- 相關(guān)推薦
射頻波形生成和測量的復雜性
很難想象還有什么東西能比在天空和太空中傳送太拉字節(jié)信息的信號更好地說明21 世紀電子技術(shù)的復雜性。這些信號在無線局域網(wǎng)、先進蜂窩系統(tǒng)、基于地面和衛(wèi)星的多媒體數(shù)字廣播系統(tǒng)中的有線網(wǎng)絡(luò)電纜和光網(wǎng)絡(luò)光纖中傳輸。這些通信系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)非常復雜，它們產(chǎn)生并發(fā)送的那些滿載信息的信號也是非常復雜。幸運的是，您或許可以在不完全了解這些信號如何傳輸數(shù)據(jù)或這些系統(tǒng)如何把信息加到數(shù)千兆赫射頻載波上的情況下，使用這些信號并測量它們的主要特性。盡管如此，在選擇儀器或軟件來生成測試信號或確定數(shù)據(jù)有時在到達目的地的途中遭到破壞的方式或原因時，您或許需要更好地了解它們。UWB（超寬帶）技術(shù)仍處于初始階段，它使用數(shù)百兆赫來發(fā)送數(shù)據(jù)速率很高的信號，發(fā)送的距離通常為幾十米或更短。UWB技術(shù)的存在一點也不影響以下斷言的有效性：有限的帶寬和數(shù)據(jù)量的爆炸性增長需要更加復雜的通信系統(tǒng)和信號。事實上，UWB 強化了這一觀點。UWB 并不試圖找到射頻頻譜中的空閑點，將信號置入其中，而是在其它服務(wù)占用的頻段內(nèi)發(fā)送信號。UWB 系統(tǒng)設(shè)計得可以共享帶寬，而不會對其它服務(wù)產(chǎn)生干擾，或受到其它服務(wù)的干擾。高數(shù)據(jù)速率、寬帶寬和占用相同頻率的干擾信號的存在這三個因素，使得系統(tǒng)設(shè)計極具挑戰(zhàn)性。
正交頻分復用（OFDM）技術(shù)
有兩種互相競爭的技術(shù)是 UWB 的基礎(chǔ)，其中之一就是一種稱為OFDM（正交頻分復用）的 DSP 密集型系統(tǒng)。OFDM 還是 IEEE 802.11 無線聯(lián)網(wǎng)標準系列、幾種 DBS（直接廣播衛(wèi)星）電視系統(tǒng)、iBiquity Digital 公司 (www.ibiquity.com) 面向美國市場的 HDRadio TDAB（陸基數(shù)字音頻廣播）系統(tǒng)、歐洲 DVB（數(shù)字電視廣播）系統(tǒng)（它既支持陸基傳輸又支持衛(wèi)星傳輸）中的一種關(guān)鍵技術(shù)。
您可能聽說人們把 OFDM 稱為一種數(shù)字調(diào)制形式，嚴格地說，它不是。OFDM 使用數(shù)百甚至數(shù)千個不同頻率的副載波，使裝入每個符號周期中的信息比大多數(shù)其它數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能裝入每個符號周期的信息更多。因此，OFDM 使用數(shù)量更少、持續(xù)時間更長、復雜性更高的符號來達到與其它幾種數(shù)字傳輸系統(tǒng)相同的數(shù)據(jù)傳輸速率。（有些人認為這些符號是一個符號周期中的多個符號。）而且無須增加占用帶寬就可以維持這一數(shù)據(jù)速率。
OFDM 的符號時間長，相應地符號速率就低，這就使 ISI（符號間干擾）能減少到最低程度而ISI在射頻通信中通常是由多路徑失真等信號減損引起的。當某個信號通過幾條路徑到達接收天線時，就會發(fā)生多路徑傳播。其中一條路徑可能是從發(fā)射天線直接到達接收天線，而其它路徑則涉及到固定物體或運動物體的反射信號。只要延長符號持續(xù)時間，使之超過延遲時間最長的反射信號到達接收天線所花的額外時間，OFDM就能消除此類反射信號通常造成的 ISI。還有一個好處是，信息散布在多個載波中，能提高信號的抗干擾能力以及信號對多路徑傳播的頻率響應影響的抵抗力。
它是一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
某種形式的數(shù)字調(diào)制，如 BPSK（雙相移鍵控）或 QAM（正交調(diào)幅，參見參考文獻 2），把信息加在每個 OFDM 副載波上。一個 OFDM 系統(tǒng)能在不同副載波上使用不同類型的調(diào)制，任何副載波使用的調(diào)制類型都可以隨時改變。也就是說，一個 OFDM 副載波可以使用 BPSK，然后改用 QAM，接著再改回來，或者改用另一種調(diào)制形式。因此，您或許不應該把 OFDM 稱為一種調(diào)制，而應稱為一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
OFDM 的魅力部分來自其多個副載波之間的正交性。不同頻率的信號可以正交，這一思想也許需要人們花些時間來習慣它，這是因為人們一般把正交性看作同頻率信號的一種特性。例如，兩個正交的同頻率正弦波信號分量（即在時間上相差 90°）是垂直的，因為任何一個分量的幅度變化都不影響另一個的幅度。同樣，調(diào)制一個 OFDM 副載波不會影響系統(tǒng)的其它副載波，因為每個副載波頻譜的幅度在所有其它副載波頻率上都是零（圖 1）。
圖1，查看某個 OFDM 信號的多個副載波的頻譜，您會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)是如何避免載波間干擾 (ICI) 的。間隔很近的各個載波互相重疊。每個載波的頻譜在所有其它載波的中心均為零，從而產(chǎn)生零 ICI（ Agilent 公司供稿）。
OFDM 系統(tǒng)有時使用數(shù)千個副載波。與不使用OFDM而使用簡單調(diào)制（如每符號傳輸一個比特的 BPSK） 的系統(tǒng)相比， OFDM 系統(tǒng)在理論上能以相同的比特率傳輸數(shù)據(jù)，盡管符號速率較低，與副載波數(shù)量成正比。有些系統(tǒng)把 OFDM 與運載 64QAM（64 級 QAM）等復雜調(diào)制的副載波結(jié)合起來，它們至少在理論上能夠維持數(shù)據(jù)速率，同時仍舊能進一步降低符號速率——在 64QAM（每符號傳輸 6 個比特）的情況下，可降低到1/6，因為 64=26。
數(shù)百兆赫信號的產(chǎn)生
產(chǎn)生一個用 64QAM 調(diào)制的 2.5 GHz或 5GHz 或更高頻率的信號，這就夠難了（參考文獻 3）。再則，當您在外部生成基帶信號時，至少有兩種儀器——Rohde and Schwarz 公司的 SMU200A 和 Agilent 公司的 PSG 系列——能分別達到 200MHz 和 1GHz 的調(diào)制帶寬。合成此類信號并仿真在典型環(huán)境中使這些信號劣化的因素，會使問題進一步復雜化（參考文獻 4）。而且，如果 QAM 不直接調(diào)制主載波，而是調(diào)制全部數(shù)百個或數(shù)千個副載波（每個副載波運載不同信息），而這些副載波又調(diào)制主載波，那么信號生成問題就會復雜得令人頭腦麻木。不過，現(xiàn)代射頻信號發(fā)生器——通常在獨立PC 上運行的軟件包的幫助下——可以輕松地應付這種復雜性。
能產(chǎn)生已調(diào)制射頻載波的射頻信號發(fā)生器，大多數(shù)都有一對 DAC，其中一個產(chǎn)生 I（同相）調(diào)制信號，另一個產(chǎn)生 Q（正交）調(diào)制信號。這種 IQ 方法不僅在概念上簡單明了，而且效率也很高：它能使每個DAC的更新速率比合成整個調(diào)制波形的單個 DAC 所需的更新速率低一半。因此， 把數(shù)模轉(zhuǎn)換功能分給I DAC 和 Q DAC去完成，就能實現(xiàn)更低的 DAC 更新速率，從而能輕而易舉地達到所需分辨率。然而，有幾種信號發(fā)生器的確只使用一個 DAC 來合成所有調(diào)制信號。您也許會認為，產(chǎn)生 OFDM 信號的信號發(fā)生器將使用大量 DAC，或許是每個副載波使用一個，但儀器制造商們報告說，用數(shù)學方法對副載波進行合成并求
和，然后再轉(zhuǎn)換成模擬信號，這樣做更為簡單。由于系統(tǒng)使用這么多副載波，因此多個 DAC 會帶來一些不必要的技術(shù)問題，使設(shè)計復雜化，并使體系結(jié)構(gòu)變得不經(jīng)濟。
分析接收到的信號至少和生成測試信號一樣復雜。諸如矢量信號分析儀等儀器內(nèi)的計算功能歷來都能進行這種分析。不過，能輸出捕獲數(shù)據(jù)的儀器目前已開始面市，分析這些數(shù)據(jù)集的PC 軟件包也可以買到。據(jù)軟件出版商們說，有幾種采集后的分析程序，其分析功能優(yōu)于傳統(tǒng)儀器的分析功能。而且，這些軟件包的可編程性比常規(guī)儀器高得多，從而更容易從數(shù)據(jù)中提取正好需要的信息。
內(nèi)置 PC
此外，繼數(shù)字示波器制造商之后，射頻儀器制造商們開始生產(chǎn)內(nèi)含 PC 硬件的信號分析儀，并提供基于 Windows 的開放式操作環(huán)境。 Anritsu 公司的 Signature 射頻信號分析儀就是這類儀器中的新產(chǎn)品。該產(chǎn)品的技術(shù)要求可與高質(zhì)量掃頻頻譜分析儀的相媲美。Signature 射頻分析儀把數(shù)據(jù)直接從其測量硬件送到在分析儀內(nèi)部 PC 上運行的分析程序。（該程序通常是 The MathWorks 公司的 Matlab，不過有時是該公司的 Simulink。）因此，這一體系結(jié)構(gòu)把數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)娇啥ㄖ频捻攲訑?shù)學軟件，頂層數(shù)學軟件顯示復雜計算結(jié)果的速度與儀器采集基本數(shù)據(jù)的速度一樣快。
這類功能在很多應用場合是很有用的，例如對轎車、飛機和其它運動物體的反射引起的信號損耗進行分析。當您在比較普通的設(shè)備中使用同一軟件時，只有在您采集到完整的數(shù)據(jù)集，并把文件導出至一臺單獨的 PC 之后，您才可以開始進行這種分析。有了內(nèi)置 PC 和通往分析軟件的高速鏈路，與外部事件的相互關(guān)系變得既直接又明顯，而在比較普通的設(shè)備中，您不僅必須等待結(jié)果，而且還要弄清楚為什么會產(chǎn)生這樣的結(jié)果。
盡管如此，在信噪比 (SNR) 是關(guān)鍵參數(shù)的矢量信號分析儀或頻譜分析儀等射頻儀器中增加一臺 PC，嚴格而言，是對儀器設(shè)計師的懲罰。PC 是聲名狼藉的電氣噪聲源。與局限在 IC 封裝內(nèi)部的信號相反，在 PC 內(nèi)部印制電路板印制線內(nèi)傳輸?shù)拇蠖鄶?shù)信號，其時鐘頻率要比射頻測量中最重要的信號來得低。然而，其諧波很容易進入有關(guān)的頻率范圍。避免這類不需要的信號，就需要考慮采取屏蔽和濾波，這就會增加儀器的成本和重量，有時還會加大儀器尺寸。
頻率變換手段
產(chǎn)生或分析承載信息的數(shù)千兆赫信號的儀器不可避免地要利用變頻，而且大多數(shù)儀器不止一次地利用變頻。（圖 2）。外差式變頻采用的不是頻率倍增，而是混頻�；祛l就是使信號波形倍增，再對結(jié)果進行濾波的過程。波形倍增就是調(diào)制或解調(diào)，并在輸入信號的和頻和差頻上產(chǎn)生新的信號。
圖 2，Anritsu 公司的 Signature 信號分析儀的中頻 (IF) 部分包括 3 個（可選為 4 個）變頻級。第一級上變頻為9.5GHz，以避免鏡頻問題。其余二級進行下變頻——最終變?yōu)槠胀ㄖ蓄l 10.7 MHz (85.7 MHz-75 MHz-10.7 MHz)。
濾波歷來是在模擬領(lǐng)域內(nèi)完成的，而目前常常在數(shù)字領(lǐng)域內(nèi)利用DSP 技術(shù)來完成。雖然您能夠制造出具有模擬濾波器設(shè)計師夢寐以求特性的數(shù)字濾波器，但數(shù)字濾波器需要數(shù)字信號，而且，如果信號開始在模擬領(lǐng)域中生存，則在 DSP 之前必須有 ADC。如果沒有特殊的體系結(jié)構(gòu)，對 ADC 或在它之前的 T/H（跟蹤和保持）電路的分辨率或動態(tài)范圍的各種限制就會使人們無法制造出合適的數(shù)字濾波器。
即使調(diào)制變得更復雜，并具有更高的頻譜效率，一些已調(diào)制信號占用的帶寬也增加了。掃頻頻譜分析儀，甚至是大量使用 DSP 的儀器，都要順序檢查頻域的一個個狹窄部分，從而覆蓋很寬的帶寬。這種方法的問題在于：它習慣地假定信號的頻譜不隨時間發(fā)生重大變化。然而，如果各個事件來來去去，而且一個有關(guān)事件在頻率B發(fā)生時，頻譜分析儀正在檢查以頻率 A 為中心的窄帶寬，則頻譜分析儀顯示圖形中就沒有這一事件。
檢查頻譜中很寬的一部分
同時檢查頻率域中很寬的一部分，這是基于 DSP 的頻譜分析儀的工作。包括行業(yè)內(nèi)最大的儀器供應商之一 Agilent Technologies公司 在內(nèi)的幾家公司，都把它們基于 DSP 的儀器稱作 VSA（矢量信號分析儀）。Tektronix 公司將其產(chǎn)品稱作 RTSA（實時頻譜分析儀）。該公司堅持認為，RTSA 不只是 VSA 的另一個名稱，它還具有 VSA 不具備的功能。一個例子就是事件驅(qū)動的觸發(fā)，它僅僅在儀器檢測某一有關(guān)現(xiàn)象時才允許捕獲數(shù)據(jù)。Tektronix 公司還自夸 RTSA具有很深的存儲器。然而，深到足夠存儲幾秒種未處理數(shù)據(jù)的存儲器也是一些VSA的特性，但Tektronix 公司把事件驅(qū)動觸發(fā)和深分段存儲器組合在一起則是很獨特的，并可能使該公司在有效存儲深度方面占優(yōu)勢。然而，與掃頻頻譜分析儀相比，大多數(shù)基于 DSP 的分析儀，不論它們叫什么名字，都有一個嚴重缺陷：它們的動態(tài)范圍都不如性能最高的掃頻儀器。
有幾種基于 DSP 的分析儀能夠處理帶寬達 80MHz 的信號。您只要使寬帶分析儀順序通過鄰近的頻段，就使其覆蓋的帶寬比其額定最大帶寬更寬。然而有時候，即使是這種方法覆蓋很寬頻率范圍的速度比典型的掃頻儀器還快，但仍然不夠快。目前，帶寬最寬的實時采樣 DSO 能夠處理帶寬達到 8GHz 的信號。這些儀器都具有開放的 Windows 體系結(jié)構(gòu)，從而使它們能運行功能強大的分析軟件。雖然這些儀器的 ADC 分辨率對于通信信號分析來說似乎不夠高，但它們提供的大約 50dB 通常夠用了。
到目前為止，Tektronix 公司似乎是唯一一家宣布有能力使用多臺調(diào)諧于臨近頻段的同步寬帶分析儀的公司，這種能力在有些應用場合是很有用的，因為這些應用場合需要同時處理的信息包含在一個很寬的頻率范圍內(nèi)，而這一頻率范圍要比一臺分析儀能處理的頻率范圍更寬。其它公司報道稱，它們正在開發(fā)類似的方法。在不太遙遠的將來，一些公司將會宣布把多臺同步分析儀組合在一起的系統(tǒng)是一種標準產(chǎn)品。
照片1， 模塊化的
Signature 射頻信號分析儀可在100Hz～8GHz頻率范圍內(nèi)對寬達 30MHz 的帶寬進行信號和頻譜分析。該儀器包含一臺 PC，用以實現(xiàn)基于 Windows XP 的開放體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)能把數(shù)據(jù)實時傳輸給 MathWorks 公司的 Matlab 軟件，該軟件能以儀器采集原始數(shù)據(jù)的速度輸出并繪制用戶定義的計算結(jié)果（ Anritsu 公司供稿）。
照片 2， 這幅 4 級相移鍵控信號圖利用了供 National Instruments 公司 LabVIEW使用的Modulation Toolkit 的 3 維可視化功能。
PXI
射頻儀器方面的一種較新的發(fā)展是出現(xiàn)了采用模塊化 PXI 格式的射頻信號發(fā)生器和分析儀等儀器。Aeroflex 公司和 National Instruments 公司都提供 PXI 射頻儀器，因此您可以認為這兩家公司的 PXI 射頻產(chǎn)品系列是互相競爭的產(chǎn)品。不過，它們的產(chǎn)品設(shè)計理念有很大區(qū)別。National Instruments 公司推出的幾乎全都是PXI 產(chǎn)品，因而認為，其模塊化射頻儀器是通用臺式裝置的低成本替代產(chǎn)品。由于軟件確定各模塊執(zhí)行的功能，并控制各模塊的工作情況，因此該公司聲稱，模塊化儀器比通用儀器更容易符合您的應用要求。與此同時，制造多種多樣臺式儀器和便攜儀器的Aeroflex 公司認為，其 PXI 模塊側(cè)重于特定應用，主要用在生產(chǎn)測試中。
Natural Instruments 公司的人經(jīng)常嘲笑臺式儀器是體積過大、價格過高、很難使用的恐龍。不過，到目前為止，該公司 PXI 射頻產(chǎn)品最顯著的成功是用于射頻 IC 生產(chǎn)測試的自動測試設(shè)備 (ATE)。該公司目前還沒有很多證據(jù)表明 PXI 射頻產(chǎn)品系列正在大量用于研發(fā)實驗室。假定該公司所聲稱的模塊化儀器相對于通用儀器的操作優(yōu)越性是真實的，那么它有責任確保射頻設(shè)計領(lǐng)域的研發(fā)工程師認識到并利用模塊化儀器的各種優(yōu)點，并交流有關(guān)信息。
之所以說利用射頻儀器進行這樣一種演示是一項復雜的工作，有一個原因就是，假如您拿著一堆數(shù)據(jù)表坐下來，想對一組具有同等功能的儀器進行比較，則您很快就會發(fā)現(xiàn)，您是在比較一些彼此大不相同的東西。數(shù)據(jù)表據(jù)以規(guī)定性能的測試條件是很重要的，而且?guī)缀鯖]有發(fā)現(xiàn)兩種儀器在相同測試條件下規(guī)定某一測量值。因此，為了把工作做徹底，您需要一間配備精良的實驗室，最好還需要正在評估的所有儀器的多個樣品。這種可能性太小了！一個更好的辦法是與兩三家公司（根據(jù)一些初步研究，這些公司的產(chǎn)品似乎最符合您的需要）的應用工程專業(yè)人員或銷售工程專業(yè)人員坦率地談?wù)勀囊�，并提一些具有針對性的問題。
【射頻波形生成和測量的復雜性】相關(guān)文章：
復雜性科學與復雜性經(jīng)濟學08-07
虛擬企業(yè)的復雜性研究08-05
巧用預設(shè)和生成打造高效科學課堂08-01
基于諧波補償?shù)哪孀兤鞑ㄐ慰刂萍夹g(shù)研究08-06
可滿足高性能數(shù)字接收機動態(tài)性能要求的ADC和射頻器件08-06
觀察和測量的教學設(shè)計08-17
35例復雜性肛瘺臨床診療分析08-05