射频波形生成和测量的复杂性

很难想象还有什么东西能比在天空和太空中传送太拉字节信息的信号更好地说明21 世纪电子技术的复杂性。这些信号在无线局域网、先进蜂窝系统、基于地面和卫星的多媒体数字广播系统中的有线网络电缆和光网络光纤中传输。这些通信系统和广播系统非常复杂，它们产生并发送的那些满载信息的信号也是非常复杂。幸运的是，您或许可以在不完全了解这些信号如何传输数据或这些系统如何把信息加到数千兆赫射频载波上的情况下，使用这些信号并测量它们的主要特性。尽管如此，在选择仪器或软件来生成测试信号或确定数据有时在到达目的地的途中遭到破坏的方式或原因时，您或许需要更好地了解它们。 　　UWB（超宽带）技术仍处于初始阶段，它使用数百兆赫来发送数据速率很高的信号，发送的距离通常为几十米或更短。UWB技术的存在一点也不影响以下断言的有效性：有限的带宽和数据量的爆炸性增长需要更加复杂的通信系统和信号。事实上，UWB 强化了这一观点。UWB 并不试图找到射频频谱中的空闲点，将信号置入其中，而是在其它服务占用的频段内发送信号。UWB 系统设计得可以共享带宽，而不会对其它服务产生干扰，或受到其它服务的干扰。高数据速率、宽带宽和占用相同频率的干扰信号的存在这三个因素，使得系统设计极具挑战性。 　[b]　正交频分复用（OFDM）技术 [/b]　　有两种互相竞争的技术是 UWB 的基础，其中之一就是一种称为OFDM（正交频分复用）的 DSP 密集型系统。OFDM 还是 IEEE 802.11 无线联网标准系列、几种 DBS（直接广播卫星）电视系统、iBiquity Digital 公司 (www.ibiquity.com) 面向美国市场的 HDRadio TDAB（陆基数字音频广播）系统、欧洲 DVB（数字电视广播）系统（它既支持陆基传输又支持卫星传输）中的一种关键技术。 　　您可能听说人们把 OFDM 称为一种数字调制形式，严格地说，它不是。OFDM 使用数百甚至数千个不同频率的副载波，使装入每个符号周期中的信息比大多数其它数字数据传输系统能装入每个符号周期的信息更多。因此，OFDM 使用数量更少、持续时间更长、复杂性更高的符号来达到与其它几种数字传输系统相同的数据传输速率。（有些人认为这些符号是一个符号周期中的多个符号。）而且无须增加占用带宽就可以维持这一数据速率。 　　OFDM 的符号时间长，相应地符号速率就低，这就使 ISI（符号间干扰）能减少到最低程度而ISI在射频通信中通常是由多路径失真等信号减损引起的。当某个信号通过几条路径到达接收天线时，就会发生多路径传播。其中一条路径可能是从发射天线直接到达接收天线，而其它路径则涉及到固定物体或运动物体的反射信号。只要延长符号持续时间，使之超过延迟时间最长的反射信号到达接收天线所花的额外时间，OFDM就能消除此类反射信号通常造成的 ISI。还有一个好处是，信息散布在多个载波中，能提高信号的抗干扰能力以及信号对多路径传播的频率响应影响的抵抗力。 　[b]　它是一种数据传输系统 [/b]　　某种形式的数字调制，如 BPSK（双相移键控）或 QAM（正交调幅，参见参考文献 2），把信息加在每个 OFDM 副载波上。一个 OFDM 系统能在不同副载波上使用不同类型的调制，任何副载波使用的调制类型都可以随时改变。也就是说，一个 OFDM 副载波可以使用 BPSK，然后改用 QAM，接着再改回来，或者改用另一种调制形式。因此，您或许不应该把 OFDM 称为一种调制，而应称为一种数据传输系统。 　　OFDM 的魅力部分来自其多个副载波之间的正交性。不同频率的信号可以正交，这一思想也许需要人们花些时间来习惯它，这是因为人们一般把正交性看作同频率信号的一种特性。例如，两个正交的同频率正弦波信号分量（即在时间上相差 90%26;#176;）是垂直的，因为任何一个分量的幅度变化都不影响另一个的幅度。同样，调制一个 OFDM 副载波不会影响系统的其它副载波，因为每个副载波频谱的幅度在所有其它副载波频率上都是零（图 1）。 图1，查看某个 OFDM 信号的多个副载波的频谱，您会发现系统是如何避免载波间干扰 (ICI) 的。间隔很近的各个载波互相重叠。每个载波的频谱在所有其它载波的中心均为零，从而产生零 ICI（ Agilent 公司供稿）。 　　OFDM 系统有时使用数千个副载波。与不使用OFDM而使用简单调制（如每符号传输一个比特的 BPSK） 的系统相比， OFDM 系统在理论上能以相同的比特率传输数据，尽管符号速率较低，与副载波数量成正比。有些系统把 OFDM 与运载 64QAM（64 级 QAM）等复杂调制的副载波结合起来，它们至少在理论上能够维持数据速率，同时仍旧能进一步降低符号速率——在 64QAM（每符号传输 6 个比特）的情况下，可降低到1/6，因为 64=26。 　　[b]数百兆赫信号的产生 [/b]　　产生一个用 64QAM 调制的 2.5 GHz或 5GHz 或更高频率的信号，这就够难了（参考文献 3）。再则，当您在外部生成基带信号时，至少有两种仪器——Rohde and Schwarz 公司的 SMU200A 和 Agilent 公司的 PSG 系列——能分别达到 200MHz 和 1GHz 的调制带宽。合成此类信号并仿真在典型环境中使这些信号劣化的因素，会使问题进一步复杂化（参考文献 4）。而且，如果 QAM 不直接调制主载波，而是调制全部数百个或数千个副载波（每个副载波运载不同信息），而这些副载波又调制主载波，那么信号生成问题就会复杂得令人头脑麻木。不过，现代射频信号发生器——通常在独立PC 上运行的软件包的帮助下——可以轻松地应付这种复杂性。 　　能产生已调制射频载波的射频信号发生器，大多数都有一对 DAC，其中一个产生 I（同相）调制信号，另一个产生 Q（正交）调制信号。这种 IQ 方法不仅在概念上简单明了，而且效率也很高：它能使每个DAC的更新速率比合成整个调制波形的单个 DAC 所需的更新速率低一半。因此， 把数模转换功能分给I DAC 和 Q DAC去完成，就能实现更低的 DAC 更新速率，从而能轻而易举地达到所需分辨率。然而，有几种信号发生器的确只使用一个 DAC 来合成所有调制信号。您也许会认为，产生 OFDM 信号的信号发生器将使用大量 DAC，或许是每个副载波使用一个，但仪器制造商们报告说，用数学方法对副载波进行合成并求和，然后再转换成模拟信号，这样做更为简单。由于系统使用这么多副载波，因此多个 DAC 会带来一些不必要的技术问题，使设计复杂化，并使体系结构变得不经济。 　　分析接收到的信号至少和生成测试信号一样复杂。诸如矢量信号分析仪等仪器内的计算功能历来都能进行这种分析。不过，能输出捕获数据的仪器目前已开始面市，分析这些数据集的PC 软件包也可以买到。据软件出版商们说，有几种采集后的分析程序，其分析功能优于传统仪器的分析功能。而且，这些软件包的可编程性比常规仪器高得多，从而更容易从数据中提取正好需要的信息。 　　[b]内置 PC [/b]　　此外，继数字示波器制造商之后，射频仪器制造商们开始生产内含 PC 硬件的信号分析仪，并提供基于 Windows 的开放式操作环境。 Anritsu 公司的 Signature 射频信号分析仪就是这类仪器中的新产品。该产品的技术要求可与高质量扫频频谱分析仪的相媲美。Signature 射频分析仪把数据直接从其测量硬件送到在分析仪内部 PC 上运行的分析程序。（该程序通常是 The MathWorks 公司的 Matlab，不过有时是该公司的 Simulink。）因此，这一体系结构把数据实时传输到可定制的顶层数学软件，顶层数学软件显示复杂计算结果的速度与仪器采集基本数据的速度一样快。 　　这类功能在很多应用场合是很有用的，例如对轿车、飞机和其它运动物体的反射引起的信号损耗进行分析。当您在比较普通的设备中使用同一软件时，只有在您采集到完整的数据集，并把文件导出至一台单独的 PC 之后，您才可以开始进行这种分析。有了内置 PC 和通往分析软件的高速链路，与外部事件的相互关系变得既直接又明显，而在比较普通的设备中，您不仅必须等待结果，而且还要弄清楚为什么会产生这样的结果。 　　尽管如此，在信噪比 (SNR) 是关键参数的矢量信号分析仪或频谱分析仪等射频仪器中增加一台 PC，严格而言，是对仪器设计师的惩罚。PC 是声名狼藉的电气噪声源。与局限在 IC 封装内部的信号相反，在 PC 内部印制电路板印制线内传输的大多数信号，其时钟频率要比射频测量中最重要的信号来得低。然而，其谐波很容易进入有关的频率范围。避免这类不需要的信号，就需要考虑采取屏蔽和滤波，这就会增加仪器的成本和重量，有时还会加大仪器尺寸。 　　[b]频率变换手段 [/b]　　产生或分析承载信息的数千兆赫信号的仪器不可避免地要利用变频，而且大多数仪器不止一次地利用变频。（图 2）。外差式变频采用的不是频率倍增，而是混频。混频就是使信号波形倍增，再对结果进行滤波的过程。波形倍增就是调制或解调，并在输入信号的和频和差频上产生新的信号。 图 2，Anritsu 公司的 Signature 信号分析仪的中频 (IF) 部分包括 3 个（可选为 4 个）变频级。第一级上变频为9.5GHz，以避免镜频问题。其余二级进行下变频——最终变为普通中频 10.7 MHz (85.7 MHz-75 MHz-10.7 MHz)。 　　滤波历来是在模拟领域内完成的，而目前常常在数字领域内利用DSP 技术来完成。虽然您能够制造出具有模拟滤波器设计师梦寐以求特性的数字滤波器，但数字滤波器需要数字信号，而且，如果信号开始在模拟领域中生存，则在 DSP 之前必须有 ADC。如果没有特殊的体系结构，对 ADC 或在它之前的 T/H（跟踪和保持）电路的分辨率或动态范围的各种限制就会使人们无法制造出合适的数字滤波器。 　　即使调制变得更复杂，并具有更高的频谱效率，一些已调制信号占用的带宽也增加了。扫频频谱分析仪，甚至是大量使用 DSP 的仪器，都要顺序检查频域的一个个狭窄部分，从而覆盖很宽的带宽。这种方法的问题在于：它习惯地假定信号的频谱不随时间发生重大变化。然而，如果各个事件来来去去，而且一个有关事件在频率B发生时，频谱分析仪正在检查以频率 A 为中心的窄带宽，则频谱分析仪显示图形中就没有这一事件。 　　[b]检查频谱中很宽的一部分 [/b]　　同时检查频率域中很宽的一部分，这是基于 DSP 的频谱分析仪的工作。包括行业内最大的仪器供应商之一 Agilent Technologies公司 在内的几家公司，都把它们基于 DSP 的仪器称作 VSA（矢量信号分析仪）。Tektronix 公司将其产品称作 RTSA（实时频谱分析仪）。该公司坚持认为，RTSA 不只是 VSA 的另一个名称，它还具有 VSA 不具备的功能。一个例子就是事件驱动的触发，它仅仅在仪器检测某一有关现象时才允许捕获数据。Tektronix 公司还自夸 RTSA具有很深的存储器。然而，深到足够存储几秒种未处理数据的存储器也是一些VSA的特性，但Tektronix 公司把事件驱动触发和深分段存储器组合在一起则是很独特的，并可能使该公司在有效存储深度方面占优势。然而，与扫频频谱分析仪相比，大多数基于 DSP 的分析仪，不论它们叫什么名字，都有一个严重缺陷：它们的动态范围都不如性能最高的扫频仪器。 　　有几种基于 DSP 的分析仪能够处理带宽达 80MHz 的信号。您只要使宽带分析仪顺序通过邻近的频段，就使其覆盖的带宽比其额定最大带宽更宽。然而有时候，即使是这种方法覆盖很宽频率范围的速度比典型的扫频仪器还快，但仍然不够快。目前，带宽最宽的实时采样 DSO 能够处理带宽达到 8GHz 的信号。这些仪器都具有开放的 Windows 体系结构，从而使它们能运行功能强大的分析软件。虽然这些仪器的 ADC 分辨率对于通信信号分析来说似乎不够高，但它们提供的大约 50dB 通常够用了。 　　到目前为止，Tektronix 公司似乎是唯一一家宣布有能力使用多台调谐于临近频段的同步宽带分析仪的公司，这种能力在有些应用场合是很有用的，因为这些应用场合需要同时处理的信息包含在一个很宽的频率范围内，而这一频率范围要比一台分析仪能处理的频率范围更宽。其它公司报道称，它们正在开发类似的方法。在不太遥远的将来，一些公司将会宣布把多台同步分析仪组合在一起的系统是一种标准产品。 照片1， 模块化的 Signature 射频信号分析仪可在100Hz～8GHz频率范围内对宽达 30MHz 的带宽进行信号和频谱分析。该仪器包含一台 PC，用以实现基于 Windows XP 的开放体系结构。该体系结构能把数据实时传输给 MathWorks 公司的 Matlab 软件，该软件能以仪器采集原始数据的速度输出并绘制用户定义的计算结果（ Anritsu 公司供稿）。 照片 2， 这幅 4 级相移键控信号图利用了供 National Instruments 公司 LabView使用的Modulation Toolkit 的 3 维可视化功能。 　[b]　PXI [/b]　　射频仪器方面的一种较新的发展是出现了采用模块化 PXI 格式的射频信号发生器和分析仪等仪器。Aeroflex 公司和 National Instruments 公司都提供 PXI 射频仪器，因此您可以认为这两家公司的 PXI 射频产品系列是互相竞争的产品。不过，它们的产品设计理念有很大区别。National Instruments 公司推出的几乎全都是PXI 产品，因而认为，其模块化射频仪器是通用台式装置的低成本替代产品。由于软件确定各模块执行的功能，并控制各模块的工作情况，因此该公司声称，模块化仪器比通用仪器更容易符合您的应用要求。与此同时，制造多种多样台式仪器和便携仪器的Aeroflex 公司认为，其 PXI 模块侧重于特定应用，主要用在生产测试中。 　　Natural Instruments 公司的人经常嘲笑台式仪器是体积过大、价格过高、很难使用的恐龙。不过，到目前为止，该公司 PXI 射频产品最显著的成功是用于射频 IC 生产测试的自动测试设备 (ATE)。该公司目前还没有很多证据表明 PXI 射频产品系列正在大量用于研发实验室。假定该公司所声称的模块化仪器相对于通用仪器的操作优越性是真实的，那么它有责任确保射频设计领域的研发工程师认识到并利用模块化仪器的各种优点，并交流有关信息。 　　之所以说利用射频仪器进行这样一种演示是一项复杂的工作，有一个原因就是，假如您拿着一堆数据表坐下来，想对一组具有同等功能的仪器进行比较，则您很快就会发现，您是在比较一些彼此大不相同的东西。数据表据以规定性能的测试条件是很重要的，而且几乎没有发现两种仪器在相同测试条件下规定某一测量值。因此，为了把工作做彻底，您需要一间配备精良的实验室，最好还需要正在评估的所有仪器的多个样品。这种可能性太小了！一个更好的办法是与两三家公司（根据一些初步研究，这些公司的产品似乎最符合您的需要）的应用工程专业人员或销售工程专业人员坦率地谈谈您的要求，并提一些具有针对性的问题。