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[导读]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。

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,而且示波器和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。

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