信号完整性分析：无线信号

1 无线信号链

无线信号是如今的许多嵌入式系统中必备的部分，移动终端的制造商正在讨论媒体汇聚，消费者可以在笔记本、移动电话、便携式数字电视或者PDA进行网页浏览或者观看赛事实况。

简单来说，各种媒体内容都被“翻译”成为无线信号。然而，媒体汇聚其实是无数种复杂的技术的先驱，比如说增强的数据压缩（编解码）、互操作性、射频传输和干扰处理。无数其他的无线技术，比如大量的国际标准和媒体格式，都应得到大书特书。但这个章节，对于信号完整性设计来说，我们无需考虑媒体、标准，和那些各种无线传输的特性，只关注测试和分析无线信号。无线信号和频谱的分析是各种专业领域广泛采用的手法，并且更应该在无线的教科书中出现。

并且，因为无线系统在嵌入式系统设计中越来越流行，新的无线标准也在采用，在这些无线环境中信号完整性工程应该得到重视。因此，这本书如果不讨论现代无线信号和它们的测试，那将是不完整的。所以，本章节旨在帮助你理解无线信号测试的新技术，本章节同时提供一些在现代无线环境中进行信号分析的新点子。

讨论信号完整性和测量是个大工程，将无线测试仪器的讨论也加入到关于广泛的SI书籍里面一直是受到争议的。然而，这个话题也是直接坦白的，因为频谱分析仪(SA)是进行射频(RF)测试必备的工具，并且，频谱分析在广泛的无线系统和器件的设计中是占有统治地位的。另外，频谱分析目前在从低功耗射频识别(RFID)系统到高功率雷达和RF发射机系统等领域的研究和开发中都会被采用。

2 射频信号

一个RF载波信号就像一张空白的纸，在上面可以写下并传播信息。RF载波可以通过改变幅度和相位传递信息，这也就是所谓的调制。举例来说，我们一般讨论调幅（AM）和调频（FM），不过书面上，频率调制FM是相位调制（PM）的一种形式。AM和PM的结合形成了目前的无数种调制方式，比如正交相移键控（QPSK），是一种数字调制方式，各符号位呈90度的相位差。正交幅度调制（QAM）是广泛应用的调制方式，采用该方式相位和幅度都会同时变化从而提供多种状态。其他更加复杂的调制方式比如说正交频分复用（OFDM）也可以分解出幅度和相位分量。无线系统提供的基本的讯息为调制一个载波信号的方法提供了全面的实例。为了理解调制，一张实例图可能比千言万语更有效。

然而，要理解无线载波的数字调制，必须熟悉用向量来表示信号的幅度和相位，正如图10-1中显示的那样，一个信号向量可以理解为将信号的瞬时的幅度和相位分别由向量的长度和角度来表示。

如果是在一个极坐标参照系统，同样可以采用一个传统的笛卡尔坐标参照系或直角坐标X和Y来表述。在一个RF信号的数字表述中，通常会用到一个I信号和与其正交的Q信号，在数学上，其实就相当于笛卡尔坐标系的X分量和Y分量。图10-2举例说明了向量的幅度和相位，和当时的I、Q分量的状态。



图1

图2
比如，AM调制信号就可以用I和Q分量来表示，这就需要计算载波瞬时的I、Q幅度，每个瞬时值被表述为数字并记录在存储器上，最后存储的数据（幅度值）就给出了原始调制信号的表述。然而，PM调制没有那么简单，它还包括相位的信息，计算I、Q值并存储后，然后执行三角运算来纠正所有的数据，所得到的数据就是原始的调制信号。彻底理解I、Q信号似乎比较难，但实际上这与理解一个正弦信号在某个时间点上用X、Y坐标来表述向量是一样的。

然而，在10-1和10-2图中表述的信号在实际情况中是很少发生的，移动电话和其他无数的无线系统在现代世界中进行了延伸，在这个世界中无线干扰无处不在。诸如移动电话等产品一般是在一个受限的频段里面工作，因此，移动电话和其他无线设备制造商需要在法律上遵守频带的规范。设计这些设备需要避免临近频道RF能量的传输，这对一些需要在不同的模式下切换信道的无线系统更加具备设计挑战。一些设计相对简单的无授权频段的无线设备同样需要有效处理干扰的问题。

政府的规范一般会要求这些无授权频带设备只能进行突发模式（bursty）工作并必须在一定功耗的限制下工作。正确的探测、测量并分析“突发”模式的无线信号对与SI设计来说是非常有意义的工作。

3 频率测量

频率测量一般由扫描频谱分析仪完成，通过在一定的分辨率带宽(RBW)下扫描出每个频点信号的幅度并保存，从而显示出幅度随整个频段变化的信息。扫描频谱分析仪要提供信号静态频谱分量的极佳的动态范围和高度的精确度，RBW是重要的考量。然而，扫描频谱分析仪的主要缺点是，它只在一个时间点测试信号的一个频点的幅度。

这是一个缺点，因为目前新的无线应用的RF信号都有复杂的时域特性。最新的RF信号，特别是开放使用的工业、科学和医学(ISM)频段，经常采用扩频通信技术，比如蓝牙和WiFi，那些信号是断续（intermittent）的或是突发（bursty）的。如此短持续时间的无线信号相比以往的无线信号，在频域内的改变更加引人注目。因此，鉴于传统的扫描频谱分析仪在数字调制分析和工作能力，采用该仪器来测试如今的无线信号显得太困难了。甚至是针对特定数字调制应用的矢量信号分析仪(VSA)，在分析一段时间内频率调制的特定信号也存在限制。

现今的频谱检测经常要涉及到在非固定的时间和无关联的噪声下探测基本事件。简单的说，包括瞬时的、可预知的和不可预知的频移，复杂的调制图，现在多种的RF和无线通信标准和应用。普通的例子是RFID和扩频通信，通信发生的时间都非常短或者说是突发信号。尽管普通的扫描频谱分析仪和向量分析仪有针对这些无线通信方式测量的选项，本章节我们瞄准采用实时频谱分析仪(RTSA)进行测量。我们讨论RTSA是因为今天的无限应用已经倾向于瞬时信号。SI工程师现在需要同时在时域和频域对他们感兴趣的信号进行触发和捕获。

SI工程师经常需要捕获一个连续的信号流，包括瞬时的和频率漂移，他们需要得到信号的频率、幅度和调制的变化。另外，所有这些工作往往需要在很长的时间内完成。比如说，一个SI工程师要采用一台扫描频谱分析仪探测一个现代RF系统的瞬时事件，他需要等待很长的时间。甚至那样他也会受到限制，或者他有可能错过了一个突发事件的测量。

对新的RF应用进行测试的思路是这些无线信号在时域的变化。这个特性，加上以往讨论的因素，迫切需要新的测试方案。因此，SI工程师和设计者越来越多的使用实时频谱分析仪，尽管RTSA并不是个新东西，它同VSA的概念也很类似，RTSA对SI工程的应用还是很关键。因此，今天的SI工程师需要考虑传统的频域信息和RTSA。另外，尽管现在的趋势是SI工程师已经开始认识到RTSA对于潜在时域和频域RF信号特性的重要性，我们这一章还是论述了关注RTSA的原因。

4 扫描频谱分析仪

传统架构的扫描式、超外差频谱分析仪在几十年前让工程师们首次能够对频域进行测量。曾经的扫描频谱分析仪(SA)采用纯粹的模拟器件打早，并迅速取得了成就。目前的新一代扫描频谱分析仪采用了高性能的数字基础架构，包括ADC，数字信号处理器(DSP)，和微控制器。然而，扫描原理的基础是相同的，而且该仪器保持了其作为基础的RF信号测量工具的地位。新一代SA的突出优点是具备优秀的动态范围，因此能捕获和探测一个宽范围的RF信号。

通过将信号需要的频点进行下变频并通过RBW滤波器在带宽范围内进行扫描，功率-频率的测量就可以实现了。RBW滤波器后面跟一个检波器用于计算通带内每个频点的幅度值，如图10-3所示。

图10-3
图10-3显示了频率分辨率和时间之间平衡的测试。本地振荡器提供一个“扫描”的频率到混频器，每次扫描在混频器输出提供一个不同的频率和其对应的数值。分辨率滤波器被设定在一个用户可选的频率范围，也就是分辨率带宽(RBW)。滤波器带宽越窄，测量仪器的分辨率就越高，对仪器噪声的排除也越好。RBW滤波器的后面跟上一个检测器，来测量瞬时每个频率数值的频率功率大小。因为这种方法可以提供较高的动态范围，它的主要优点是可以计算某个时间点一个频点的幅度值。如果RBW滤波器被设计得太窄，对RF输入完成一次扫描时间会花费较长，从而输入的RF信号的一些变化就探测不出来。在一段频域或几个通带内扫描会花费相当多的时间，该测试技术的前提是假设在进行多次扫描的这段测试时间内信号不会有显著的变化，因此，一个相对稳定的、不变的输入信号是必须的。如果信号频繁的改变，也许就得不出结果。

比如说，图10-4的左面的图显示了一个RBW逻辑分析仪测试的结果，频率最开始是Fa，而在一瞬间频率变成了Fb。当扫描到达Fb时，信号已经消失且测不到了，所以RBW频谱分析仪的扫描没法在Fb时提供触发，因而没能存储一个时间段内全面的信号情况。这是一个频率分辨率和测试时间之间平衡的经典的例子，也是RBW频谱分析仪的致命弱点(Achilles' heel)。


图10-4
然而，最新的扫描频谱分析仪比以往传统的基于模拟处理的设备要快的多，图10-5显示了一款现代的优秀扫描频谱分析仪的架构。传统模拟RBW滤波器得到了数字增强，以促进快速和精确的窄带滤波。然而，ADC之前的滤波器、混频器和放大器都是进行模拟处理，特别是，需要考虑ADC中的非线性和噪声。因此模拟频谱分析仪还有一席之地，它可以避免上述问题。


图10-5
Geoff Lawday博士是泰克公司在英国Buckinghamshire New University的教授，他在泰克实验室进行信号完整性设计和高性能总线系统的教学，并在欧洲负责泰克公司信号完整性的研讨会。

David Ireland是泰克公司在欧洲和亚洲的设计和制造市场经理，在测试测量领域有超过30年的工作经验，在领先的技术期刊上定期发表信号完整性的文章。

Greg Edlund是IBM全球工程解决方案部的高级工程师，曾参与十个高性能计算平台的开发和测试，他著有Timing Analysis and Simulation for Signal Integrity Engineers一书。