如何利用实时频谱分析仪为RF通信解决信号测量难题

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如何利用实时频谱分析仪为RF通信解决信号测量难题


用多种RF通信协议的无线 combo 设备正日益流行，如无线局域网 （WLAN） 、蓝牙和 3G 蜂窝标准，其在无线市场中增强了连接能力和性能。 Combo 设备给无线工程师带来了一系列极具挑战性的信号测量问题，不管是检验参考电路还是处理下一代调制格式。使用传统信号分析仪可能很难、甚至不可能诊断分组信号瞬变、异步分组碰撞和各种自我干扰模式。本文说明了实时频谱分析仪 （RTSA） 怎样提供独特可靠的解决方案，来解决这些信号测量难题。

WLAN combo 设备面临着一系列独特的问题，这似乎已经成为未来通信发展方向的核心内容。低成本高速度逻辑设备和错块检测和校正方案的出现，已经促使通信行业通过间歇性 RF 信号突发传输分组化信息。


与老式连续波通信系统不同，分组化通信系统 （ 如 WLAN） 采用异步数据传输 技术。分析 WLAN 信号要求能够捕获特定异步 RF 信号事件，并在捕获的记录中有效找到这些事件，以进行分析。

泰克 R

SA3408A 实时频谱分析仪

早期数字调制开发人员希望获得某些工具，能够比当时的示波器或矢量分析仪更好地在调制域中分析矢量信号，这导致了星座分析仪的研制。在初期，星座分析仪只是专用示波器。最近，星座分析仪的功能已经与频谱分析仪相结合，以便于下变频 RF 信号，这使其变成今天的矢量信号分析仪 （VSA） 。

尽管许多矢量信号分析仪具有某种 WLAN 信号检定能力，但分组碰撞、间歇性信号和开机 / 关机瞬变等异步事件需要分析仪具有相应的触发能力，以捕获这些事件；同时具有真正的时间相关多域分析能力，以诊断这些事件。

这些挑战导致了实时频谱分析仪 （RTSA） 的研制，其是为迎接与动态 RF 信号有关的测量挑战专门设计的，如 WLAN 和蓝牙等系统中使用的突发分组传输。实时频谱分析的基本概念是能够捕获 RF 信号，把时间同步的数据无缝捕获到内存中，在多个域中分析这些数据。这使得可靠地检测和检定随时间变化的RF 信号特点成为可能。



矢量频谱分析仪结构



图 1. 实时频谱分析仪结构，显示了DSP功能差异。

图 1 是 RTSA （ 泰克 RSA3408A） 简化的方框图。 RF 前端可以从 DC 调谐到 8 GHz ，输入信号下变频到与 RTSA 最大实时带宽相关的固定中间频率。然后信号进行滤波，通过模数转换器进行数字转换，然后传送到 DSP 引擎， DSP 引擎管理着仪器的触发、内存和分析功能。尽管这一方框图和采集过程的许多要素与传统 VSA 结构类似，但 RTSA 是为提供实时触发、无缝信号捕获和时间相关多域分析专门优化的。此外，模数转换器的技术发展可以实现高动态范围、低噪声转换，允许 RTSA 进行传统频域测量，这些测量要等于或超过许多扫频分析仪的基本 RF 性能。

RTSA 的频率模板触发功能允许工程师查看在自由运行模式下不可能看到的难以捕捉的瞬时信号。实时触发技术可望可靠地检测和捕获间歇性 RF 信号，即使在存在强大得多的相邻信号时。

连续实时记录

许多矢量信号分析仪以对被调制信号拍“快照”的方式操作，与此不同， RTSA 在用来进行时域、频域和调制域测量的时域记录中没有空洞或空白。 RTSA 提供的真正的时间相关多域分析允许用户精确地把多个域中的诊断数据关联起来，迅速理解信号的特点。

例如， WLAN combo 设备在理想的信号条件下丢弃了 5% 的 WLAN 分组。工程师会发现很难确定这是由没有控制的分组碰撞引起的，还是由介质访问控制 （MAC） 设置中的逻辑问题引起的。

在传统矢量频谱分析仪中，使用 MAC 作为触发源不仅需要耗费大量时间进行连接，而且如果 MAC 是需要诊断的问题的一部分，这种方法本身就存在问题。在 VSA 捕获记录中捕获 100 个信号突发，找到五个突发有问题，是一种效率低下、耗时长的诊断方法。而使用 RTSA 频率模板触发将捕获这个问题进行分析，而没有复杂的外部触发或耗时的数据搜索。

干扰

设备的干扰模式数量要超过典型收发机。工程师不仅要处理带内和带外辐射规定，还必须处理RF辐射对并放的接收机、收发机和高速微处理器的影响。

如果没有 RTSA 的触发功能， WLAN 分组的间歇性特点使得识别干扰相关问题需要耗费大量的时间。异步 RF 间歇干扰问题经常会导致项目延迟，因为工程师必须努力查看这些无意的零星交互。

WLAN 特定测量

RTSA 具有触发及可靠捕获间歇性信号的技术能力。为成为 combo 设备有效的诊断工具，它还必须拥有一整套 WLAN 测量：部分测量在 RSA3408A 上作为选项提供。分析软件中预置了所有流行的 802.11a/b/g 测量标准，以迅速检定信号特点。这一完善的分析软件提供了许多测量功能，如频谱模板、 EVM （ 误差矢量幅度 ） 、开关功率瞬变、 CCK 星座、 OFDM （ 正交频分复用 ） 星座、副载波星座等等。

时间相关多域 分析

如前所述， RTSA 的DSP功能为内存中存储的整个信号提供了真正的时间相关多域分析。它可以在时域、频域、调制域、频域图和码域显示图之间切换，查看信号特点，而不会丢失定时信息，此外， RTSA 无缝捕获信号功能可以在频谱图中设置标尺，与其它域中的标尺建立精确的时间关联。


图 2. 多域分析显示。

完全时间相关的显示画面 （ 图 2） 意味着可以在调制域中查看在频谱图或频率模板触发显示中捕获的事件，评估其对误码性能的影响。可以简单地把标尺放在频谱图中的事件上，在星座图上查看相应的符号。

能够在一个域中识别异常事件，然后立即在另一个域中确定该时点的影响的这种能力，是迅速获得诊断信息的关键组成部分。

实际环境 combo 设备问题

测试设备必须为要测试的 combo 设备中的每种标准提供 ‘combo‘ 分析测量功能。现代 RTSA 能够支持大多数现代无线调制技术，包括 802.11a/b/g， GSM/EDGE， W-CDMA， HSDPA， cdma2000， 1xEV-DO， TD-SCDMA 等等。由于 36 MHz 的实时 RF 捕获带宽和大于 78 dB 的动态范围 （TOI） ，实时频谱分析仪为 combo 设备工作提供了理想的解决方案，并支持许多流行的 WLAN 配套收发机。

与 WLAN 分析选项一样，支持的所有无线标准都采用强大的多域分析软件实现。除时间相关多域功能外，频域触发专利技术也为其它分析软件带来了许多好处。

应用实例： WLAN/ 蓝牙分组碰撞

同时采用蓝牙个人区域网和 802.11b/g WLAN 网络的 Combo 设备存在着一套独特的 RF 干扰问题，因为它们共享相同的 2.4 GHz 工业 / 科学 / 医疗 （ISM） 频段。蓝牙和 WLAN 调制格式通常宣称相互兼容、相互补充，但在其收发机相距只有几米时，它们会相互干扰，而在它们必须共存于一台 combo 设备中时，这会表现得非常明显 。可能很难评估蓝牙 /WLAN combo 设备的分组干扰性能。为捕获信号碰撞，要求触发器能够抓住事件。

RTSA 可以使用频率模板触发工具检测频段中的信号碰撞，它可以迅速设置测量和捕获异步 WLAN/ 蓝牙分组碰撞。频率模板触发可以有效识别碰撞信息，只把感兴趣的分组存储到内存中。这就不需要长时间搜索长记录来查找偶尔的误码，降低了捕获内存要求。在需要时，可以使用触发前延迟和触发后延迟，保证正确捕获 WLAN/ 蓝牙突发。

值得一提的是，没有执照的 ISM 频段具有许多可能的干扰情况。医院、股票交易所和制造厂通常具有异常复杂的 ISM 频段 RF 环境。在现场，传统上一直很难确切确定干扰来源。通过使用上面为开发实验室列出的同一程序，现在可以迅速识别现场中的干扰来源 （ 图 3） 。





图 3. 频率模板触发技术捕获与蓝牙 FHSS 信号碰撞的 802.11b/g CCK 信号分组及来自微波炉的干扰。

与一直存在或在可预测时间发生的其它干扰来源不同，分组通信设备导致的干扰是零星的、异步的，所以很难确定根本原因，并设计解决方案。 RTSA 可以简便地捕获这一干扰，有效协助工程师确定防止干扰必需的频谱控制水平。

小结

WLAN combo 设备带来了一系列独特的测量挑战。 RTSA 为 WLAN combo 设备工程师提供了独特的解决方案。由于其频率模板触发、无缝信号捕获和时间相关多域分析，实时频谱分析仪为设计和调试基于分组的RF 通信系统提供了许多独特的工具。