使用MDO4000和RSAVu測試無線設(shè)計(jì)

在把RF技術(shù)整合到設(shè)計(jì)中時(shí)，嵌入式設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)有許多新問題需要解決：(系統(tǒng)中的藍(lán)牙芯片是否以預(yù)期方式發(fā)送)？802.11芯片組在運(yùn)行過程中是否正確編程？怎樣追蹤發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的交互過程？

在這些問題上，混合信號(hào)示波器(MSO)顯得力不從心，因?yàn)樗贿m合處理模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，而不能高效測量RF信號(hào)。另一方面，頻譜分析儀很難整合到處理系統(tǒng)級問題的測量環(huán)境中，因?yàn)樵谶@種環(huán)境下，與系統(tǒng)其它部分-的時(shí)間相關(guān)性非常重要。設(shè)計(jì)人員正努力在這種環(huán)境中設(shè)計(jì)、調(diào)試和檢驗(yàn)系統(tǒng)。

泰克MDO4000系列混合域示波器是一種內(nèi)置頻譜分析儀的革命性示波器，它不僅僅是一種新的示波器，而且變革了您的測試方式。它捕獲時(shí)間相關(guān)的模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和RF信號(hào)，系統(tǒng)級全面了解被測器件的特點(diǎn)，一目了然地同時(shí)觀測時(shí)域信息和頻域信息?？梢杂^察任意時(shí)間點(diǎn)上的射頻(RF)頻譜，及其變化過程。這樣一臺(tái)高度集成的示波器，可以幫助您迅速高效地解決最復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題。

2.4GHz ISM頻段

2.4GHz ISM無線頻段在國際上被專門分給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療中的射頻(RF)信號(hào)使用，而不是用于通信目的。這些頻段中的應(yīng)用包括射頻加熱處理、微波爐和醫(yī)用熱療機(jī)等。

盡管最初分配目的不同，但近年來，短距離、低功耗通信系統(tǒng)在這些頻道的應(yīng)用正在飛速增長。無繩電話、藍(lán)牙設(shè)備、NFC設(shè)備和無線計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)都使用ISM頻段。

在2.4GHz-2.5GHz范圍內(nèi)，最典型的無線技術(shù)是WLAN802.11a/b/g/n和藍(lán)牙。WLAN信號(hào)是一種突發(fā)脈沖信號(hào)，通常會(huì)占用最高20MHz-40MHz的帶寬。藍(lán)牙采用稱為跳頻的無線技術(shù)，在79條通道上跳頻(每條通道1MHz；中心頻率為2402-2480MHz)。信號(hào)的瞬態(tài)特點(diǎn)使得傳統(tǒng)頻譜分析儀很難看到或測量這些信號(hào)。通過提供超寬帶寬，MDO4000可以高效捕獲WLAN突發(fā)信號(hào)及整個(gè)藍(lán)牙跳頻頻段。

圖1.2.4GHzISM頻段上的WLAN和藍(lán)牙信號(hào)。

在MDO4000上捕獲WLAN信號(hào)捕獲WLAN信號(hào)設(shè)置起來非常簡單。如圖2所示，把一個(gè)垂直放置的RF天線連接到MDO4000的射頻輸入端。為整體了解2.4GHz上的信號(hào)，我們在MDO4000上打開“RF spectrum”(RF頻譜)，把Center Frequency(中心頻率)設(shè)置成2.42GHz，把捕獲帶寬設(shè)置成100MHz。如果想以預(yù)置的信號(hào)功率條件來捕獲突發(fā)脈沖信號(hào)，“The RF Power Trigger”(射頻功率觸發(fā))是一種非常有用的功能。它在3GHz帶寬范圍內(nèi)有效。在WLAN信號(hào)出現(xiàn)后，調(diào)節(jié)Center Frequency(中心頻率)，將WLAN信號(hào)移到頻譜視圖的中心。為限制MDO4000上的信號(hào)，我們可以把頻寬減小到40MHz，然后打開“The RF Power Trigger”(射頻功率觸發(fā))，觸發(fā)WLAN脈沖。

圖2.MDO4000無線信號(hào)測試的設(shè)置。

時(shí)間相關(guān)

時(shí)間相關(guān)是MDO4000的主要優(yōu)勢之一。

通過MDO4000上的“RF vs Time Traces”(RF對時(shí)間曲線)，設(shè)計(jì)工程師能夠看到在一段長時(shí)間采集的數(shù)據(jù)內(nèi)部任意時(shí)點(diǎn)上的信號(hào)的RF頻譜，了解頻譜怎樣隨時(shí)間變化。共提供了三種曲線：Amplitude vs Time(幅度對時(shí)間)、Frequency vs Time(頻率對時(shí)間)和Phase vs Time(相位對時(shí)間)。

打開“Amplitude vs Time”(幅度對時(shí)間)曲線，我們可以觀察WLAN信號(hào)幅度怎樣隨時(shí)間變化。

時(shí)域畫面底部的橙色條稱為“Spectrum Time”(頻譜分析時(shí)間窗)。通過在整個(gè)時(shí)域界面中移動(dòng)“Spectrum Time”(頻譜分析時(shí)間窗)，用戶可以直觀地看到采集數(shù)據(jù)中任意點(diǎn)上的RF頻譜。

例如，在圖3中，“Amplitude vs Time”(幅度對時(shí)間)曲線顯示先后捕獲了兩個(gè)WLAN數(shù)據(jù)包(脈沖)。“Spectrum Time”(頻譜時(shí)間)位于第一個(gè)WLAN數(shù)據(jù)包下面，因此頻域顯示了第一個(gè)WLAN數(shù)據(jù)包的RF頻譜。

圖3.第一個(gè)WLAN數(shù)據(jù)包的頻譜。

圖4.弱WLAN信號(hào)的頻譜。

在圖4中，在“Spectrum Time”(頻譜時(shí)間)移到左面和低幅度信號(hào)(在時(shí)域畫面上)下面時(shí)，頻域畫面現(xiàn)在顯示了另一個(gè)WLAN信號(hào)的對應(yīng)頻譜，第二個(gè)WLAN信號(hào)要弱得多。用戶可以使用縮放功能，更仔細(xì)地查看這個(gè)WLAN數(shù)據(jù)包，如圖5所示。通過縮放功能，WLAN數(shù)據(jù)和“Spectrum Time”(頻譜分析時(shí)間窗)已經(jīng)被放大，可以清楚地識(shí)別WLAN幀頭(平滑部分)和有效數(shù)據(jù)。

圖5.放大后的WLAN數(shù)據(jù)包。

時(shí)間相關(guān)不僅可用于“RF vs. Time traces”(RF對時(shí)間曲線)的分析，還適用于模擬信號(hào)/數(shù)字信號(hào)與RF信號(hào)的同步顯示，這是MDO4000上最獨(dú)特、最強(qiáng)大的功能之一。

自動(dòng)頻域測量

MDO4000在頻域中提供了三種自動(dòng)測量功能：Channel Power(信道功率)、Occupied Bandwidth(占用帶寬)和Adjacent Channel Power Ratio(鄰道功率比)。

“Channel Power”(信道功率)測量由“Channel Width”(信道寬度)確定的帶寬內(nèi)部信號(hào)的總功率。“Channel Width”(信道寬度)用畫面中沒有陰影的部分表示。在這一測量激活時(shí)，儀器的帶寬自動(dòng)設(shè)置成比“Channel Width”(信道寬度)寬10%，檢波方式設(shè)置成平均。

“Occupied Bandwidth”(占用帶寬)測量在“Analysis Bandwidth”(分析帶寬)內(nèi)部指定功率百分比的帶寬。

圖6.MDO4000上的Channel Power(信道功率)測量。

圖7.MDO4000上的Occupied Bandwidth(占用帶寬)測量。

把數(shù)據(jù)導(dǎo)出到RSAVu，進(jìn)一步進(jìn)行分析

MDO4000是一種入門級頻譜分析儀，沒有內(nèi)置數(shù)字解調(diào)功能。但是，MDO4000不僅允許用戶導(dǎo)出屏幕截圖，還可以導(dǎo)出捕獲的完整數(shù)據(jù)。用戶只需使用USB外部存儲(chǔ)設(shè)備，以TIQ格式(.TIQ)保存和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，然后把文件從MDO4000傳送到外部PC上，就可以使用RSAVu軟件離線分析信號(hào)。

RSAVu 軟件可以離線分析泰克實(shí)時(shí)頻譜分析儀(RTSA)和示波器捕獲的數(shù)據(jù)。該軟件為用戶提供了包含在RSA3408B 軟件選項(xiàng)套件中相同的解調(diào)和分析功能，從無線標(biāo)準(zhǔn)(如WLAN 802.11a/b/g/n、GSM、WCDMA、等等)直到最新的RFID格式和脈沖式信號(hào)分析。設(shè)計(jì)工程師可以使用RSAVu軟件來分析信號(hào)，而不必連接相應(yīng)的采集硬件。

圖8 - RSAVu 軟前面板可以簡便地離線訪問進(jìn)行設(shè)置和控制。

RSAVu WLAN解決方案

RSAVu WLAN 解決方案(選項(xiàng)29)支持最流行的802.11 a/b/g 標(biāo)準(zhǔn)，甚至支持11n 標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋了十幾種測量，如Constellation(星座圖)、EVM vs. Time(EVM 對時(shí)間)、Power vs Time(功率對時(shí)間)、EVM vs SubChannel(EVM 對子信道)、Power vs SubChannel(功率對子信道)、SC 星座圖、Frequency Error(頻率誤差)、OFDM 平坦度、Symbol Table(符號(hào)表)、Spectrum Mask(頻譜模板)、Transmit Power(發(fā)送功率)。

RSAVu WLAN 選項(xiàng)還能夠自動(dòng)檢測CCK 或ODFM 調(diào)制格式和速率。這對WLAN 設(shè)備的測試非常方便，并且在許多綜合設(shè)備的測試至關(guān)重要，因?yàn)檫@些綜合設(shè)備經(jīng)常會(huì)遇到復(fù)雜的干擾，這就需要在混合模式操作下來診斷。

自動(dòng)檢測功能允許工程師放大及自動(dòng)分析每個(gè)脈沖信號(hào)，使用RSAVu 選擇相應(yīng)的格式和數(shù)據(jù)速率。用戶只需把RSAVu 設(shè)置成自動(dòng)檢測，然后把標(biāo)記放在關(guān)心的脈沖上，RSAVu 會(huì)完成余下的工作。

我們使用RSAVu分析上面捕獲的兩個(gè)WLAN數(shù)據(jù)包。圖9演示了RSAVu怎樣在多個(gè)域中分析第一個(gè)WLAN 數(shù)據(jù)包：時(shí)域、頻域和解調(diào)域?？梢允褂脴?biāo)記把這三個(gè)域中的顯示界面關(guān)聯(lián)起來。

RSAVu 自動(dòng)檢測第一個(gè)WLAN 數(shù)據(jù)包，使用OFDM (64QAM)調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)54Mbps 的吞吐量。整個(gè)數(shù)據(jù)包的EVM 是2.97%。時(shí)域波形中的標(biāo)記可以與星座圖上的標(biāo)記實(shí)現(xiàn)時(shí)間相關(guān)。

圖9- 使用RSAVu 分析第一個(gè)WLAN 數(shù)據(jù)包，調(diào)制方式：OFDM (64QAM)

圖10 顯示了第二個(gè)WLAN 數(shù)據(jù)包上的測量。RSAVu 成功地檢測這個(gè)數(shù)據(jù)包使用不同的調(diào)制方式OFDM (16QAM)來實(shí)現(xiàn)24Mbps吞吐量。與第一個(gè)數(shù)據(jù)包相比，它實(shí)現(xiàn)了更好的EVM，為2.29%。

圖10- 使用RSAVu 分析WLAN 信號(hào)，調(diào)制方案：OFDM (16QAM)

測試GSM信號(hào)

下面是使用MDO4000 混合域示波器進(jìn)行GSM 信號(hào)測試的另一個(gè)實(shí)例。
GSM900信號(hào)可能會(huì)出現(xiàn)在900MHz頻段周圍。在圖11中，MDO4000正在捕獲一個(gè)以944MHz
中心頻率的信道傳送的GSM900 信號(hào)。帶寬約為250KHz。

圖11 - MDO4000 上的GSM900 信號(hào)頻譜和頻譜圖。

類似的，我們可以捕獲這個(gè)GSM900 信號(hào)，通過USB 存儲(chǔ)設(shè)備導(dǎo)出到外部PC，然后在RSAVu軟件上分析文件。
RSAVu GSM/EDGE (選項(xiàng)24)覆蓋下述測量：Modulation Accuracy (調(diào)制精度)、Mean CarrierPower (平均載波功率)、Power vs Time(功率對時(shí)間)、Modulation Spectrum(調(diào)制頻譜)、SwitchingSpectrum(切換頻譜)和傳輸頻段中的Spurious Signals(雜散信號(hào))。

圖12 顯示了在捕獲的GSM900 信號(hào)上進(jìn)行的多域分析。星座圖結(jié)果告訴我們，這個(gè)信號(hào)正在使用GMSK 調(diào)制，擁有非常好的EVM，僅4.35%。

圖12- 使用RSAVu 分析GSM 信號(hào)。

除本文中討論的WLAN和GSM外，還可以使用MD04000系列混合域示波器和RSAVu離線分析軟件，以類似的方式在其它無線標(biāo)準(zhǔn)上執(zhí)行測試。

結(jié)論

MDO4000與RSAVu相結(jié)合，在無線設(shè)計(jì)測試中提供了用途非常廣泛的解決方案。MDO4000的時(shí)間相關(guān)功能和超寬帶技術(shù)可以簡便地捕獲RF信號(hào)。RSAVu強(qiáng)大的離線分析功能支持多種無線標(biāo)準(zhǔn)。
與擁有所有無線選項(xiàng)的全性能頻譜分析儀相比，MDO4000和RSAVu組合還提供了經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。