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無線頻譜分析儀的分類
2015-08-09
無線設(shè)備在工作時可能會出現(xiàn)周期性地掛起，干擾其他消費電子產(chǎn)品的工作（例如電臺），或者無法完全發(fā)揮應(yīng)有的功能，這些問題都會使消費者對它的技術(shù)水平和相應(yīng)的產(chǎn)品供應(yīng)商喪失信心。為了避免這種糟糕的情況，選擇一種能夠滿足當(dāng)今無線產(chǎn)品設(shè)計與調(diào)試需求的高性能頻譜分析儀是至關(guān)重要的，這種頻譜分析儀不僅要能夠檢驗產(chǎn)品的真實性能，也要能夠檢測高度集成的無線發(fā)射器的功能。
無線技術(shù)的挑戰(zhàn)
在過去幾年中，用戶所接觸的產(chǎn)品功能越來越強大，其目的在于在移動電話這種單一設(shè)備中集成多種方便實用的技術(shù)，從而增強用戶的多功能體驗。新的高速數(shù)據(jù)技術(shù)，例如HSDPA/HSUPA和A版本的1xEV-DO，能夠為用戶提供更強大的功能，例如廣播視頻和高速E-mail等。而且，諸如衛(wèi)星與地球視頻廣播、UWB和WLAN等技術(shù)也將集成到移動手持式設(shè)備之中。
這種多功能集成的趨勢為設(shè)計者提出了兩大嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：處理快速變化的帶寬分配需求，以及對高度集成的系統(tǒng)中發(fā)生的問題進行隔離。今天，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)只需要在固定操作狀態(tài)下進行無線發(fā)射器測試。但是，從本質(zhì)上來看，高速數(shù)據(jù)服務(wù)的用戶模型（例如高速上網(wǎng)、收發(fā)E-mail和周期性的下載等）所需的帶寬是隨需求而實時變化的。
如果信號的峰值功耗與平均功耗的比值變化較大，這種瞬時的帶寬變化將會帶來更大的挑戰(zhàn)。當(dāng)其他的無線技術(shù)引起瞬時的電池消耗，或者當(dāng)帶外發(fā)送的信號干擾了靈敏接收機的工作時，就會出現(xiàn)上述的問題。
假設(shè)某個用戶希望通過移動電話通話，接通數(shù)據(jù)下載文件，利用UWB發(fā)送該文件到某個存儲設(shè)備，同時通過連續(xù)視頻服務(wù)觀看世界杯，那么設(shè)計者如何確保這些功能都能夠?qū)崿F(xiàn)？要想完整地測試多功能集成的設(shè)備，設(shè)計者必須超越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的局限，針對設(shè)備的實際工作與性能要求進行測試。
設(shè)計者所面臨的另一個挑戰(zhàn)就是：隨著設(shè)備集成度的提高，檢測無線發(fā)射器的問題變得越來越困難。要想在頻域、時域和數(shù)字域中同時觀察某個信號路徑，可能需要多種測試儀器，因此要想把硬件和軟件的問題隔離開就變得越來越困難。在多種儀器之間以及在整個信號路徑上將信號事件之間的時間關(guān)系關(guān)聯(lián)起來，這種測試功能已經(jīng)成為調(diào)試現(xiàn)代無線設(shè)計所必不可少的一部分。
不論頻譜分析儀、示波器和邏輯分析儀的存儲容量有多少，它們存儲事件的能力都是有限的。因此當(dāng)我們需要在多個儀器之間關(guān)聯(lián)某個信號事件的時候，必須在存儲器存滿之前，在該事件發(fā)生時實時地隔離出所關(guān)注的信號。否則，要想在多個域之間截取某個隨時間變化的問題幾乎是不可能的。
實現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵在于事件的觸發(fā)方式，以及以較低的延遲交叉觸發(fā)其他儀器的能力。
傳統(tǒng)工具的局限
對偽事件進行觸發(fā)、跨測試環(huán)境捕捉事件數(shù)據(jù)、分析與時間相關(guān)的數(shù)據(jù)，這些功能都是查找先進無線設(shè)備問題根本來源的必要需求。隨著過去幾年的發(fā)展，頻譜分析儀已經(jīng)成為分析射頻傳輸特性的主要工具，選擇合適的工具能夠加快無線設(shè)計者的開發(fā)速度，提高開發(fā)能力。
基站多載波放大器和其他一些高性能無線發(fā)射器能夠利用掃頻式調(diào)諧頻譜分析儀的功能，對高動態(tài)范圍內(nèi)（high-dynamic-range）的信號進行測量。最近，人們推出了矢量信號分析儀，從而使用戶能夠針對調(diào)制信號分析發(fā)射器的性能特征。在某些情況下，這兩類分析儀可以結(jié)合起來使用，用戶利用一套儀器不但可以觀察到高動態(tài)范圍的信號（頻譜分析），還可以觀察到信號的調(diào)制狀態(tài)（矢量分析）。但不幸的是，用戶無法同時觀察到這兩種信號。
早期設(shè)計的測試工具中采用的多載波放大器（MCPA）效率較低，無法傳輸1xEV-DO和HSDPA這樣的突發(fā)載波信號。這類老式的MCPA正在被采用最新線性化技術(shù)（例如數(shù)字預(yù)矯正）的新型MCPA器件所取代。由于采用了先進的DSP以及較高數(shù)據(jù)速率的D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)字預(yù)矯正線性化技術(shù)能夠大大提高功放的效率，降低實現(xiàn)所需的成本。
掃頻式頻譜分析儀或矢量信號分析儀能夠根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)驗證MCPA的頻譜和調(diào)制性能，但是它們無法超越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的限制，解釋實際條件下的器件特性?，F(xiàn)代無線器件的實際操作要求高速數(shù)據(jù)通道要具有針對預(yù)期的用戶使用模式的特性。
掃頻式調(diào)諧頻譜分析儀和矢量信號分析儀的架構(gòu)都限制了它們檢測瞬態(tài)事件的能力。捕捉頻譜事件的概率取決于掃描的速度、量化范圍以及對蹤跡信息（trace information）的后續(xù)處理。掃頻調(diào)諧式分析儀沒有矢量存儲器，通常只記錄最小、最大和平均功耗。盡管矢量信號分析儀具有矢量蹤跡存儲器（vector trace memory），但是它后期捕捉信號處理的速度較慢，無法完成連續(xù)的信號分析任務(wù)。
因此，兩種工具捕捉短暫瞬態(tài)事件的概率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10%。即使它們能夠捕捉這種事件，信息處理帶來的延遲也無法在真實的事件發(fā)生時有效觸發(fā)發(fā)射器鏈路上的其他儀器。
實時頻譜分析儀的新特性
顯然，為了應(yīng)對實際操作條件下的挑戰(zhàn)，分析儀必須能夠?qū)︻l域事件進行觸發(fā)，并交叉觸發(fā)多個儀器。無線通信信號的突發(fā)特性，以及在無線設(shè)備中集成復(fù)雜的線性化技術(shù)都可能引起頻譜紊亂，因此對這種事件的觸發(fā)功能是極其重要的。
圖1 實時頻譜分析儀能夠快速檢測頻譜紊亂（例如圖中右邊）
其中左邊相信的頻譜由于受基帶瞬態(tài)事件的影響而增大了幾個dB
實時頻譜分析儀的架構(gòu)決定了它們具有執(zhí)行實時FFT分析所需的計算速度，能夠利用計算結(jié)果在頻譜事件發(fā)生時進行觸發(fā)，并以很高的置信度將它們捕捉到存儲器中。在實時處理以及捕捉信號之前，實時頻譜分析儀能夠?qū)r域采樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域上，從而在捕捉到存儲器中或者觸發(fā)某個外部事件之前，對信號頻譜進行預(yù)先分析。因此，實時頻譜分析儀能夠預(yù)先查看信號，并可以設(shè)置為只對所關(guān)心的頻譜事件進行觸發(fā)。
基于DSP的設(shè)備在現(xiàn)代無線設(shè)備的信號控制和頻譜整形中扮演著極為重要的角色，這類設(shè)備的測試需求給人們提出了巨大的測試挑戰(zhàn)，因為它們將原來由硬件實現(xiàn)的功能（很容易利用儀器來表征）轉(zhuǎn)換為軟件來實現(xiàn)。當(dāng)不與時鐘采樣同步的增益變換、信號濾波和校正因數(shù)被放大時，它們本身就表現(xiàn)為頻譜紊亂（spectrum violations）（如圖1所示）。這類事件可能會引起頻譜發(fā)射的失效，或者接收器的干擾。
進一步來看，頻率屏蔽觸發(fā)器（FMT）使得實時頻譜分析儀能夠檢測并觸發(fā)頻譜中比最大信號電平小100萬倍的信號。由于具有在12μs以內(nèi)執(zhí)行1024點FFT所需的計算速度，實時頻譜分析儀能夠以100％的概率完成事件捕捉，這是其他分析儀所望塵莫及的。
當(dāng)出現(xiàn)紊亂時，F(xiàn)MT不僅能夠觸發(fā)內(nèi)部存儲器捕捉事件進行分析，而且能夠同時發(fā)出一次事件觸發(fā)給示波器，進而觸發(fā)邏輯分析儀。然后，示波器和邏輯分析儀可以顯示出待測設(shè)備的時域和邏輯信號的同步和時間關(guān)系。這樣，我們就捕捉了完整的事件，并能夠在實時頻譜分析儀（頻域）、示波器（時域）和邏輯分析儀（數(shù)字域）中進行各個域之間的交叉分析。這樣，不論是硬件問題還是軟件問題，測試人員都可以找出問題的根本來源，不必再胡亂猜測了。
示波器產(chǎn)品鏈接：http://www.91zenqing.cn/product/oscilloscope/
邏輯分析儀產(chǎn)品鏈接：http://www.91zenqing.cn/product/Logic-Analyser/
無線技術(shù)的挑戰(zhàn)
在過去幾年中，用戶所接觸的產(chǎn)品功能越來越強大，其目的在于在移動電話這種單一設(shè)備中集成多種方便實用的技術(shù)，從而增強用戶的多功能體驗。新的高速數(shù)據(jù)技術(shù)，例如HSDPA/HSUPA和A版本的1xEV-DO，能夠為用戶提供更強大的功能，例如廣播視頻和高速E-mail等。而且，諸如衛(wèi)星與地球視頻廣播、UWB和WLAN等技術(shù)也將集成到移動手持式設(shè)備之中。
這種多功能集成的趨勢為設(shè)計者提出了兩大嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：處理快速變化的帶寬分配需求，以及對高度集成的系統(tǒng)中發(fā)生的問題進行隔離。今天，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)只需要在固定操作狀態(tài)下進行無線發(fā)射器測試。但是，從本質(zhì)上來看，高速數(shù)據(jù)服務(wù)的用戶模型（例如高速上網(wǎng)、收發(fā)E-mail和周期性的下載等）所需的帶寬是隨需求而實時變化的。
如果信號的峰值功耗與平均功耗的比值變化較大，這種瞬時的帶寬變化將會帶來更大的挑戰(zhàn)。當(dāng)其他的無線技術(shù)引起瞬時的電池消耗，或者當(dāng)帶外發(fā)送的信號干擾了靈敏接收機的工作時，就會出現(xiàn)上述的問題。
假設(shè)某個用戶希望通過移動電話通話，接通數(shù)據(jù)下載文件，利用UWB發(fā)送該文件到某個存儲設(shè)備，同時通過連續(xù)視頻服務(wù)觀看世界杯，那么設(shè)計者如何確保這些功能都能夠?qū)崿F(xiàn)？要想完整地測試多功能集成的設(shè)備，設(shè)計者必須超越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的局限，針對設(shè)備的實際工作與性能要求進行測試。
設(shè)計者所面臨的另一個挑戰(zhàn)就是：隨著設(shè)備集成度的提高，檢測無線發(fā)射器的問題變得越來越困難。要想在頻域、時域和數(shù)字域中同時觀察某個信號路徑，可能需要多種測試儀器，因此要想把硬件和軟件的問題隔離開就變得越來越困難。在多種儀器之間以及在整個信號路徑上將信號事件之間的時間關(guān)系關(guān)聯(lián)起來，這種測試功能已經(jīng)成為調(diào)試現(xiàn)代無線設(shè)計所必不可少的一部分。
不論頻譜分析儀、示波器和邏輯分析儀的存儲容量有多少，它們存儲事件的能力都是有限的。因此當(dāng)我們需要在多個儀器之間關(guān)聯(lián)某個信號事件的時候，必須在存儲器存滿之前，在該事件發(fā)生時實時地隔離出所關(guān)注的信號。否則，要想在多個域之間截取某個隨時間變化的問題幾乎是不可能的。
實現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵在于事件的觸發(fā)方式，以及以較低的延遲交叉觸發(fā)其他儀器的能力。
傳統(tǒng)工具的局限
對偽事件進行觸發(fā)、跨測試環(huán)境捕捉事件數(shù)據(jù)、分析與時間相關(guān)的數(shù)據(jù)，這些功能都是查找先進無線設(shè)備問題根本來源的必要需求。隨著過去幾年的發(fā)展，頻譜分析儀已經(jīng)成為分析射頻傳輸特性的主要工具，選擇合適的工具能夠加快無線設(shè)計者的開發(fā)速度，提高開發(fā)能力。
基站多載波放大器和其他一些高性能無線發(fā)射器能夠利用掃頻式調(diào)諧頻譜分析儀的功能，對高動態(tài)范圍內(nèi)（high-dynamic-range）的信號進行測量。最近，人們推出了矢量信號分析儀，從而使用戶能夠針對調(diào)制信號分析發(fā)射器的性能特征。在某些情況下，這兩類分析儀可以結(jié)合起來使用，用戶利用一套儀器不但可以觀察到高動態(tài)范圍的信號（頻譜分析），還可以觀察到信號的調(diào)制狀態(tài)（矢量分析）。但不幸的是，用戶無法同時觀察到這兩種信號。
早期設(shè)計的測試工具中采用的多載波放大器（MCPA）效率較低，無法傳輸1xEV-DO和HSDPA這樣的突發(fā)載波信號。這類老式的MCPA正在被采用最新線性化技術(shù)（例如數(shù)字預(yù)矯正）的新型MCPA器件所取代。由于采用了先進的DSP以及較高數(shù)據(jù)速率的D/A轉(zhuǎn)換器，數(shù)字預(yù)矯正線性化技術(shù)能夠大大提高功放的效率，降低實現(xiàn)所需的成本。
掃頻式頻譜分析儀或矢量信號分析儀能夠根據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)驗證MCPA的頻譜和調(diào)制性能，但是它們無法超越技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的限制，解釋實際條件下的器件特性?，F(xiàn)代無線器件的實際操作要求高速數(shù)據(jù)通道要具有針對預(yù)期的用戶使用模式的特性。
掃頻式調(diào)諧頻譜分析儀和矢量信號分析儀的架構(gòu)都限制了它們檢測瞬態(tài)事件的能力。捕捉頻譜事件的概率取決于掃描的速度、量化范圍以及對蹤跡信息（trace information）的后續(xù)處理。掃頻調(diào)諧式分析儀沒有矢量存儲器，通常只記錄最小、最大和平均功耗。盡管矢量信號分析儀具有矢量蹤跡存儲器（vector trace memory），但是它后期捕捉信號處理的速度較慢，無法完成連續(xù)的信號分析任務(wù)。
因此，兩種工具捕捉短暫瞬態(tài)事件的概率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10%。即使它們能夠捕捉這種事件，信息處理帶來的延遲也無法在真實的事件發(fā)生時有效觸發(fā)發(fā)射器鏈路上的其他儀器。
實時頻譜分析儀的新特性
顯然，為了應(yīng)對實際操作條件下的挑戰(zhàn)，分析儀必須能夠?qū)︻l域事件進行觸發(fā)，并交叉觸發(fā)多個儀器。無線通信信號的突發(fā)特性，以及在無線設(shè)備中集成復(fù)雜的線性化技術(shù)都可能引起頻譜紊亂，因此對這種事件的觸發(fā)功能是極其重要的。
圖1 實時頻譜分析儀能夠快速檢測頻譜紊亂（例如圖中右邊）
其中左邊相信的頻譜由于受基帶瞬態(tài)事件的影響而增大了幾個dB
實時頻譜分析儀的架構(gòu)決定了它們具有執(zhí)行實時FFT分析所需的計算速度，能夠利用計算結(jié)果在頻譜事件發(fā)生時進行觸發(fā)，并以很高的置信度將它們捕捉到存儲器中。在實時處理以及捕捉信號之前，實時頻譜分析儀能夠?qū)r域采樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域上，從而在捕捉到存儲器中或者觸發(fā)某個外部事件之前，對信號頻譜進行預(yù)先分析。因此，實時頻譜分析儀能夠預(yù)先查看信號，并可以設(shè)置為只對所關(guān)心的頻譜事件進行觸發(fā)。
基于DSP的設(shè)備在現(xiàn)代無線設(shè)備的信號控制和頻譜整形中扮演著極為重要的角色，這類設(shè)備的測試需求給人們提出了巨大的測試挑戰(zhàn)，因為它們將原來由硬件實現(xiàn)的功能（很容易利用儀器來表征）轉(zhuǎn)換為軟件來實現(xiàn)。當(dāng)不與時鐘采樣同步的增益變換、信號濾波和校正因數(shù)被放大時，它們本身就表現(xiàn)為頻譜紊亂（spectrum violations）（如圖1所示）。這類事件可能會引起頻譜發(fā)射的失效，或者接收器的干擾。
進一步來看，頻率屏蔽觸發(fā)器（FMT）使得實時頻譜分析儀能夠檢測并觸發(fā)頻譜中比最大信號電平小100萬倍的信號。由于具有在12μs以內(nèi)執(zhí)行1024點FFT所需的計算速度，實時頻譜分析儀能夠以100％的概率完成事件捕捉，這是其他分析儀所望塵莫及的。
當(dāng)出現(xiàn)紊亂時，F(xiàn)MT不僅能夠觸發(fā)內(nèi)部存儲器捕捉事件進行分析，而且能夠同時發(fā)出一次事件觸發(fā)給示波器，進而觸發(fā)邏輯分析儀。然后，示波器和邏輯分析儀可以顯示出待測設(shè)備的時域和邏輯信號的同步和時間關(guān)系。這樣，我們就捕捉了完整的事件，并能夠在實時頻譜分析儀（頻域）、示波器（時域）和邏輯分析儀（數(shù)字域）中進行各個域之間的交叉分析。這樣，不論是硬件問題還是軟件問題，測試人員都可以找出問題的根本來源，不必再胡亂猜測了。
示波器產(chǎn)品鏈接：http://www.91zenqing.cn/product/oscilloscope/
邏輯分析儀產(chǎn)品鏈接：http://www.91zenqing.cn/product/Logic-Analyser/
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