时域在数字射频领域中的作用

2008-05-26 00:51:22来源: 今日电子

  许多新兴应用要求功能强大的射频分析工具,除传统的频率轴和幅度轴之外,同时捕获时间信息。当前许多射频信号在不同时间点之间变化。有些信号会跳频,有些信号则简单地达到尖峰,然后消失。许多信号采用复杂的调制,其可能会在瞬间发生动态变化。这些活动可能会产生自己的负面效应,如随机瞬变、干扰、开关异常事件等。这些现象都有一个共同点,那就是时间不再是一个可以忽略的轴。

  本文考察了时间在数字射频中的关键特性,还回顾和比较了发现、触发、捕获和分析信号的方法。

  射频传输类别

  数字射频的革命带来了市场上种类丰富的低成本低功耗器件,如将整个通信系统都集成到一块集成电路中的单芯片产品等。日益稀缺的频带上传送的信息不断激增,推动着人们需要在每单位带宽上实现更高的数据速率,同时需要复杂的通信协议,允许各种射频设备和系统实现和平共存。

  通信协议的一个关键目标是用尽可能少的带宽可靠地传送数据包,同时使干扰达到最小。尽管不是为通信而设计的,但雷达系统在频谱效率和最小干扰方面也拥有类似的目标,同时在目标中增加了安全性和避免检测。这就产生了多种射频传输类别,包括:

* 传输打开的时间很短,只在发送数据单元时打开,一旦数据发送完毕,就会释放频谱,以用于其他用途。在许多情况下,这些短传输的时间关系是未知的、随机的。
* 系统与超宽带(UWB)和码分多址(CDMA)同时共享相同的频谱。
* 认知无线电(CR)调节频率、调制和功率,以便对某个时间点和位置的频谱环境做出反应。
* 一个封装内包含多台射频设备。
* 射频设备与时钟速率达到几GHz的数字CPU共享相同的集成电路。

  射频测量挑战

  当前射频工具必须具备一些基本的测量任务,以便满足设计工程师实现自己的设计目标。这些任务在某种形式上都包含各种射频传输类别,涵盖了从监控到物理研究的各种应用。

  检定频率漂移——通常必须检定频率稳定时间和响应,以保证设备满足功能需求和操作需求。通常要求不间断地捕获频率随时间不断变化的信号。

  检测干扰信号及其来源——干扰信号来来往往,通常是由于系统内部或外部故意干扰源或无意干扰源的开关活动导致的。通过记录许多离散的干扰实例及周围时间,可以确定干扰频率,推断出干扰来源。

  查找和分析瞬时信号——不管是毛刺还是预计传输,瞬时频率变化可能会意想不到地出现在比较稳定、甚至更大的信号当中。检测这些信号需要采用某种特殊的手段,它可以把相关事件与观测跨度上的其他信号区分开来。

  捕获和分析基带之上的信道化信号——通带信号可能会具有捷变和被调制的特点,因此必须捕获某个时间周期中相关频段上发生的一切事件。这就要求不间断的频谱记录,以便能够考察信号的频谱、时间和调制特点。

  分析自适应数字调制——随着带宽变得越来越宝贵,安全变得越来越重要,自适应数字调制正变得越来越普遍、越来越复杂。分析调制质量及其与信号频域特点和时域特点的关系,是转型过程中进行无线调试的关键一步。这通常要求进行超出标准的测试,特别是在没定义实现方案时。

  通过回顾这些射频测量任务,可以明显看出,许多新兴应用要求功能强大的射频分析解决方案,除了传统频率轴和幅度轴外,该工具还要能够捕获时间信息。

  目前市场上提供了三类射频信号分析仪:扫频分析仪(SA)、矢量信号分析仪(VSA)和实时频谱分析仪(RTSA)。下面我们将更仔细地考察每种分析仪及其满足新兴数字射频设计要求的能力。

  扫频分析仪

  传统扫频分析仪通过在相关频率上扫描分辨率带宽(RBW)滤波器,来进行幅度对频率测量。其缺点是,它一次只能记录一个频率中的幅度数据,要求输入信号相对稳定、不会发生变化。

图1  扫频分析仪步进通过一系列频段,经常会漏掉当前扫描频段外面发生的重要瞬时事件


  在图1中,扫频分析仪查看时间Ta上的频段,但在更高频率上发生了瞬间畸变。等到扫描到达较高的频段时,也就是时间Tb时,畸变已经消失了,因此扫频分析仪没有检测到畸变。它没有任何方式触发定义的信号特点,也没有任何方式累积长期的信号行为记录。

  矢量信号分析仪

  矢量信号分析仪的出现,满足了数字调制信号的不同要求。与扫频分析仪不同,VSA是为进行调制测量优化的。它捕获整个信号及在某个时间点上发生的任何数字调制效应,快速提供许多关键调制参数的读数,如误差矢量幅度。

  射频实时频谱分析仪

  由于随时间变化的信号在射频应用中越来越常见,人们日益迫切需要一种新的射频采集和分析方法。实时频谱分析仪应运而生,解决了这种棘手的测量问题。单纯地从三种频谱分析仪结构来看,RTSA可以触发频域事件,然后捕获和分析落在实时带宽内的任何通带信号。

图2  实时频谱分析仪结构,仪器一次捕获整个频率通带,DSP支持灵活的触发和分析功能


  图2说明了RTSA的结构。一个集成式下变频器把实时带宽放在任何通带上,直到分析仪的上限。在滤波后,下变频后的信号通过一个ADC,ADC对信号进行数字转换。这可以实时触发频域事件,把信号捕获到存储器中,对时域、频域和调制域进行多域分析。RTSA的数字射频结构在测量期间可以连续捕获信号,然后作为无缝的连续时间记录把信号存储到存储器中。RTSA是唯一为生成三维显示画面优化的射频信号分析仪,即频率、功率(幅度)和时间。

  清楚地显现问题


  认识到存在问题只是解决问题的第一步。与数字射频有关的问题通常会以间接方式显现。一台设备中的瞬变可能会导致另一台设备中的误码率提高。由于自身拥堵或受到瞬时干扰,雷达可能偶尔会提供不准确的标靶信息。功放器中的热量或电气贮存效应可能会导致数据丢失,给邻道带来瞬间干扰。执行计算密集型软件子例程可能会导致电源电压变化,影响射频传输质量。

  为了使射频设计人员发现问题,泰克已经研制出数字荧光或DPX技术,仿真可变余辉CRT。泰克实时频谱分析仪中采用的数字荧光频谱分析实现方案把显示处理与专用DSP硬件结合在一起,执行频率变换的速度要比传统频谱分析仪高出几个量级。DPX技术每秒可以更新大约50 000条轨迹,频谱更新速度约为传统扫频分析仪的100 000%。

  每次变换的信息在DPX引擎中结合在一起,以全面运动速率生成显示画面。这一引擎包括统计余辉处理,允许查看信号行为随时间变化的全部信息。它还可以立即显现散布在强信号中的弱信号,突出显示不频繁的短时间事件。余辉调节允许用户针对变化的信号条件优化显示特点,从动态信号的实地射频视图,直到发现只发生一次的事件。它可以揭示传统频谱分析仪或矢量信号分析仪看不到的信号行为。实时频谱分析仪的其他功能则提供了多种手段,可以触发信号行为,把信号捕获到存储器中,在时域、频域和调制域中分析这些信号。

  小结

  随着射频信号变得越来越复杂、越来越不可预测,设计人员必须了解从跳频到EMI瞬变的随时间变化的各种信号行为。尽管市场上为射频测量提供了大量的仪器,但只有RTSA为设计人员适应射频设计新兴趋势提供了所需的触发、捕获和分析功能。

关键字:射频  触发  捕获  分析  功耗  带宽  数据速率

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2008/0526/article_171.html
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