射頻波形生成和測量的復雜性

　很難想象還有什么東西能比在天空和太空中傳送太拉字節信息的信號更好地說明21 世紀電子技術的復雜性。這些信號在無線局域網、先進蜂窩系統、基于地面和衛星的多媒體數字廣播系統中的有線網絡電纜和光網絡光纖中傳輸。這些通信系統和廣播系統非常復雜，它們產生并發送的那些滿載信息的信號也是非常復雜。幸運的是，您或許可以在不完全了解這些信號如何傳輸數據或這些系統如何把信息加到數千兆赫射頻載波上的情況下，使用這些信號并測量它們的主要特性。盡管如此，在選擇儀器或軟件來生成測試信號或確定數據有時在到達目的地的途中遭到破壞的方式或原因時，您或許需要更好地了解它們。
　　UWB（超寬帶）技術仍處于初始階段，它使用數百兆赫來發送數據速率很高的信號，發送的距離通常為幾十米或更短。UWB技術的存在一點也不影響以下斷言的有效性：有限的帶寬和數據量的爆炸性增長需要更加復雜的通信系統和信號。事實上，UWB 強化了這一觀點。UWB 并不試圖找到射頻頻譜中的空閑點，將信號置入其中，而是在其它服務占用的頻段內發送信號。UWB 系統設計得可以共享帶寬，而不會對其它服務產生干擾，或受到其它服務的干擾。高數據速率、寬帶寬和占用相同頻率的干擾信號的存在這三個因素，使得系統設計極具挑戰性。
　　正交頻分復用（OFDM）技術
　　有兩種互相競爭的技術是 UWB 的基礎，其中之一就是一種稱為OFDM（正交頻分復用）的 DSP 密集型系統。OFDM 還是 IEEE 802.11 無線聯網標準系列、幾種 DBS（直接廣播衛星）電視系統、iBiquity Digital 公司 (www.ibiquity.com) 面向美國市場的 HDRadio TDAB（陸基數字音頻廣播）系統、歐洲 DVB（數字電視廣播）系統（它既支持陸基傳輸又支持衛星傳輸）中的一種關鍵技術。
　　您可能聽說人們把 OFDM 稱為一種數字調制形式，嚴格地說，它不是。OFDM 使用數百甚至數千個不同頻率的副載波，使裝入每個符號周期中的信息比大多數其它數字數據傳輸系統能裝入每個符號周期的信息更多。因此，OFDM 使用數量更少、持續時間更長、復雜性更高的符號來達到與其它幾種數字傳輸系統相同的數據傳輸速率。（有些人認為這些符號是一個符號周期中的多個符號。）而且無須增加占用帶寬就可以維持這一數據速率。
　　OFDM 的符號時間長，相應地符號速率就低，這就使 ISI（符號間干擾）能減少到最低程度而ISI在射頻通信中通常是由多路徑失真等信號減損引起的。當某個信號通過幾條路徑到達接收天線時，就會發生多路徑傳播。其中一條路徑可能是從發射天線直接到達接收天線，而其它路徑則涉及到固定物體或運動物體的反射信號。只要延長符號持續時間，使之超過延遲時間最長的反射信號到達接收天線所花的額外時間，OFDM就能消除此類反射信號通常造成的 ISI。還有一個好處是，信息散布在多個載波中，能提高信號的抗干擾能力以及信號對多路徑傳播的頻率響應影響的抵抗力。
　　它是一種數據傳輸系統
　　某種形式的數字調制，如 BPSK（雙相移鍵控）或 QAM（正交調幅，參見參考文獻 2），把信息加在每個 OFDM 副載波上。一個 OFDM 系統能在不同副載波上使用不同類型的調制，任何副載波使用的調制類型都可以隨時改變。也就是說，一個 OFDM 副載波可以使用 BPSK，然后改用 QAM，接著再改回來，或者改用另一種調制形式。因此，您或許不應該把 OFDM 稱為一種調制，而應稱為一種數據傳輸系統。
　　OFDM 的魅力部分來自其多個副載波之間的正交性。不同頻率的信號可以正交，這一思想也許需要人們花些時間來習慣它，這是因為人們一般把正交性看作同頻率信號的一種特性。例如，兩個正交的同頻率正弦波信號分量（即在時間上相差 90°）是垂直的，因為任何一個分量的幅度變化都不影響另一個的幅度。同樣，調制一個 OFDM 副載波不會影響系統的其它副載波，因為每個副載波頻譜的幅度在所有其它副載波頻率上都是零（圖 1）。

　　OFDM 系統有時使用數千個副載波。與不使用OFDM而使用簡單調制（如每符號傳輸一個比特的 BPSK） 的系統相比， OFDM 系統在理論上能以相同的比特率傳輸數據，盡管符號速率較低，與副載波數量成正比。有些系統把 OFDM 與運載 64QAM（64 級 QAM）等復雜調制的副載波結合起來，它們至少在理論上能夠維持數據速率，同時仍舊能進一步降低符號速率——在 64QAM（每符號傳輸 6 個比特）的情況下，可降低到1/6，因為 64=2⁶。
　　數百兆赫信號的產生
　　產生一個用 64QAM 調制的 2.5 GHz或 5GHz 或更高頻率的信號，這就夠難了（參考文獻 3）。再則，當您在外部生成基帶信號時，至少有兩種儀器——Rohde and Schwarz 公司的 SMU200A 和 Agilent 公司的 PSG 系列——能分別達到 200MHz 和 1GHz 的調制帶寬。合成此類信號并仿真在典型環境中使這些信號劣化的因素，會使問題進一步復雜化（參考文獻 4）。而且，如果 QAM 不直接調制主載波，而是調制全部數百個或數千個副載波（每個副載波運載不同信息），而這些副載波又調制主載波，那么信號生成問題就會復雜得令人頭腦麻木。不過，現代射頻信號發生器——通常在獨立PC 上運行的軟件包的幫助下——可以輕松地應付這種復雜性。
　　能產生已調制射頻載波的射頻信號發生器，大多數都有一對 DAC，其中一個產生 I（同相）調制信號，另一個產生 Q（正交）調制信號。這種 IQ 方法不僅在概念上簡單明了，而且效率也很高：它能使每個DAC的更新速率比合成整個調制波形的單個 DAC 所需的更新速率低一半。因此， 把數模轉換功能分給I DAC 和 Q DAC去完成，就能實現更低的 DAC 更新速率，從而能輕而易舉地達到所需分辨率。然而，有幾種信號發生器的確只使用一個 DAC 來合成所有調制信號。您也許會認為，產生 OFDM 信號的信號發生器將使用大量 DAC，或許是每個副載波使用一個，但儀器制造商們報告說，用數學方法對副載波進行合成并求和，然后再轉換成模擬信號，這樣做更為簡單。由于系統使用這么多副載波，因此多個 DAC 會帶來一些不必要的技術問題，使設計復雜化，并使體系結構變得不經濟。
　　分析接收到的信號至少和生成測試信號一樣復雜。諸如矢量信號分析儀等儀器內的計算功能歷來都能進行這種分析。不過，能輸出捕獲數據的儀器目前已開始面市，分析這些數據集的PC 軟件包也可以買到。據軟件出版商們說，有幾種采集后的分析程序，其分析功能優于傳統儀器的分析功能。而且，這些軟件包的可編程性比常規儀器高得多，從而更容易從數據中提取正好需要的信息。
　　內置 PC
　　此外，繼數字示波器制造商之后，射頻儀器制造商們開始生產內含 PC 硬件的信號分析儀，并提供基于 Windows 的開放式操作環境。 Anritsu 公司的 Signature 射頻信號分析儀就是這類儀器中的新產品。該產品的技術要求可與高質量掃頻頻譜分析儀的相媲美。Signature 射頻分析儀把數據直接從其測量硬件送到在分析儀內部 PC 上運行的分析程序。（該程序通常是 The MathWorks 公司的 Matlab，不過有時是該公司的 Simulink。）因此，這一體系結構把數據實時傳輸到可定制的頂層數學軟件，頂層數學軟件顯示復雜計算結果的速度與儀器采集基本數據的速度一樣快。
　　這類功能在很多應用場合是很有用的，例如對轎車、飛機和其它運動物體的反射引起的信號損耗進行分析。當您在比較普通的設備中使用同一軟件時，只有在您采集到完整的數據集，并把文件導出至一臺單獨的 PC 之后，您才可以開始進行這種分析。有了內置 PC 和通往分析軟件的高速鏈路，與外部事件的相互關系變得既直接又明顯，而在比較普通的設備中，您不僅必須等待結果，而且還要弄清楚為什么會產生這樣的結果。
　　盡管如此，在信噪比 (SNR) 是關鍵參數的矢量信號分析儀或頻譜分析儀等射頻儀器中增加一臺 PC，嚴格而言，是對儀器設計師的懲罰。PC 是聲名狼藉的電氣噪聲源。與局限在 IC 封裝內部的信號相反，在 PC 內部印制電路板印制線內傳輸的大多數信號，其時鐘頻率要比射頻測量中最重要的信號來得低。然而，其諧波很容易進入有關的頻率范圍。避免這類不需要的信號，就需要考慮采取屏蔽和濾波，這就會增加儀器的成本和重量，有時還會加大儀器尺寸。
　　頻率變換手段
　　產生或分析承載信息的數千兆赫信號的儀器不可避免地要利用變頻，而且大多數儀器不止一次地利用變頻。（圖 2）。外差式變頻采用的不是頻率倍增，而是混頻?；祛l就是使信號波形倍增，再對結果進行濾波的過程。波形倍增就是調制或解調，并在輸入信號的和頻和差頻上產生新的信號。

　　濾波歷來是在模擬領域內完成的，而目前常常在數字領域內利用DSP 技術來完成。雖然您能夠制造出具有模擬濾波器設計師夢寐以求特性的數字濾波器，但數字濾波器需要數字信號，而且，如果信號開始在模擬領域中生存，則在 DSP 之前必須有 ADC。如果沒有特殊的體系結構，對 ADC 或在它之前的 T/H（跟蹤和保持）電路的分辨率或動態范圍的各種限制就會使人們無法制造出合適的數字濾波器。
　　即使調制變得更復雜，并具有更高的頻譜效率，一些已調制信號占用的帶寬也增加了。掃頻頻譜分析儀，甚至是大量使用 DSP 的儀器，都要順序檢查頻域的一個個狹窄部分，從而覆蓋很寬的帶寬。這種方法的問題在于：它習慣地假定信號的頻譜不隨時間發生重大變化。然而，如果各個事件來來去去，而且一個有關事件在頻率B發生時，頻譜分析儀正在檢查以頻率 A 為中心的窄帶寬，則頻譜分析儀顯示圖形中就沒有這一事件。
　　檢查頻譜中很寬的一部分
　　同時檢查頻率域中很寬的一部分，這是基于 DSP 的頻譜分析儀的工作。包括行業內最大的儀器供應商之一 Agilent Technologies公司 在內的幾家公司，都把它們基于 DSP 的儀器稱作 VSA（矢量信號分析儀）。Tektronix 公司將其產品稱作 RTSA（實時頻譜分析儀）。該公司堅持認為，RTSA 不只是 VSA 的另一個名稱，它還具有 VSA 不具備的功能。一個例子就是事件驅動的觸發，它僅僅在儀器檢測某一有關現象時才允許捕獲數據。Tektronix 公司還自夸 RTSA具有很深的存儲器。然而，深到足夠存儲幾秒種未處理數據的存儲器也是一些VSA的特性，但Tektronix 公司把事件驅動觸發和深分段存儲器組合在一起則是很獨特的，并可能使該公司在有效存儲深度方面占優勢。然而，與掃頻頻譜分析儀相比，大多數基于 DSP 的分析儀，不論它們叫什么名字，都有一個嚴重缺陷：它們的動態范圍都不如性能最高的掃頻儀器。
　　有幾種基于 DSP 的分析儀能夠處理帶寬達 80MHz 的信號。您只要使寬帶分析儀順序通過鄰近的頻段，就使其覆蓋的帶寬比其額定最大帶寬更寬。然而有時候，即使是這種方法覆蓋很寬頻率范圍的速度比典型的掃頻儀器還快，但仍然不夠快。目前，帶寬最寬的實時采樣 DSO 能夠處理帶寬達到 8GHz 的信號。這些儀器都具有開放的 Windows 體系結構，從而使它們能運行功能強大的分析軟件。雖然這些儀器的 ADC 分辨率對于通信信號分析來說似乎不夠高，但它們提供的大約 50dB 通常夠用了。
　　到目前為止，Tektronix 公司似乎是唯一一家宣布有能力使用多臺調諧于臨近頻段的同步寬帶分析儀的公司，這種能力在有些應用場合是很有用的，因為這些應用場合需要同時處理的信息包含在一個很寬的頻率范圍內，而這一頻率范圍要比一臺分析儀能處理的頻率范圍更寬。其它公司報道稱，它們正在開發類似的方法。在不太遙遠的將來，一些公司將會宣布把多臺同步分析儀組合在一起的系統是一種標準產品。


　　PXI
　　射頻儀器方面的一種較新的發展是出現了采用模塊化 PXI 格式的射頻信號發生器和分析儀等儀器。Aeroflex 公司和 National Instruments 公司都提供 PXI 射頻儀器，因此您可以認為這兩家公司的 PXI 射頻產品系列是互相競爭的產品。不過，它們的產品設計理念有很大區別。National Instruments 公司推出的幾乎全都是PXI 產品，因而認為，其模塊化射頻儀器是通用臺式裝置的低成本替代產品。由于軟件確定各模塊執行的功能，并控制各模塊的工作情況，因此該公司聲稱，模塊化儀器比通用儀器更容易符合您的應用要求。與此同時，制造多種多樣臺式儀器和便攜儀器的Aeroflex 公司認為，其 PXI 模塊側重于特定應用，主要用在生產測試中。
　　Natural Instruments 公司的人經常嘲笑臺式儀器是體積過大、價格過高、很難使用的恐龍。不過，到目前為止，該公司 PXI 射頻產品最顯著的成功是用于射頻 IC 生產測試的自動測試設備 (ATE)。該公司目前還沒有很多證據表明 PXI 射頻產品系列正在大量用于研發實驗室。假定該公司所聲稱的模塊化儀器相對于通用儀器的操作優越性是真實的，那么它有責任確保射頻設計領域的研發工程師認識到并利用模塊化儀器的各種優點，并交流有關信息。
　　之所以說利用射頻儀器進行這樣一種演示是一項復雜的工作，有一個原因就是，假如您拿著一堆數據表坐下來，想對一組具有同等功能的儀器進行比較，則您很快就會發現，您是在比較一些彼此大不相同的東西。數據表據以規定性能的測試條件是很重要的，而且幾乎沒有發現兩種儀器在相同測試條件下規定某一測量值。因此，為了把工作做徹底，您需要一間配備精良的實驗室，最好還需要正在評估的所有儀器的多個樣品。這種可能性太小了！一個更好的辦法是與兩三家公司（根據一些初步研究，這些公司的產品似乎最符合您的需要）的應用工程專業人員或銷售工程專業人員坦率地談談您的要求，并提一些具有針對性的問題。