PCB科技 - 信號完整性分析：無線訊號

1. 無線訊號鏈

無線訊號是當今許多嵌入式系統的重要組成部分。 移動終端製造商正在討論媒體融合。 消費者可以在筆記型電腦、手機、可擕式數位電視或PDA上流覽網頁或觀看比賽。

簡單地說，各種媒體內容都被“翻譯”成無線訊號。 然而，媒體融合實際上是無數複雜科技的先驅，例如增强資料壓縮（codec）、互操作性、射頻傳輸和干擾處理。 無數其他無線技術，如大量國際標準和媒體格式，值得一本特別的書。 但在本章中，對於信號完整性設計，我們不需要考慮媒體、標準和各種無線傳輸的特性，而只需要專注於測試和分析無線訊號。 無線訊號和頻譜分析是各個專業領域廣泛使用的一種方法，應該出現在無線教科書中。

此外，由於無線系統在嵌入式系統設計中越來越流行，新的無線標準也被採用，在這些無線環境中，信號完整性工程應該受到重視。 囙此，如果這本書不討論現代無線訊號及其測試，它將是不完整的。 囙此，本章旨在幫助您瞭解無線訊號測試的新技術。 本章還為現代無線環境中的訊號分析提供了一些新思路。

討論信號完整性和量測是一個大項目，在廣泛的SI書籍中包括無線測試儀器的討論一直存在爭議。 然而，這個主題也很簡單，因為頻譜分析儀（SA）是射頻（RF）測試不可或缺的工具，而頻譜分析在各種無線系統和設備的設計中佔據主導地位。 此外，頻譜分析現時用於從低功率射頻識別（RFID）系統到高功率雷達和射頻發射機系統等領域的研發。

2. 射頻訊號

射頻載波訊號就像一張空白的紙，你可以在上面寫下和傳播資訊。 射頻載波可以通過改變幅度和相位來傳輸資訊，這稱為調製。 例如，我們通常討論振幅調製（AM）和頻率調製（FM），但在書面形式中，頻率調製FM是相位調製（PM）的一種形式。 AM和PM的組合形成了當前眾多的調製方法，例如正交相移鍵控（QPSK），這是一種數位調製方法，符號比特之間存在90度相位差。 正交幅度調製（QAM）是一種廣泛使用的調製方法，其中相位和幅度將同時改變以提供多個狀態。 其他更複雜的調製方法，如正交頻分複用（OFDM）也可以分解振幅和相位分量。 無線系統提供的基本資訊提供了如何調製載波訊號的綜合示例。 為了理解調製，一幅示例圖片可能比千言萬語更有效。

然而，要理解無線載波的數位調製，必須熟悉使用向量來表示訊號的幅度和相位。 如圖10-1所示，訊號向量可以理解為通過向量長度和角度表示的訊號暫態振幅和相位。

如果是在極座標參考系中，也可以用傳統的笛卡爾座標參考系或直角座標X和Y表示。在射頻訊號的數位表示中，通常使用與其正交的I訊號和Q訊號。 從數學上講，它們實際上相當於笛卡爾坐標系的X和Y分量。 圖10-2說明了向量的大小和相位，以及當時I和Q分量的狀態。

圖10-1

圖10-2

例如，AM調製訊號可以由I和Q分量表示。 這需要計算載波的暫態I和Q振幅。 每個暫態值都表示為一個數位，並記錄在記憶體中。 最後存儲的數據（振幅值）是原始調製訊號的運算式。 然而，PM調製並不是那麼簡單。 它還包括相位資訊。 在計算I和Q值並存儲它們之後，將執行3角運算以校正所有數據。 結果數據是原始調製訊號。 似乎很難完全理解I和Q訊號，但事實上，這與理解正弦訊號在某個時間點使用X和Y座標表示向量是一樣的。

然而，圖10-1和10- 2中描述的訊號在實際情況下很少出現。 行动电话和無數其他無線系統在無線干擾無處不在的現代世界得到了擴展。 手機等產品通常在有限的頻段內工作。 囙此，手機和其他無線設備的製造商必須依法遵守頻段規範。 這些設備的設計需要避免在相鄰通道中傳輸射頻能量，這對於需要在不同模式下切換通道的一些無線系統來說更具挑戰性。 一些在未經許可的頻帶中設計相對簡單的無線設備也需要有效地處理干擾問題。

政府法規通常要求這些未經許可的波段設備只能在突發模式（突發）下工作，並且必須在一定的功耗限制下工作。 對突發模式無線訊號的正確檢測、量測和分析對於SI設計是非常有意義的工作。

3頻率量測

頻率量測通常由掃描頻譜分析儀完成。 通過在一定分辯率頻寬（RBW）下掃描並保存每個頻率訊號的振幅，可以顯示振幅隨整個頻帶變化的資訊。 掃描頻譜分析儀需要提供訊號靜態頻譜分量的良好動態範圍和高精度，而RBW是一個重要的考慮因素。 然而，掃描頻譜分析儀的主要缺點是它只能在一個時間點上量測訊號的一個頻率點的振幅。

這是一個缺點，因為新無線應用的射頻訊號具有複雜的時域特性。 最新的射頻訊號，尤其是開放的工業、科學和醫療（ISM）頻段，通常使用擴頻通信技術，如藍牙和WiFi，這些訊號是間歇或突發的。 與以前的無線訊號相比，這種短時無線訊號的頻域變化更加明顯。 囙此，鑒於傳統掃描頻譜分析儀的數位調製分析和工作能力，使用該儀器測試當今的無線訊號太困難了。 即使是用於特定數位調製應用的向量訊號分析儀（VSA）在分析一段時間內頻率調製的特定訊號方面也存在局限性。

今天的頻譜檢測通常涉及在非固定時間檢測基本事件和不相關雜訊。 簡而言之，它包括暫態、可預測和不可預測的頻移、複雜的調製模式以及各種射頻和無線通訊標準和應用。 常見的例子是RFID和擴頻通信。 通信在很短的時間內發生，或者是突發訊號。 雖然普通掃描頻譜分析儀和向量分析儀對這些無線通訊方法有量測選項，但在本章中，我們的目標是使用實时頻譜分析儀（RTSA）進行量測。 我們之所以討論RTSA，是因為今天的無限應用趨向於暫態訊號。 SI工程師現在需要在時域和頻域觸發和捕獲感興趣的訊號。

SI工程師通常需要捕獲連續的訊號流，包括暫態和頻率漂移，他們需要獲得訊號的頻率、幅度和調製變化。 此外，所有這些任務往往需要在很長一段時間內完成。 例如，如果SI工程師使用掃描頻譜分析儀檢測現代射頻系統中的瞬態事件，他需要等待很長時間。 即使這樣，他也會受到限制，否則他可能會錯過緊急情况的衡量標準。

測試新射頻應用的想法是這些無線訊號在時域中的變化。 這個特性，再加上過去討論過的因素，迫切需要新的測試解決方案。 囙此，SI工程師和設計師越來越多地使用實时頻譜分析儀。 雖然RTSA不是一個新事物，但它與VSA的概念非常相似。 RTSA對SI工程的應用仍然至關重要。 囙此，今天的SI工程師需要考慮傳統的頻域資訊和RTSA。 此外，雖然現時的趨勢是SI工程師已經開始意識到RTSA對於潜在的時域和頻域射頻訊號特性的重要性，但我們這一章討論了關注RTSA的原因。

4掃描頻譜分析儀

幾十年前，採用傳統結構的掃描式超外差頻譜分析儀首次允許工程師在頻域進行量測。 掃描頻譜分析儀（SA）早期使用純類比設備，並很快取得了成功。 當前新一代掃描頻譜分析儀使用高性能數位基礎設施，包括ADC、數位信號處理器（DSP）和微控制器。 然而，掃描原理的基礎是相同的，儀器保持其作為基本射頻訊號量測工具的地位。 新一代SA的突出優點是，它具有出色的動態範圍，囙此可以捕獲和檢測大範圍的射頻訊號。

通過對訊號所需頻點進行下變頻，並通過RBW濾波器在頻寬內進行掃描，可以實現工頻量測。 RBW濾波器後面是一個檢測器，用於計算通帶中每個頻率點的振幅值，如圖10-3所示。

圖10-3

圖10-3顯示了頻率分辯率和時間之間的平衡測試。 本地振盪器向混頻器提供“掃描”頻率，每個掃描在混頻器輸出端提供不同的頻率及其相應值。 分辯率濾波器設定在用戶可選擇的頻率範圍內，即分辯率頻寬（RBW）。 濾波器頻寬越窄，測量儀器的分辯率越高，儀器雜訊的消除越好。 RBW濾波器後面是一個檢測器，用於量測每個頻率值的暫態頻率功率。 由於該方法可以提供更高的動態範圍，其主要優點是可以計算某個時間點上某個頻率點的振幅值。 如果RBW濾波器設計得太窄，則需要很長時間才能完成射頻輸入的掃描，囙此無法檢測到輸入射頻訊號的某些變化。 在頻域或多個通帶中掃描將需要相當長的時間。 該測試技術的前提是假設訊號在多次掃描的測試期間不會發生顯著變化。 囙此，需要一個相對穩定、恒定的輸入信號。 如果訊號頻繁變化，則可能得不到結果。

例如，圖10-4的左側顯示了RBW邏輯分析儀測試的結果。 頻率在開始時為Fa，但在某一時刻變為Fb。 當掃描到達Fb時，訊號消失，無法檢測到。 囙此，RBW頻譜分析儀的掃描無法在Fb處提供觸發，囙此無法在一段時間內存儲綜合訊號條件。 這是頻率分辯率和測試時間之間平衡的經典例子，也是RBW頻譜分析儀的致命弱點。

圖10-4

然而，最新的掃描頻譜分析儀比過去基於類比處理的傳統設備快得多。 圖10-5顯示了現代優秀掃描頻譜分析儀的體系結構。 傳統的類比RBW濾波器已經過數位增强，以便於快速準確的窄帶濾波。 然而，ADC之前的濾波器、混頻器和放大器都執行類比處理。 尤其需要考慮ADC中的非線性和雜訊。 囙此，類比頻譜分析儀仍有一席之地，可以避免上述問題。

圖10-5