數(shù)字RF設備的特點是RF信號不再采用簡單的AM或FM調制，而是采用高度復雜的時變調制方式，且信號隨時間有很大的變化，本文將討論載波信號中時間與頻率的變化關系，并說明：為了真實地測量信號隨時間變化的特征，工程師需要采用實時儀器對未預期的事件進行觸發(fā)、無縫捕獲并分析過去一段時間內累積的數(shù)據。
隨著無線設備和系統(tǒng)的快速普及，人們開始更多地關注“無處不在的無線信號。”過去十多年蜂窩電話用戶數(shù)量得到了飛速發(fā)展，但驅動無線未來發(fā)展的不僅僅是蜂窩電話用戶數(shù)的增長，還有更多其它種類的無線設備、系統(tǒng)和應用。如今內置無線組網模塊的膝上電腦已很常見，各種游戲設備也裝上了無線控制器。各種模式和配置的消費類設備讓人們對未來美好的無線世界充滿了憧憬。無論是今天的庫存跟蹤還是今后的無線數(shù)字錢包，RFID技術都將得到廣泛的應用?，F(xiàn)在似乎每天都有關于新的無線設備或服務的新聞。一些商業(yè)出版物也連篇報導著處于標準化進程的最新無線技術。無線革新正在史無前例地加速前進。
對無線設備和系統(tǒng)的潛在性需求已經不是什么新鮮事了。最終用戶都將是渴望彼此間交流的移動用戶。自從Chester Gould于1946年首次提出內置雙向無線鏈路的腕表并藉他的Dick Tracy漫畫聞名于世后，這一概念至今仍未實現(xiàn)。
去除我們周邊的各種線纜一直是我們的心愿。信號電纜非常昂貴，大多數(shù)人都希望去除電腦或家庭娛樂系統(tǒng)后面成捆雜亂的線纜。因此人們對無線需求的動機是由來已久。如今我們已經進入一個能夠更快更好地滿足這些要求的新時代。這一新時代的基礎就是數(shù)字射頻(數(shù)字RF)技術。在這個新興的數(shù)字RF時代，能夠給最終用戶帶來巨大好處的無線設備和系統(tǒng)正越來越普及。數(shù)字RF時代給那些擁有強大數(shù)字技術能力、能夠加速無線領域創(chuàng)新的后來者創(chuàng)造了極好的發(fā)展機遇。數(shù)字RF技術將是無線領域創(chuàng)新提速的重要助推劑。
數(shù)字RF技術
數(shù)字RF技術可以讓我們以比過去更快的速度實現(xiàn)“無線無處不在”的愿望。雖然已經有無線系統(tǒng)采用了數(shù)字技術，但對于已經采用傳統(tǒng)模擬技術構架的系統(tǒng)來說只能逐步地增加數(shù)字化功能。未來的數(shù)字RF設備和系統(tǒng)將圍繞由數(shù)字技術帶來的益處進行優(yōu)化。數(shù)字世界帶給人們的全部好處可以再現(xiàn)于無線領域。數(shù)字世界的發(fā)展變化非?？欤绕涫侨藗兤诖膬r格/性能的提升非?？焖佟Ｑ杆俳档蛢r格并增加靈活性是快速創(chuàng)新的源動力。目前我們可以看到所有這些好處正在無線領域呈現(xiàn)出來。
圖：二個儀器屏幕分別表示 RTSA在二個稍有不同的時間點進行的深層分析結果。
數(shù)字RF功能是由數(shù)字RF芯片實現(xiàn)的。數(shù)字RF芯片不再依賴于復雜的混合信號或特殊的半導體工藝，采用的是電腦、PDA和其它數(shù)字設備使用的相同技術(圖1)。隨著RF領域向數(shù)字RF芯片的發(fā)展，我們將看到與數(shù)字芯片業(yè)務發(fā)展中相似的現(xiàn)象發(fā)生。隨著傳統(tǒng)的數(shù)字半導體公司將他們的核心技術應用于這些新的應用領域，這些公司將在新的領域扮演重要的角色。
數(shù)字RF領域的性價比提升速度堪比以往的數(shù)字領域。隨著成本的戲劇性下降，無線功能將應用于前所未有的更廣闊領域。看看RFID技術的發(fā)展軌跡就可以想象到成本下降是如何促進新應用實現(xiàn)的。這些成本/利益發(fā)展趨勢將進一步增強未來設備功能，同時也會相應地提高設備復雜性。
數(shù)字智能可以從容應對無線通信在三大領域中的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)，即頻譜利用/抑制干擾的增強、信息安全的改善以及功耗的降低。雖然數(shù)字RF中滿足這些挑戰(zhàn)的許多技術出現(xiàn)已久，但這些技術現(xiàn)在可以被集成進特低成本、日益普及的最終用戶設備和系統(tǒng)中。
由于射頻頻譜是稀缺資源，因此頻譜利用率的增強非常重要。蜂窩電信業(yè)已經很好地證明了這一點。雖然簡單的時分復用系統(tǒng)已經使用多時，但數(shù)字RF技術所包含的智能可以使系統(tǒng)/網絡設計師接受與其它頻譜用戶更好地分享時間的概念。
例如，基于時間的頻譜資源共享技術已經被廣泛用于WLAN和藍牙系統(tǒng)和平共存的同一個組合設備中，通過協(xié)調發(fā)送的時間WLAN和藍牙可以使用相同的頻段。更復雜的系統(tǒng)能夠利用自適應無線技術檢測環(huán)境條件、理解用戶需求和控制無線系統(tǒng)操作，并決定何時、如何以及向何處發(fā)送無線信號。
由于無線領域中的環(huán)境是與其它用戶共享的，因此安全性非常重要。數(shù)字RF技術的智能性在此大有用武之地。傳送只在需要時發(fā)生，在突發(fā)式通信系統(tǒng)中實際比特傳送的突發(fā)性能夠極大地減少被檢測和截取的機會。信號特征可以隨時變化，因此未被授權的接收者將無法跟隨而破譯信號。極具魯棒性的安全策略目前只需少量的成本就能擁有。
由于最終用戶一般是移動用戶，功耗將是許多無線系統(tǒng)中的關鍵因素。數(shù)字RF技術提供了必要的智能來滿足這一要求。通過測量到達目標接收器所需的理想功率，設備只發(fā)送到達目標接收器所必需的功率。必要時系統(tǒng)仍保持在“睡眠”狀態(tài)，只運轉無線射頻部分，從而達到進一步節(jié)省功耗的目的。
時間問題
目前的RF信號不再采用簡單的AM或FM調制，而是采用高度復雜的調制方式，并且信號隨時間有很大的變化。數(shù)字RF技術帶來的是隨時間變化的RF信號。本文不僅要討論載波信號中時間與頻率的倒數(shù)關系，而且將更詳細的討論與信號中智能相關的不在同一級別的時間變化。這些變化可以反映出不同的調制類型，比如信號跳躍到新的頻率或以短脈沖方式發(fā)送信號。為了保證系統(tǒng)能夠正常工作，這些變化發(fā)生的時間點必須十分精確。此外，由于當前這種瞬時變化的RF信號采用了復雜的調制方式，因此他們常常會產生符合自身特點的一些副作用，如隨機性瞬態(tài)現(xiàn)象、干擾、異常切換等等。
所有這些現(xiàn)象共有的一個重要屬性是時間。實時(有時是微秒、有時是數(shù)秒、數(shù)分甚至更長)發(fā)生的變化都能表現(xiàn)為頻域的變化。這對前一代RF技術來說是不可能的，但現(xiàn)在事實如此。時間問題再也無法被忽視了。
RF設計工程師受到巨大壓力
那些設計、檢查、制造和維護RF設備的工程師們發(fā)現(xiàn)應對新挑戰(zhàn)的難度越來越大。設計周期越來越短、數(shù)字RF技術引起的信號復雜性增加都給設計環(huán)境帶來了新的問題。數(shù)字技術的基礎是事件必須發(fā)生在精確的時間點。而RF系統(tǒng)的基本原理也認為RF系統(tǒng)的主要問題表現(xiàn)為對頻率占用的控制。數(shù)字RF技術則獨一無二地兼具這二個要點。頻率占用仍必須要控制，而影響信號特征性能的事件必須發(fā)生在精確的時間點。
像頻譜分析儀這樣的傳統(tǒng)測量儀器是在另外一個時代開發(fā)出來的。如同歷史上著名的超外差模擬收音機，它們在有興趣的波段中調諧窄帶接收器以檢測信號功率與頻率比。它們內部的掃描架構意味著它們無法描述信號頻率隨時間的變化特征。因此當設計師組裝各種儀器、在設備中設計專門的測試模式以試圖了解信號行為時，測試的復雜性和難度就變得越來越大。為了更好地表現(xiàn)調制質量特征，業(yè)界使用向量信號分析儀(VSA)來彌補傳統(tǒng)頻譜分析儀的不足，但VSA的動態(tài)范圍不足，無法完整地描述信號隨時間的變化特點。測試環(huán)境中也可以包含定制設計的測試設備以應對特殊的測試挑戰(zhàn)。這些測試裝置的建立又費時又費力。另外，可能會遺漏某些瞬變狀態(tài)，從而引起最終系統(tǒng)或網絡故障。如果在系統(tǒng)發(fā)送給用戶之前沒有檢測到這些錯誤，那么修正的代價將是非常高昂的。
隨著技術的不斷發(fā)展，迫切需要一款能夠反映目前信號隨時間變化這種本質特性的工具。工程師們需要能夠對未知事件進行觸發(fā)、無縫捕捉以及分析過去一段時間內累積數(shù)據的實時RF儀器。這樣的儀器可以顯著縮短設計時間、節(jié)省最終設備中測試建立和特殊模式的成本。而且這些儀器還能幫助工程師盡早捕捉到問題，避免潛在性故障發(fā)生在實際使用中而損害用戶利益，甚至某些情況下造成網絡癱瘓。
幸運的是，新一代實時頻譜分析儀(RTSA)能夠幫助工程師處理各種RF信號。與傳統(tǒng)的掃描頻譜分析儀不同，先進的RTSA可以利用極具魯棒性的實時帶寬和高速數(shù)字信號處理功能對目標信號實施全面分析。由于這些信號具有更高的復雜性，也更難預測，因此只有RTSA提供的觸發(fā)、捕獲和分析功能才能幫助設計師理解隨時間變化的從跳頻到EMI瞬態(tài)的各種信號行為。
觸發(fā)、捕獲、分析
當今先進的RTSA具有強大的觸發(fā)功能，能夠同時在頻域和時域捕捉到RF事件。這些觸發(fā)裝置能夠將捕獲到的連續(xù)時間記錄的RF信號存儲于內存中用于進一步分析。有些RTSA還能提供功率觸發(fā)功能，當分析跨度內所有信號的總功率超過用戶定義的門限時將啟動觸發(fā)功能。還有的分析儀能提供頻率屏蔽觸發(fā)功能，當信號頻率、幅度或帶寬發(fā)生離散變化，或信號在某個頻率點出現(xiàn)或消失時該功能將得到啟動。
由于故障信號可能一小時甚至一天才出現(xiàn)一次，一些先進的RTSA提供了連續(xù)觸發(fā)模式來連續(xù)監(jiān)視感興趣的頻譜，不過只有滿足用戶定義的觸發(fā)條件時才進行捕獲。一旦觸發(fā)后，分析儀將捕獲頻譜活動內容并記錄時間，并將相關信息存儲于存儲器中。如果滿足條件的事件再次發(fā)生，就重新回到觸發(fā)狀態(tài)。這樣可以高效地利用捕獲存儲器，確保存儲器中的內容是有用信息，從而能使用戶遠離儀器也能隨時捕獲瞬時發(fā)生的事件。
由于RTSA能夠非常方便地根據時域或頻域中的特殊事件對動態(tài)和瞬態(tài)信號進行觸發(fā)，因此工程師能夠憑藉RTSA可靠地識別和捕捉單個事件或復雜的序列事件，并將它們記錄于分析儀的存儲器中。
通過無縫捕獲實時信號行為，這些分析儀可以支持眾多功能強大的分析工具。RTSA能夠顯示記載有頻率和功率相對時間的頻譜圖。在與時間相關的顯示內容中頻率、時間和調制域都是可見的，而頻譜圖本身也有對長期觀察結果的總結，因此能夠對隨時間變化的信號行為實現(xiàn)直覺的三維視覺效果，這是傳統(tǒng)頻域視圖中無法看見的。
下面舉例說明實時分析的強大功能。圖2是實時頻譜分析儀屏幕上的一個快照，顯示的是WLAN鏈路性能比較惡劣時的情形。
用戶利用RTSA可以在捕獲時間記錄間移動光標來控制分析點。光譜圖的水平軸代表頻率，垂直軸代表時間，因此可以提供全局視覺效果。圖中用顏色指示信號功率的大小，顏色越亮表示功率越大。
在屏幕快照的左邊可以看到目標WLAN信號旁邊還有一個采用跳頻技術的藍牙信號。另外還能看到從附近的微波爐中泄漏出來的能量。當光標置于這個時間點上時，WLAN鏈路是正常工作的。WLAN信號的頻譜以及星座圖都表示信號同步正確，EVM性能良好。
在屏幕快照的右邊，光標稍向前移動。在這個時間點，藍牙信號正好跳躍到WLAN信號的頂上。在WLAN信號的頻譜中表現(xiàn)為一個信號尖峰。這個藍牙信號會干擾有用的WLAN信號，以致于WLAN信號無法被正確解碼。從對應的星座圖也可以看到同步丟失。最終用戶設備將發(fā)生WLAN信號丟失、甚至藍牙信號丟失的現(xiàn)象。
如上例所示，代表整個時間段平均值的簡單頻譜圖無法完全描述目前的RF信號環(huán)境。需要足夠的時間刻度才能準確描述信號環(huán)境中發(fā)生的事情。另外，無繩電話、無線游戲控制器以及HVAC控制系統(tǒng)都將與上述設備競爭頻譜資源。隨著無線設備的普及，這種情況將變得越來越復雜。
RTSA是用于測試、測量和檢查寬帶、動態(tài)RF信號的優(yōu)秀儀器。它能從與時間相關的角度觀察頻域、時域和調制域，并具有全面的觸發(fā)和分析功能，因此工程師憑借RTSA可以全面觀察RF信號，完成信號的特征化描述，并快速解決問題。
當今復雜的RF信號和RTSA對RF頻譜監(jiān)視、干擾跟蹤、信號特征化和EMI診斷具有重要的意義。它們能夠簡便地實現(xiàn)RF設備的特征刻畫、查錯和調試，并有助于確保在設計中消除潛在的系統(tǒng)不穩(wěn)定性，從而有效地避免故障系統(tǒng)進入市場，破壞已經擁擠失序的RF頻譜。隨著無線領域中技術的不斷發(fā)展變化，時間分析將被證明是實時頻譜分析儀的一大強項。
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