实时频谱分析仪RF视图功能 应对跳频软件无线电挑战

2016-07-20 10:13:28来源: mwrf
设计人员长久以来一直在设法改善无线电通信的性能和弹性,近年随着射频(RF)频谱变得更加拥挤,干扰更加普遍(图1)。目前设计人员使用几种技术,以确保能够在拥挤的无线电频谱上有效率地进行通信,其中主要的有软件无线电(SDR),该技术可让软件动态控制通信参数如使用的频带、调变类型、数据速率和跳频方式。

图1 跳频信号被大量的干扰塞住

须在常有恶意信号干扰的关键任务环境中执行的军用无线电,会经常采用SDR技术。该技术应用的机体大小可能相差悬殊,从轻巧的可携式机组,到安装在车辆和船舶上的平台,许多的商业应用如无线局域网络(WLAN)和3G手机通信,近来也都表明采用了许多原本用于国防电子产业的SDR技术。尽管SDR的应用和机体大小差异极大,但其都拥有一个共同的特点,即跳频。跳频可适用于模拟和数字无线电中,用来改善性能、避免被侦测,并减轻拥塞和干扰,如多重路径和衰减。

跳频会搭配编码方式使用,编码方式能够改善从干扰和衰减中还原的能力、将信息散布到广泛的频率范围中,让系统更加健全。如果某个频率拥塞,系统只会损失以该频率发射的信息,而非整个数据串。在这些情况下,可以使用交错和前向错误修正(FEC)以还原跳频受干扰时损失的资料。 

虽然跳频已被证明能改善无线电通信的方法,但目前仍持续发展中,信号跳频的速度越快,就越不会遇到侦测、干扰或拥塞。因此,虽然跳频不是新技术,设计人员还是不断致力于提高现代无线电中跳频的速度,以期进一步改善和强化性能,然而这些努力带来可观的设计与测试挑战。跳频信号和干扰源是在极端复杂、随时间变化的频谱下运作(图2),这些不稳定的信号行为,可能会使信号很难获取、验证和测量,为了在快速跳频技术使用量渐增的现代无线电中,有效地进行设计和测试,即需要新的工具和方法。

图2 左侧显示用户定义的频罩触发,右侧频谱图则显示获取到的跳频信号。

增加跳频速度伴随许多挑战

在设计通信系统,特别是系统架构和频率合成器时,跳频速度的加快带来许多挑战。现在无线电是一种复杂的系统,而且控制软件、数字信号处理器(DSP)和系统组件都必须搭配运作,以确保最佳的性能。由于软件会活跃地改变SDR操作参数,因此有无数种可能导致错误的硬件/软件组合。另外,调变和过滤瞬时、失真、非线性功率效应、脉冲偏差、频率微调和平复、电源供应器耦合、数字至RF的耦合以及与软件相关的相位错误,也都很常见。

设计快速频率合成器同样展现巨大的挑战,如美国军队部署的联合战术信息发布系统(JTIDS),能够在L频TDMA网络中以每秒38,461.5次跳频的速度运作,这代表频率合成器必须在不到26微秒的时间内,从一个频率跳到另一个频率、稳定下来,然后进行通信,系统瞬时响应必须在短短的几百纳秒内平复,才能零误差地进行通信。 

跳频载波的频率平复影响到调变质量,是发射器质量不佳和系统数据速率低落的主要原因之一。以前设计人员可以使用传统的测试设备,为位于向量信号分析仪中心频率的固定载波进行解调变,但传统的测试设备无法解调变今日的宽带跳频信号,由于这些信号会在作业频带上跳跃,因此需偏离中心频率的分析,以确保最佳的调变质量。而通过DSP产生动态RF波形以及数字RF电路(通常位于相同的集成电路)的整合,同样产生传统RF收发器设计所没发现的问题,举例而言,这些问题包括瞬时调变、放大器的非线性效应以及数字至RF的串音。 

SDR发射器的性能须通过比传统RF发射器兼容性测试更高标准的测量验证。仅通过测试还无法保证装置运作正常,另外还必须小心、彻底地观察系统行为,因为软件会不断变更系统参数,想要真正迎向这些挑战,SDR设计人员必须完整分析和了解其系统的特性。 

探索真正的系统行为对找出潜在的RF频谱异常非常重要。由于系统参数会随着时间改变,要立即精确找出发生的瞬时事件,必须执行频率选择性触发,而要判断每个问题的特定原因,则须在多域中运行时间关联分析。能够将整个事件无缝地获取至内存中,对后续分析来说非常宝贵,这是因为瞬时发生的条件可能很难重现,这些随时间而改变之验证信号性能的进阶疑难排除方法,加上在稳定状态条件下执行的传统兼容性测试,在全面性SDR测试中不可或缺。 

利用SDR验证性能和在系统层上进行疑难排除

开发获得验证的系统架构设定,对于现代通信系统的成功极为重要,经过测试和验证的无线基站越多,系统整合的最后阶段中出现问题的机率就越低,另外,要在开发和整合周期中越后面的阶段处理这些问题,解决问题时花费的代价就越高昂。系统故障的部分主要原因为DSP、RF电路和控制软件,验证除错工具能够为系统设计人员提供很大的帮助,使其有效地发现问题。 

一旦找出错误,就须予以隔离和了解。为隔离问题和判定其根源,回溯信号路径以建立时间关联的错误非常重要,由于在SDR设计中信号信息的形式会改变,即从数字位变成连续变量的模拟电压,因此可能需要几件测试设备以诊断确切的问题来源。既然问题可能发生在信号路径中的任何一点,而且示波器逻辑分析仪的内存容量有限,所以同时触发多个测试仪器并获取事件发生瞬间的能力,就显得极为重要。要做到这一点,每一台仪器都必须能在其领域中进行触发,如逻辑分析仪进行数字触发、示波器进行时域振幅触发、频谱分析仪则进行频域触发等。

包含实时频谱分析仪(RTSA)、任意波形发生器(AWG)、示波器和逻辑分析仪的整合点对点测试系统皆是理想的SDR测试工具。由测试与测量厂商挑选出的仪器,能利用交互触发和时间关联子系统视图一致地运作,以验证SDR性能,并在物理层和各种软件层执行多个测试程序,这些测试系统也可以用来了解频域和时域中SDR子系统之间的复杂互动,特别是突波信号(Burst)或跳频的信号。 

进行过滤和放大时,软件异常可能会在RF输出上造成暂时的RF能量脉冲。为了隔离软件和硬件性能,可以使用RTSA对频域中的瞬时进行触发、将事件获取到内存中,并驱动其他测试仪器以探测可能的错误来源。获取到的信号会以时间关联的方式表示,协助设计人员了解SDR的数字与模拟区块中的异常,如何以脉冲噪声的方式传播至RF输出。 

这些RTSA从频谱瞬时中找出问题的独特能力,可用来触发其他仪器,并取得差异极大之硬件与软件功能实作的时间关联视图,如RTSA可在信号路径的RF和中频(IF)部分获取信号,而逻辑分析仪可以获取数字基带信号,并将其与RTSA产生的符号表(Symbol Table)互相比较,不仅如此,某些RTSA还提供脱机软件,可用来分析从逻辑分析仪和示波器获得的数据,以进行硬件和软件的测量修正。 

验证基带IQ波形质量相当重要

验证基带IQ波形质量对于系统工程师和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)设计人员都很重要。其可协助工程师测试基带在开发的初期阶段确认其功能是否正常,因为许多和数字电路有关的问题都出现在FPGA设计中。 

实际设计和应用中的基带信号为差分信号(I+、I-、Q+和Q-),并可能有DC偏移,以前能够直接测试IQ信号的频谱分析仪非常少,能测试带有DC偏移之IQ信号的频谱分析仪就更少,因此工程师不得不使用示波器搭配额外的软件,以进行后续分析。  

选择RTSA使工程师能使用差动输入进行基带IQ测试,可在分析IQ、IF和RF信号时提供测量的一致性,使用RTSA测试IQ信号还可减少系统的复杂性、简化测试程序,同时提供比一般用途仪器更高的动态范围和更大的内存深度。

现代的RTSA集基带、RF和后续分析功能于一身,如RTSA能以14位的模拟数字转换器(ADC),执行DC基带测量,确保测量的准确性。其中有些还拥有差动IQ输入功能,使工程师能将RTSA直接连接至基带IQ信号,以进行误差向量振幅(EVM)分析,且毋需任何额外的差动探棒组。除了EVM,这些RTSA还提供横跨多个领域的完全时间关联测量,包括时域、频域、调变域和星状图,这项功能在为跳频SDR进行疑难排除时极为重要。 

Live RF频谱视图清楚呈现跳频信号频率状态

频率平复时间的定义为两个跳频频率之间的时间长度,这是跳频系统效率的主要来源之一,频率平复时间越短,系统的跳频速度就可以越快,测量频率平复时间可以确保合成器在最佳状况下运作,并将整体的系统性能最大化。

传统的频率平复时间测量方式受限于仪器,而且非常耗时,工程师必须依靠示波器和频率鉴别器进行测试,且只会显示信号包络和约略的信号稳定性。虽然示波器拥有极佳的时序分辨率,但是使用其测量细微的频率变化可能是一大挑战(视测量所需的频率分辨率而定),示波器无法自动测量跳频的频率,也只能估计频率平复时间。

新开发的RTSA提供自动化的频率平复时间测量,工程师只要设定频率平复临界值和平滑系数等参数,就可以迅速准确地测量跳频信号的频率平复时间,也可以看到跳频时的频谱变化。除跨越多个领域的时间关联测量,有些RTSA还能够产生频谱的Live RF视图(图3),并提供频罩触发(FMT),这些独特的功能更有效地简化了跳频信号的疑难排除,使测量变得轻松(图4)。

图3 RTSA的数字荧光显示器和频罩触发有助于迅速辨识、获取和疑难排除跳频信号。

图4 利用频谱图(左上)、频率对振幅(右上)、信号调变质量(左下)和星状图(右下)视图,为获取到的偏离中心跳频信号进行解调变。

Live RF视图为工程师提供可用来立即探索问题的工具。最新的RTSA让使用者能首度看见真实的信号,并对RF信号行为进行深入分析,由于其频谱更新至少比扫描频谱分析仪快五百倍,因此频率的瞬时变化可以直接在显示器上看见,在SDR的领域中,这项功能提供迅速评估信号的RF健全状态以及快速辨识潜在问题的新方式。

一旦辨识出突波或瞬时,并使用实时的视图将其定义为频域事件,FMT就能可靠地将信号获取到内存中,进行深入的后处理分析。频罩由使用者定义,可加以绘制以获取最佳的信号,如若跳频不常发生,使用者能定义波罩,使其在频率偏差而非功率位准改变的状况下进行触发,频率波罩已定义为此信号周围的包络线,仪器会在信号进入频率波罩区域时进行触发。Live RF频谱视图和频率触发的组合,提供设计人员在SDR和数字RF环境中,寻找和排除经常遇见之问题的能力。  

通过RTSA在获取带宽中解调变跳频信号

要进行横跨整个带宽的跳频信号调变分析,仪器不但要能触发和获取动态RF信号,还要拥有载波追踪向量分析的能力。传统的向量信号分析仪(VSA)可提供中心频率的向量分析,但对于偏离中心之信号的分析极为有限(即300kHz或以下)。大多数的向量分析仪,都缺乏在整个获取带宽中解调变跳频信号的载波追踪能力。 

RTSA能在整个获取带宽中解调变跳频信号,工程师毋须在任何偏离中心的频率上猜测调变质量,就能为其设计进行验证和除错,并可选择解调变任何获取到的跳频信号,以详细的调变质量分析检视多个领域的时间关联测量。 

跳频技术尽管能改善SDR性能,却也在设计和测试上带来传统测试仪器无法处理的空前挑战,这些无线电需要崭新、弹性、整合的方式,以验证SDR子系统和系统。先进的RTSA提供多个领域的时间关联测量,以及检视Live RF频谱的能力,除此之外,还可提供频罩触发、基带IQ测量,和偏离中心的跳频解调变。这些功能可让工程师更简单地测试与分析时下数字RF世界中经常可见的跳频无线电,无论是实验室RF除错或是现场的系统评估,也无论单独运作或搭配其他的精密测试设备,RTSA都是现代无线电通信设计有效的测试解决方案。

关键字:实时频谱分析仪  RF视图功能  跳频软件

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016072016277.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
实时频谱分析仪
RF视图功能
跳频软件

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved