Технология PCB - анализ целостности сигналов: радиосигналы

1 Wireless signal chain

радиосигналы являются важной частью многих встроенных систем. Производители мобильных терминалов обсуждают вопрос об интеграции средств массовой информации. Потребители могут просматривать страницы или смотреть матчи в ноутбуке, мобильном телефоне, портативном цифровом телевидении или PDA.

Проще говоря, содержание различных средств массовой информации "переводится" на радиосигналы. Однако на практике интеграция средств массовой информации является первопроходцем многих сложных технологий, таких, как уплотнение данных (кодек), интероперабельность, передача радиочастот и обработка помех. многие другие беспроводные технологии, такие, как многочисленные международные стандарты и форматы средств массовой информации, заслуживают специальной книги. но в этой главе, для проектирования целостности сигналов, нам не нужно принимать во внимание особенности средств массовой информации, стандартов и различных беспроводных передач, нужно сосредоточиться только на проверке и анализе радиосигналов. анализ радиосигналов и частотного спектра - это метод, широко применяемый в различных профессиональных областях, и его следует включить в учебные материалы по радио.

и, because wireless systems are becoming more and more popular in embedded system design, new wireless standards are also being adopted, and signal integrity engineering should be taken seriously in these wireless environments. поэтому, если не обсудить современные радиосигналы и их испытания, то книга будет неполной. Therefore, Эта глава предназначена для того, чтобы помочь вам понять новую технику проверки радиосигналов. This chapter also provides some new ideas for signal analysis in modern wireless environments.

Обсуждение целостности сигналов и измерений - это большой проект, and it has been controversial to include discussions of wireless test instruments in the extensive SI books. Однако, this topic is also straightforward, because the spectrum analyzer (SA) is an indispensable tool for radio frequency (RF) testing, and spectrum analysis occupies a dominant position in the design of a wide range of wireless systems and devices. Кроме того, spectrum analysis is currently used in research and development in fields ranging from low-power radio frequency identification (RFID) systems to high-power radar and RF transmitter systems.

2 RF signal

An RF carrier signal is like a blank piece of paper on which you can write down and spread information. The RF carrier can transmit information by changing the амплитуда and phase, Это называется модуляция. например, we generally discuss amplitude modulation (AM) and frequency modulation (FM), but in writing, frequency modulation FM is a form of phase modulation (PM). комбинация AM и PM создает множество способов модуляции, such as Quadrature Phase Shift Keying (QPSK), это метод цифровой модуляции, with a 90-degree phase difference between the symbol bits. Quadrature amplitude modulation (QAM) is a widely used modulation method, in which the phase and amplitude will change simultaneously to provide multiple states. Other more complex modulation methods such as Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) can also decompose amplitude and phase components. The basic information provided by the wireless system provides a comprehensive example of how to modulate a carrier signal. In order to understand modulation, an example picture may be more effective than a thousand words.

Однако, to understand the digital modulation of the wireless carrier, one must be familiar with using vectors to represent the amplitude and phase of the signal. As shown in Figure 10-1, вектор сигнала может пониматься как мгновенная амплитуда и фаза сигнала, выраженная по длине и углу вектора.

If it is in a polar coordinate reference system, it can also be expressed in a traditional Cartesian coordinate reference system or rectangular coordinates X and Y. In the digital representation of an RF signal, обычно используются ортогональные I - и Q - сигналы. Mathematically, they are actually equivalent to the X and Y components of the Cartesian coordinate system. Figure 10-2 illustrates the magnitude and phase of the vector, and the state of the I and Q components at that time.

Figure 10-1

Figure 10-2

например, модулированные AM сигналы могут быть выражены составляющими I и Q. Это требует вычисления мгновенных амплитуд I и Q несущей. Каждое мгновенное значение обозначает число и записывается в памяти. Последние сохраненные данные (амплитудные значения) представляют собой выражение исходного модуляционного сигнала. Однако модуляция ПМ не так проста. Она также включает фазовую информацию. После вычисления и хранения значений I и Q будут проведены трехсторонние операции по корректировке всех данных. Полученные данные - первичный модулированный сигнал. Похоже, что трудно полностью понять сигналы I и Q, но на самом деле это то же самое, что и понимание синусоидальных сигналов, выраженных векторами в координатах X и Y в определенный момент времени.

However, the signals described in Figures 10-1 and 10-2 rarely occur in actual situations. мобильные телефоны и многочисленные другие беспроводные системы были расширены в современном мире, where wireless interference is ubiquitous. . Products such as mobile phones generally work in a restricted frequency band. Therefore, Производители мобильных телефонов и другого беспроводного оборудования должны в соответствии с законом соблюдать правила частотности. The design of these devices needs to avoid the transmission of RF energy in adjacent channels, which is even more challenging for some wireless systems that need to switch channels in different modes. Некоторые относительно простые беспроводные устройства, спроектированные в несанкционированных диапазонах частот, также нуждаются в эффективном устранении помех.

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. правильное определение, measurement and analysis of "burst" mode wireless signals are very meaningful work for SI design.

измерение частоты

частотное измерение обычно производится сканирующим спектроанализатором. просканируя и сохраняя амплитуду и амплитуду каждого сигнала на каждой частоте в диапазоне с определенным разрешением (RBW), можно отображать информацию об изменениях амплитуды по всей частоте. анализатор спектра сканирования должен обеспечивать динамический диапазон и высокую точность статического спектра сигнала, а RBW является важным соображением. Однако основным недостатком сканирующего спектрального аналитика является то, что он измеряет амплитуду частот сигнала только в одной точке времени.

это недостаток, потому что новый радиочастотный сигнал, используемый в радиотехнике, имеет сложные временные характеристики. последний радиочастотный сигнал, especially the open industrial, научный, and medical (ISM) frequency bands, широко используемая техника связи, such as Bluetooth and WiFi, эти сигналы прерывисто или внезапно. Compared with previous wireless signals, the changes in the frequency domain of such short-duration wireless signals are more noticeable. Therefore, анализ цифровой модуляции и работоспособность традиционных анализаторов спектра сканирования, it is too difficult to use this instrument to test today's wireless signals. Even a vector signal analyzer (VSA) for specific digital modulation applications has limitations in analyzing specific signals that are frequency modulated over a period of time.

Today's spectrum detection often involves detecting basic events at non-fixed times and uncorrelated noise. Simply put, it includes instantaneous, Прогнозируемое и непредсказуемое изменение частоты, сложный режим модуляции, and a variety of RF and wireless communication standards and applications. Common examples are RFID and spread-spectrum communication. The communication takes place in a very short time or is a burst signal. Although ordinary scanning spectrum analyzers and vector analyzers have measurement options for these wireless communication methods, in this chapter we aim to use real-time spectrum analyzers (RTSA) for measurements. We are discussing RTSA because today's unlimited applications have tended towards instantaneous signals. SI engineers now need to trigger and capture signals of interest in both the time domain and the frequency domain.

Инженеры SI обычно должны улавливать непрерывный поток сигналов, including instantaneous and frequency drift, they need to get the signal's frequency, amplitude, изменение модуляции. Кроме того, all these tasks often need to be completed within a long period of time. For example, Если инженер SI использует сканирующий спектроанализатор для обнаружения переходных событий в современной радиочастотной системе, he needs to wait a long time. Даже тогда он будет ограничен., Или он может пропустить измерение чрезвычайной ситуации.

The idea of testing new RF applications is the changes of these wireless signals in the time domain. This feature, Добавить элементы, которые обсуждались в прошлом, is an urgent need for new test solutions. Therefore, SI engineers and designers are increasingly using real-time spectrum analyzers. Although RTSA is not a new thing, it is very similar to the concept of VSA. RTSA is still critical to the application of SI engineering. Therefore, today's SI engineers need to consider traditional frequency domain information and RTSA. In addition, although the current trend is that SI engineers have begun to realize the importance of RTSA for potential time and frequency domain RF signal characteristics, в настоящей главе рассматриваются причины озабоченности RTSA.

сканирующий спектроанализатор

сканировать, superheterodyne spectrum analyzers with traditional architecture allowed engineers to make measurements in the frequency domain for the first time decades ago. The scanning spectrum analyzer (SA) used pure analog devices to beat early, and quickly achieved success. The current new generation of scanning spectrum analyzers uses a high-performance digital infrastructure, including ADCs, digital signal processors (DSP), and microcontrollers. However, the basis of the scanning principle is the same, инструмент сохраняет свое положение как основной радиочастотный инструмент для измерения сигналов. The outstanding advantage of the new generation of SA is that it has an excellent dynamic range, so it can capture and detect a wide range of RF signals.

промышленная частотная съемка может быть осуществлена путем преобразования частоты, требуемой для сигнала, и сканирования полосы частот через фильтр RBW. за фильтром RBW стоит детектор, используемый для расчета амплитудных значений в каждой точке частот в полосе пропускания, как показано на рисунке 10 - 3.

Figure 10-3

Figure 10-3 shows a test of the balance between frequency resolution and time. The local oscillator provides a "sweep" frequency to the mixer, Каждая развёртка на выходе смесителя предлагает разную частоту и соответствующие значения. Настройка фильтра разрешения в диапазоне частот, which is the resolution bandwidth (RBW). пропуск полосы фильтра, the higher the resolution of the measuring instrument and the better the elimination of instrument noise. The RBW filter is followed by a detector to measure the instantaneous frequency power of each frequency value. Потому что такой подход может обеспечить более широкий динамический диапазон, its main advantage is that it can calculate the amplitude value of a frequency point at a certain point in time. If the RBW filter is designed to be too narrow, it will take a long time to complete a sweep of the RF input, so that some changes in the input RF signal cannot be detected. сканирование в частотном поле или нескольких полосах пропускания займет много времени. The premise of this test technique is to assume that the signal will not change significantly during the test period of multiple sweeps. Therefore, a relatively stable , необходим постоянный входной сигнал. If the signal changes frequently, you may not get results.

например, на рисунке 10 - 4 слева показаны результаты анализатора логики RBW. вначале частота была равна фазе, но в какой - то момент она была преобразована в Fb. когда сканирование достигает Fb, сигнал исчезает и не может быть обнаружен. Таким образом, сканирование спектроанализатора RBW не может быть произведено в Fb и поэтому не может быть сохранено в памяти в течение определенного периода времени. Это классический пример сбалансированной частотной разрешающей способности и времени тестирования, а также смертельной слабости анализатора спектра RBW.

Figure 10-4

However, the latest scanning spectrum analyzer is much faster than the traditional analog processing-based equipment in the past. Диаграмма 10 - 5 shows the architecture of a modern excellent scanning spectrum analyzer. Traditional analog RBW filters have been digitally enhanced to facilitate fast and accurate narrowband filtering. However, the filters, mixers, перед ADC усилитель выполняет аналоговую обработку. особенно, the nonlinearity and noise in the ADC need to be considered. Therefore, аналоговый анализатор спектра, which can avoid the above-mentioned problems.

Figure 10-5