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[导读]在过去的十年中,全世界无线发射器的数量急剧增加。物联网(IoT)推动了对低成本,易于实现的芯片组的需求,以实现无线连接。蓝牙、ZigBee和WiFi(802.11)等无线技术使连接无处不在,家庭、车辆和企业中广泛使用。这些技术拥有不断更新完善的标准,也无需无线频谱牌照许可,而且还有参考设计已经获得监管部门的批准,因而被工程师广泛采用。

在过去的十年中,全世界无线发射器的数量急剧增加。物联网(IoT)推动了对低成本,易于实现的芯片组的需求,以实现无线连接。蓝牙、ZigBee和WiFi(802.11)等无线技术使连接无处不在,家庭、车辆和企业中广泛使用。这些技术拥有不断更新完善的标准,也无需无线频谱牌照许可,而且还有参考设计已经获得监管部门的批准,因而被工程师广泛采用。

毋庸置疑,2.4 GHz中的频谱是这些无需牌照的经济型应用最流行的工作区域。为促进频谱共享,无线标准必须采用先进的硬件和软件功能,包括时域多址、空闲信道评估、自适应频率控制等。工程师发现,即使他们使用“经过认证的”解决方案,他们在建立无线电链路和保持通信方面仍然面临许多问题。

随着物联网技术的飞速发展,问题只会越来越严重,将有越来越多的信号要争夺频谱空间。甚至有人把 IoT重命名为“物扰(Interference of Things)”,这个说法并非滥用。虽然物联网在实践中可以共享无需牌照的频谱,而它带来的挑战确实不可小觑。物联网在数量庞大的电子设备中,比如智能系统、汽车及各类家电,增加了非常复杂的RF控制芯片。每台设备都可能会产生更多的噪声和干扰。尽管设计工程师可以在产品中增加额外的屏蔽及其他降噪功能来降低噪声数量,但这会提高消费者承担的成本,而且信道数量相对很少,很难应付数量无穷无尽的电子设备。

解决这些问题的另一个挑战是没有完善的系统来检测噪音。与郊区或乡村相比,尝试在城市中找到问题尤其困难,因为使用的电子设备实在太多了。此外,噪声会随着各种问题而变化,比如位置和天气,这使问题变得更加复杂。物扰已经成为一个挑战,而且随着时间推移,必然会日益变糟。

表征无线链路

调试和表征无线连接要求一些基础知识,必需了解分析的无线电类型,包括:

·工作的频率或信道,以便了解查找频谱中的哪些频段。

·无线连接类型(蓝牙、WiFi、Zigbee、NFC),以便确定预计是哪类频谱签名。这还会表明特殊模式,如TDMA、跳频、FDMA操作等。

·发射机功率电平,这可以了解预计的干扰水平。

·最低接收机灵敏度,这指明了接收机对干扰信号的灵敏程度。

有了这些信息,我们可以使用频谱分析仪,在一定程度上了解无线链路,表征RF环境。频谱分析仪是在无线频谱中进行测量时必备的工具。图1是传统扫频分析仪简化的方框图,可供参考。

 

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图1: 这是传统扫频分析仪简化的方框图。

超外差频谱分析仪(SA)已经使用了许多年。使用这类仪器的挑战在于其工作的“扫频”特点。频谱画面上测量的东西在时间上不连贯,可能无法准确地表示频谱信息(特别是对TDMA信号)。即使是最快速的扫频分析仪,在查看采用跳频技术的发射机时,能力也是有限的。除基本频率相对于幅度关系画面外,某些制造商还提供了三维频谱图信息。在扫频分析仪中,这些信息从多次扫描中推导得出,因此在本质上,定时信息只能近似于脉冲式或频率捷变发射机中可能发生的情况。

实时频谱分析仪(RTSA)提供的功能基本上与传统频谱分析仪相同,只是增加了部分关键功能。图2是基本实时频谱分析仪的方框图,可供参考。

 

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图2: 这是基本实时频谱分析仪的方框图。

RTSA和基本信号分析仪之间的主要差异之一是RTSA带宽指标。对最大实时频宽以下的任何频宽,RTSA不一定要扫描频率,但能够连续捕获频谱信息。RTSA也不限于一次一个画面。它可以同时分析频谱、三维频谱图和调制信息,因为这些信息来自连续采集,所以这些信息实现了时间相关。

RTSA特别适合分析采用TDMA协议的系统,比如WiFi、蓝牙、ASK/FSK。对使用无需牌照的频段的设备来说,最大的问题之一是管理共享相同频谱的多台收发机所产生的效应。几乎所有法规都要求,在无需牌照的频段中工作的设备不能产生干扰,且必须接受存在的任何干扰。RTSA特别适合量化干扰效应,因为它能够连续捕获频谱信息。

重要的RTSA功能包括快速频频谱速率(每秒采集10,000 ~ 3,000,000次)、能够连续记录频谱数据及整个RF环境随时间变化。其他主要功能包括时间、频率和幅度触发及时域、频域和调制测量相关。

图3是实时频谱分析仪的数字荧光频谱显示画面。与典型频谱分析仪一样,画面显示了频率相对于幅度关系信息。此外,画面中的像素增加了颜色,告诉我们RF能量在该像素下测量的频次(像素占用度)。通过数字荧光频谱测量,用户可以指定衰落功能,提供一种荧光效应,模拟基于CRT的示波器中使用的显示器效果。它在显示画面中增加了周期性维度,显示了信号在关心的频段中实际被测量的频次。

 

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图3: RTSA的荧光效果模拟基于CRT示波器的效果,可以查看信号在被测频段中被测量的频次。

通过这种形式的实时频谱显示画面,我们可以“看到”接收机“看到”的东西,并且更深入地了解关心的频段中具体发生的情况。但是,它不能提供与干扰信号的潜在效应有关的足够信息。基于这种特点,频谱显示画面并不能显示信号的时间交织。采用“零频宽”测量可以提供与脉冲幅度和持续时间有关的足够细节,但没有频率信息。

三维频谱图测量正是为解决这类问题而设计的。与频谱显示一样,它在左侧显示低频率,在右侧显示高频率。与基本频谱显示不同,它用颜色表示幅度,所有这些信息都相对于Y轴的时间绘制。三维频谱图本质上是一种条码记录仪,显示了频谱活动随时间变化。

在扫频分析仪中,这种三维频谱图在时间上是不连贯的,因为仪器正在扫描频率。分析仪扫描频率,意味着频宽左侧的轨迹点发生的时间要早于右侧的轨迹点。因此,扫频分析仪捕获的三维频谱图中没有时序关系。

但是,RTSA创建的三维频谱图由连续记录的频谱数据构成,而不是扫描。RTSA还有一个好处是整域相关,所以三维频谱图中的信息可以直接与其他测量相关,比如调制、功率、CCDF。

图4是数字荧光显示及三维频谱图实例。本例中的数字荧光显示画面显示了存在的信号的大量细节。画面中心是较弱的宽带信号,其波峰因数很大。考虑到颜色很亮或“很暖”,这个信号的信道占用度很高(接近连续)。画面中还可以看到一个Wi-Fi信号,看上去工作频率在2.437 GHz (WiFi信道6)。画面中还有另外十几个信号,频率和功率各异。考虑到频谱形状和使用的频率,这些信号可能来自蓝牙设备。

 

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图4: RTSA实现了整域相关,左面三维频谱图中的信息可以与其他测量直接相关。

尽管许多不同的服务采用上面测量的频谱,但这些信号是时间交织的,因此使用有源频谱共享技术时,链路质量没有损耗或几乎没有损耗。日常频谱分析日益要求实时频谱分析仪技术,来检验链路的工作方式是否达到预期。在历史上,RTSA一直局限于小众应用,而现代无线设计明确需要实时频谱分析的处理能力和灵活度,来调试系统级问题,表征工作模式。

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