信號完整性分析：無線信號(一)無線/射頻信號

《信號完整性 - 工程師的同伴》一書的第10章討論了在現(xiàn)代無線環(huán)境中的無線信號測量和可能有些激進(jìn)的信號分析的新技術(shù)。本文是該文章的一部分摘要。

無線信號鏈

無線信號是如今的許多嵌入式系統(tǒng)中必備的部分，移動(dòng)終端的制造商正在討論媒體匯聚，消費(fèi)者可以在筆記本、移動(dòng)電話、便攜式數(shù)字電視或者PDA進(jìn)行網(wǎng)頁瀏覽或者觀看賽事實(shí)況。

簡單來說，各種媒體內(nèi)容都被“翻譯”成為無線信號。然而，媒體匯聚其實(shí)是無數(shù)種復(fù)雜的技術(shù)的先驅(qū)，比如說增強(qiáng)的數(shù)據(jù)壓縮（編解碼）、互操作性、射頻傳輸和干擾處理。無數(shù)其他的無線技術(shù)，比如大量的國際標(biāo)準(zhǔn)和媒體格式，都應(yīng)得到大書特書。但這個(gè)章節(jié)，對于信號完整性設(shè)計(jì)來說，我們無需考慮媒體、標(biāo)準(zhǔn)，和那些各種無線傳輸?shù)奶匦裕魂P(guān)注測試和分析無線信號。無線信號和頻譜的分析是各種專業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的手法，并且更應(yīng)該在無線的教科書中出現(xiàn)。

并且，因?yàn)闊o線系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中越來越流行，新的無線標(biāo)準(zhǔn)也在采用，在這些無線環(huán)境中信號完整性工程應(yīng)該得到重視。因此，這本書如果不討論現(xiàn)代無線信號和它們的測試，那將是不完整的。所以，本章節(jié)旨在幫助你理解無線信號測試的新技術(shù)，本章節(jié)同時(shí)提供一些在現(xiàn)代無線環(huán)境中進(jìn)行信號分析的新點(diǎn)子。

討論信號完整性和測量是個(gè)大工程，將無線測試儀器的討論也加入到關(guān)于廣泛的SI書籍里面一直是受到爭議的。然而，這個(gè)話題也是直接坦白的，因?yàn)轭l譜分析儀(SA)是進(jìn)行射頻(RF)測試必備的工具，并且，頻譜分析在廣泛的無線系統(tǒng)和器件的設(shè)計(jì)中是占有統(tǒng)治地位的。另外，頻譜分析目前在從低功耗射頻識別(RFID)系統(tǒng)到高功率雷達(dá)和RF發(fā)射機(jī)系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究和開發(fā)中都會(huì)被采用。

射頻信號

一個(gè)RF載波信號就像一張空白的紙，在上面可以寫下并傳播信息。RF載波可以通過改變幅度和相位傳遞信息，這也就是所謂的調(diào)制。舉例來說，我們一般討論調(diào)幅（AM）和調(diào)頻（FM），不過書面上，頻率調(diào)制FM是相位調(diào)制（PM）的一種形式。AM和PM的結(jié)合形成了目前的無數(shù)種調(diào)制方式，比如正交相移鍵控（QPSK），是一種數(shù)字調(diào)制方式，各符號位呈90度的相位差。正交幅度調(diào)制（QAM）是廣泛應(yīng)用的調(diào)制方式，采用該方式相位和幅度都會(huì)同時(shí)變化從而提供多種狀態(tài)。其他更加復(fù)雜的調(diào)制方式比如說正交頻分復(fù)用（OFDM）也可以分解出幅度和相位分量。無線系統(tǒng)提供的基本的訊息為調(diào)制一個(gè)載波信號的方法提供了全面的實(shí)例。為了理解調(diào)制，一張實(shí)例圖可能比千言萬語更有效。

然而，要理解無線載波的數(shù)字調(diào)制，必須熟悉用向量來表示信號的幅度和相位，正如圖10-1中顯示的那樣，一個(gè)信號向量可以理解為將信號的瞬時(shí)的幅度和相位分別由向量的長度和角度來表示。

如果是在一個(gè)極坐標(biāo)參照系統(tǒng)，同樣可以采用一個(gè)傳統(tǒng)的笛卡爾坐標(biāo)參照系或直角坐標(biāo)X和Y來表述。在一個(gè)RF信號的數(shù)字表述中，通常會(huì)用到一個(gè)I信號和與其正交的Q信號，在數(shù)學(xué)上，其實(shí)就相當(dāng)于笛卡爾坐標(biāo)系的X分量和Y分量。圖10-2舉例說明了向量的幅度和相位，和當(dāng)時(shí)的I、Q分量的狀態(tài)。

圖1

圖2

比如，AM調(diào)制信號就可以用I和Q分量來表示，這就需要計(jì)算載波瞬時(shí)的I、Q幅度，每個(gè)瞬時(shí)值被表述為數(shù)字并記錄在存儲(chǔ)器上，最后存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)（幅度值）就給出了原始調(diào)制信號的表述。然而，PM調(diào)制沒有那么簡單，它還包括相位的信息，計(jì)算I、Q值并存儲(chǔ)后，然后執(zhí)行三角運(yùn)算來糾正所有的數(shù)據(jù)，所得到的數(shù)據(jù)就是原始的調(diào)制信號。徹底理解I、Q信號似乎比較難，但實(shí)際上這與理解一個(gè)正弦信號在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上用X、Y坐標(biāo)來表述向量是一樣的。

然而，在10-1和10-2圖中表述的信號在實(shí)際情況中是很少發(fā)生的，移動(dòng)電話和其他無數(shù)的無線系統(tǒng)在現(xiàn)代世界中進(jìn)行了延伸，在這個(gè)世界中無線干擾無處不在。諸如移動(dòng)電話等產(chǎn)品一般是在一個(gè)受限的頻段里面工作，因此，移動(dòng)電話和其他無線設(shè)備制造商需要在法律上遵守頻帶的規(guī)范。設(shè)計(jì)這些設(shè)備需要避免臨近頻道RF能量的傳輸，這對一些需要在不同的模式下切換信道的無線系統(tǒng)更加具備設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。一些設(shè)計(jì)相對簡單的無授權(quán)頻段的無線設(shè)備同樣需要有效處理干擾的問題。

政府的規(guī)范一般會(huì)要求這些無授權(quán)頻帶設(shè)備只能進(jìn)行突發(fā)模式（bursty）工作并必須在一定功耗的限制下工作。正確的探測、測量并分析“突發(fā)”模式的無線信號對與SI設(shè)計(jì)來說是非常有意義的工作。

下一節(jié)：頻率測量

Geoff Lawday博士是泰克公司在英國Buckinghamshire New University的教授，他在泰克實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行信號完整性設(shè)計(jì)和高性能總線系統(tǒng)的教學(xué)，并在歐洲負(fù)責(zé)泰克公司信號完整性的研討會(huì)。

David Ireland是泰克公司在歐洲和亞洲的設(shè)計(jì)和制造市場經(jīng)理，在測試測量領(lǐng)域有超過30年的工作經(jīng)驗(yàn)，在領(lǐng)先的技術(shù)期刊上定期發(fā)表信號完整性的文章。

Greg Edlund是IBM全球工程解決方案部的高級工程師，曾參與十個(gè)高性能計(jì)算平臺(tái)的開發(fā)和測試，他著有Timing Analysis and Simulation for Signal Integrity Engineers一書。