih cepat daripada peralatan tradisional berasaskan pemprosesan analog di masa lalu. Figure 10-5 menunjukkan arkitektur penganalisis spektrum pemindaian yang hebat modern. Penapis RBW analog tradisional telah ditambah secara digital untuk memudahkan penapisan laju dan tepat band sempit. Namun, penapis, campuran, dan penyampai sebelum ADC semua melakukan proses analog. Terutama, tidak lineariti dan bunyi dalam ADC perlu dipertimbangkan. Oleh itu, masih ada tempat untuk analisis spektrum analog, yang boleh menghindari masalah yang disebut di atas.

Figur 10-5