PCB Teknik - Sinyal integritet analizi: kablosuz sinyali

1 kablosuz sinyal zinciri

Kablosuz sinyaller bugün çok içerikli sistemlerin önemli bir parçasıdır. Mobil terminaller üreticileri medya konvergensi tartışıyorlar. İnternet'i arayabilir ya da laptoplar, cep telefonlar, taşınabilir dijital televizyonlar ya da PDA'lar üzerinde oyunu izleyebilirler.

Basit olarak, tüm tür medya içerikleri "kablosuz sinyallere çevirildir". Fakat medya konverģencisi, gerçekten geliştirilmiş veri sıkıştırması (kodek), karşılaşılabilir, radyo frekans yayımı ve araştırma işlemleri gibi sayısız kompleks teknolojilerin önden çalıştırıcısı. Büyük uluslararası standartlar ve medya formatları gibi diğer kablosuz teknolojiler, özel bir kitap hak ediyor. Fakat bu bölümde, sinyal integritet tasarımı için medya, standartlarını ve çeşitli kablosuz iletişimlerinin özelliklerini düşünmek zorunda değiliz ve sadece kablosuz sinyallerini test ve analiz etmek üzere odaklanmak zorunda değiliz. Kablosuz sinyaller ve spektrumun analizi çeşitli profesyonel alanlarda geniş kullanılan bir yöntemdir ve kablosuz okuma kitaplarında görünmeli.

Ayrıca, kablosuz sistemler içerikli sistem tasarımında daha popüler oluştuğu için yeni kablosuz standartları da kabul ediliyor ve bu kablosuz çevrelerde sinyal integritet mühendisliği ciddiye alınmalıdır. Bu yüzden, bu kitap modern kablosuz sinyalleri ve sınamalarını tartışmazsa tamamlanmayacak. Bu bölüm, kablosuz sinyal testinin yeni teknolojisini anlamanıza yardım etmek için amaçlı. Bu bölüm de modern kablosuz çevrelerinde sinyal analizi için yeni fikir sağlıyor.

Sinyal bütünlük ve ölçüm tartışması büyük bir projedir ve geniş SI kitaplarında kablosuz test araçlarının tartışmalarını dahil etmek mücadele edici. Ancak bu konu da düzgün, çünkü spektrum analizi (SA) radyo frekansiyeti (RF) testi için gereksiz bir araç ve spektrum analizi geniş kablosuz sistemlerin ve aygıtların tasarımında dominant bir pozisyon alıyor. Ayrıca, spektrum analizi şu anda yüksek enerji radar ve RF transmitör sistemlerine kadar düşük enerji frekans kimliğinden (RFID) alanlarda araştırma ve geliştirme alanlarda kullanılır.

2 RF sinyali

RF taşıyıcı sinyali, üzerinde yazıp bilgi yayabileceğiniz boş bir kağıt parçası gibidir. RF taşıyıcısı modülasyon denilen amplitudi ve fazı değiştirerek bilgileri gönderebilir. Örneğin, genelde amplitude modülasyonu (AM) ve frekans modülasyonu (FM) tartışıyoruz, fakat yazıyla, frekans modülasyonu FM faz modülasyonu (PM) türüdür. AM ve PM kombinasyonu, sembol bitlerin arasındaki 90 derece faz farklılığıyla, Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) gibi şu anki sayısal modülasyon metodlarını oluşturur. Kvadrat amplitude modulasyon (QAM) geniş kullanılan bir modülasyon metodu. Fazla ve amplitude birçok durum sağlamak için aynı and a değişecek. Ortogonalı Frekans Bölümü Çoklu Çevirme (OFDM) gibi daha karmaşık modülasyon metodları da amplitude ve faz komponentlerini dağıtabilir. Kablosuz sistemi tarafından verilen temel bilgiler bir taşıyıcı sinyalini nasıl modülleyeceğine dair büyük bir örnek sağlar. Modülasyon anlamak için bir örnek resmi binlerce kelimeden daha etkili olabilir.

Fakat kablosuz taşıyıcısının dijital modulasını anlamak için, sinyalin genişliğini ve fazını temsil etmek için vektörler kullanarak tanıdık olmalı. Görüntü 10-1'de gösterilen gibi, bir sinyal vektörü, vektör uzunluğu ve a çı tarafından sinyal amplitudi ve fazı olarak anlayabilir.

Eğer polar koordinat referansı sisteminde ise, bu da geleneksel bir Kartesya koordinat referansı sisteminde veya X ve Y doğru katı koordinatlarında ifade edilebilir. RF sinyalinin dijital temsilinde, buna I sinyali ve Q sinyali orthogonal kullanılır. Matematik olarak, Cartesian koordinat sisteminin X ve Y komponentlerine eşit. Şekil 10-2, vektörün büyüklüğü ve fazını gösteriyor ve o zamanda I ve Q komponentlerin durumu gösteriyor.

10-1

Görüntü 10-2

Örneğin, ben ve Q komponentleri tarafından temsil edilebilir. Bu taşıyıcının hemen I ve Q amplitosunu hesaplaması gerekiyor. Her anımsal değer bir sayı olarak ifade edilir ve hafızada kaydedilir. Son depolanmış veri (amplitude değeri) orijinal modüle sinyalinin ifadesidir. Ancak, PM modülasyonu bu kadar basit değil. Ayrıca faz bilgileri de dahil ediyor. I ve Q değerlerini hesapladıktan sonra ve onları depoladıktan sonra, tüm verileri düzeltmek için trigonometrik operasyonlar gerçekleştirilir. Sonuç veri orijinal modüle sinyalidir. I ve Q sinyallerini tamamen anlamak zor görünüyor, ama aslında bu, X ve Y koordinatlarını kullanarak bir vektör ifade etmek için sinusoidal sinyal sinyal sinyal sinyal sinyali anlamanın aynısı.

Ancak 10-1 ve 10-2 figürlerinde tanımlanmış sinyaller gerçek durumlarda nadir oluyor. Cep telefonları ve sayısız diğer kablosuz sistemler modern dünyada genişletildi. Kablosuz araştırmaları her yerde. Cep telefonları gibi ürünler genellikle sınırlı frekans grubunda çalışıyor. Bu yüzden, mobil telefonların ve diğer kablosuz aygıtların üreticileri yasal olarak frekans grubu özelliklerine uymalı. Bu aygıtların tasarımı, yakın kanallarda RF enerjinin yayılmasını engellemek zorundadır. Bu, farklı modlarda kanalları değiştirmek gereken bazı kablosuz sistemleri için daha zor. Bazı kablosuz aygıtlar tarihleri olmayan frekans gruplarında relativ basit tasarımlar ile ilgili müdahale problemi etkili olarak çözmesi gerekiyor.

Hükümet kuralları genelde bu türlü hazırsız grup aygıtlarının sadece patlama (patlama) modunda çalışmasını ve güç tüketme sınırının altında çalışması gerektiğini talep ediyor. "Burst" modunun doğru değerlendirme, ölçüm ve analizi wireless sinyallerin SI tasarımı için çok anlamlı çalışmalar.

3 Frekans ölçüsi

Frekans ölçüsü genellikle bir tarama spektrumu analizcisi tarafından tamamlanır. Her frekans sinyalinin genişliğini belirli bir çözüm bandgenişliğinin (RBW) altında tararak, kurtararak, amplitüsün tüm frekans grubunun farklı olduğunu gösterilir. Sırf spektrumu analizlerinin sinyalin statik spektrumu komponentlerinin mükemmel dinamik menzili ve yüksek doğruluğu sağlaması gerekiyor, ve RBW önemli bir düşünce. Ancak, tarama spektrumu analizicisinin en önemli kısıtlığı sadece bir noktada sinyalin bir frekans noktasının genişliğini ölçüyor.

Bu, yeni kablosuz uygulamaların RF sinyallerinin karmaşık zamanlı alan özellikleri olduğu için bir durumda olmayan bir durum. Son RF sinyalleri, özellikle açık endüstriyel, bilimsel ve tıbbi frekans grupları, Bluetooth ve WiFi gibi yayılan spektrum iletişim teknolojilerini kullanır ve bu sinyaller geçici veya patlamıştır. Önceki kablosuz sinyalleri ile karşılaştırıldığında, bu kısa süredir kablosuz sinyallerin frekans alanındaki değişiklikler daha fark edilebilir. Bu yüzden, geleneksel tarama spektrumu analizlerinin dijital modülasyon analizi ve çalışma yetenekleri ile ilgili, bugünkü kablosuz sinyallerini test etmek için bu aracı kullanmak çok zor. Belirli dijital modülasyon uygulamaları için bir vektör sinyal analizcisi (VSA) bile bir süre boyunca modüle edilen özel sinyalleri analiz etmekte sınırlar var.

Bugünkü spektrom değerlendirmesi s ık sık temel olayları sabitlenmeyen zamanlarda ve bağlantılı bir ses keşfetmesine katılır. Basit olarak, birkaç and a, tahmin edilebilir ve tahmin edilemez frekans değişiklikleri, kompleks modülasyon örnekleri ve çeşitli RF ve kablosuz iletişim standartları ve uygulamaları içeriyor. Ortak örnekler RFID ve yayılan spektrum iletişimi. İletişim çok kısa bir sürede oluyor ya da patlama sinyali. Bu bölümde gerçek zamanlı spektrum analizi ve vektör analizi çözücülerinin bu kablosuz iletişim metodları için ölçüm seçenekleri vardır. Bu bölümde ölçümler için gerçek zamanlı spektrum analizi (RTSA) kullanmayı amaçlıyoruz. RTSA'yı tartışıyoruz çünkü bugün s ınırlı uygulamalar anımsal sinyallere yöneldi. Şimdi SI mühendislerinin zaman alanı ve frekans alanı ile ilgili sinyalleri tetiklemesi ve yakalaması gerekiyor.

SI mühendislerinin s ık sık sık bir sinyal akışını yakalaması gerekiyor. Hemen ve frekans sürücüsü dahil, sinyalin frekansiyeti, amplitudi ve modülasyon değişimlerini almaları gerekiyor. Ayrıca, bu görevler genellikle uzun bir süre içinde tamamlanması gerekiyor. Örneğin, eğer bir SI mühendisi modern RF sisteminde geçici olayları keşfetmek için tarama spektrumu analizi kullanırsa, uzun zaman beklemesi gerekiyor. O zaman bile sınırlı olurdu, ya da acil bir durum ölçüsünü kaçırmış olabilir.

Yeni RF uygulamalarını denemek fikri zaman alanında bu kablosuz sinyallerin değişiklikleridir. Bu özellik, geçmişte tartışan faktörlerle birlikte yeni test çözümleri için acil bir ihtiyaç. Bu yüzden SI mühendisleri ve tasarımcıları gerçek zamanlı spektrumu analizlerini kullanıyor. RTSA yeni bir şey değil olsa da, VSA konseptiyle çok benziyor. RTSA hâlâ SI mühendislik uygulaması için önemli. Bu yüzden bugün SI mühendislerinin geleneksel frekans alanı ve RTSA bilgisini düşünmesi gerekiyor. Ayrıca, şu anki trende SI mühendislerinin RTSA'nın potansiyel zamanlı ve frekans alanı RF sinyal özellikleri için önemlisini anlamaya başladığı konusunda, bölümümüz RTSA'ya odaklanma sebeplerini tartışıyor.

4 Tarama spektrumu analizi

Tarama, geleneksel mimar ile süperheterodinan spektrumu analizörleri, ilk defa yıllar önce frekans alanında ölçümler yapmasına izin verdi. Tarama spektrumu analizi (SA) erken yenmek için temiz analog aygıtları kullandı ve çabuk başarıya ulaştı. Şimdiki yeni tarama spektrumu analizicilerinin yeni nesili, ADC, dijital sinyal işlemcisi (DSP) ve mikrokontrolörler dahil yüksek performans dijital altyapı kullanır. Ancak tarama prensipinin temeli aynı ve araç durumunu temel bir RF sinyal ölçüm aracı olarak tutuyor. SA'nin yeni nesillerinin en büyük avantajı mükemmel bir dinamik menzili olduğu için geniş bir menzil RF sinyallerini yakalayıp tanıyabilir.

Sinyalin gerekli frekans noktalarını aşağı dönüştürerek ve bandwidth aracılığıyla RBW filtrü aracılığıyla taramak için güç frekans ölçüsü gerçekleştirilebilir. RBW filtrü, 10-3 figüründe gösterdiği gibi Pasajdaki her frekans noktasının amplitudi değerini hesaplamak için bir detektör tarafından takip ediyor.

10-3

Şekil 10-3, frekans çözümleri ve zamanı arasındaki dengenin bir test gösteriyor. Yerel oscillatör karıştırıcıya "sweep" frekansiyonu sağlar ve her tarafı karıştırıcı çıkışında farklı frekansiyonu ve uyumlu değerini sağlar. Çözünürlük filtrü kullanıcı seçilebilir frekans menzilinde ayarlandı. Bu, çözünürlük bandwidth (RBW). Filtre bandwidth'i daha kısa, ölçüm aracının çözümünü daha yüksek ve araç sesini yok etmesi daha iyi. RBW filtrü, her frekans değerinin anımsal frekans gücünü ölçülemek için bir detektor tarafından takip ediyor. Çünkü bu yöntem daha yüksek dinamik bir menzili sağlayabilir, onun ana avantajı, zamanında bir frekans noktasının amplitudi değerini hesaplayabilirdi. Eğer RBW filtrü çok kısa olmak için tasarlanmışsa, RF girişini tamamlamak için uzun zaman alacak, bu yüzden giriş RF sinyalindeki bazı değişiklikler keşfedilmez. Frekans alanında tarama veya birkaç pasabanda önemli bir süre zaman alacak. Bu test tekniğinin önlemi, sinyalin çoklu süpürler sırasında önemli değişmeyeceğini tahmin etmek. Bu yüzden, relatively stabil, sürekli bir girdi sinyali gerekli. Sinyal sık değişirse sonuçlar alamazsınız.

Örneğin, Figure 10-4'in sol tarafı RBW mantıklı analiz testinin sonucunu gösteriyor. Frekans başlangıçta Fa, ama bir anda frekans Fb olur. Tarayın Fb'e ulaştığında sinyal yok olup keşfedilmez. Bu yüzden, RBW spektrumu analizicisinin taraması Fb'de tetikleyici sağlayamaz, bu yüzden bunun bütün sinyal şartlarını bir süre içinde saklamaz. Bu, frekans çözümlemesi ve teste zamanı arasındaki dengenin klasik bir örneğindir. Ayrıca RBW spektrumu analizicisinin Achilles'in ayağı.

10-4

Ancak son tarama spektrumu analizi geçmişte geleneksel analog işleme temelli ekipmanlarından daha hızlı. Şekil 10-5, modern mükemmel bir tarama spektrumu analizicisinin mimarını gösteriyor. Tradicionali analog RBW filtreleri, hızlı ve doğru kısa grup filtrelemesini kolaylaştırmak için dijital olarak geliştirildi. Ancak, ADC'den önce filtreler, karıştırıcı ve amplifikatörler analog işleme yapar. Özellikle, ADC'deki çizgi ve sessizlik düşünmeli. Bu yüzden, hâlâ analog spektrumu analizcisi için bir yer var, bu da yukarıdaki sorunlardan kaçırabilir.

10-5