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如何从容应对无线通信射频技术带来的挑战-发射机测试

发布日期:2023-12-28     170 次

任何无线通信系统的开发都是很艰巨的任务,会受到严格的限制,并且因为要做出许多权衡而变得更加复杂。要在无线通信市场上取得成功,必须不断地提升性能、降低成本和加快上市时间。不管是面向器件、子系统还是整个无线通信系统,您都会在射频测试中遇到非常棘手的难题。为此,本应用指南提供了针对性的射频技术解决方案,旨在帮您克服以下五大挑战:
– 确保符合复杂的无线通信标准
– 进行精确的射频功率测量
– 排除干扰问题
– 查找和修复电磁干扰故障
– 优化功耗

移动数据和语音业务都在持续要求更大的通道容量,而无线局域网通常也是如此。在开发商们推出各种技术以便满足这些需求的同时,每种技术又给发射机测试带来了更多挑战。新技术包括复杂的调制类型、帧结构和多路复用机制。仅从多载波机制和多通道扩展来看,就会显著增加复杂度,比如 MIMO 和载波聚合。

由于这些复杂程度会等于或超过相应的无线通信标准及规定。在设置分析仪进行一致性测量时,这也同样成为了分析仪所面临的挑战。许多情况下,在分析某些类型的信号时,手动设置并不现实。尤其在解调测量和一致性测量时,更是如此。

进行通用和专用标准的测量

尽管针对不同的无线通信标准会有许多专用的发射机测试仪,但是它们通常主要用于制造或试产阶段。对比而言,在开发和故障排除环节上,往往需要更宽范围的测量,而不只是验证产品的整体性能和一致性。其他测量还包括:调制信号的通用频谱分析,和在无线结构图中针对多个测试点的子系统信号测量。有些信号比如连续波(CW)尽管不必显示在最终的射频通道上,但还是需要对它们进行调制。

信号分析仪是支持这些测量的首选平台。它不但具有数字中频(IF)和矢量信号处理能力,还可支持必要的频谱测量,以及借助测量应用软件实现更多扩展。您可在购买时或购买之后,对软件进行更新。其中,某些针对特定无线标准的测量软件还可随着标准的变动进行升级。针对无线设计中的应用,只需一台信号分析仪即可方便、可靠、高效地执行专用标准和通用标准的信号分析任务。

围绕主要的无线通信标准,信号分析仪可以配备几十种不同的测量应用。图 1、2、3 分别显示了一些示例。

图 1. 测量软件可以分屏显示多项测量,从而帮助用户更全面地了解信号质量和特性。在这个 LTE 测量界面中,包括了星座图、检测到的定位信息,帧报告以及总体误差报告。为了优化和便于故障排除,还对不同通道类型的测量结果设置了不同颜色。

图 2. 在对现代无线系统进行 ACPR/ACLR 测量时,具体设置非常复杂。图中使用了非连续载波聚合,在配置中包含累积 ACLR 时,复杂程度尤为明显。

图 3. 在这个 WLAN 信号的 OFDM EVM 多项测量显示图中,涵盖了四种迹线信息:EVM 与符号、EVM 与子载波、星座图和 EVM 表格指标。

大多数测量应用软件是在单通道信号分析仪平台上运行;但也有适用于多通道模块化信号分析仪的版本,用以支持对 MIMO 信号进行全面解调。在所有的分析仪上,这些软件都采用了一致的、且经是德科技依照相关标准进行了验证的测量算法。此外,当标准出现修订和扩展之后,这些应用软件将会得到同步更新。算法和应用界面都是共享的,因此用户很容易熟悉和上手,可以有效地减少培训和编程时间。

即使是一般的测量任务也会有较大的复杂度,简单的设置和自动化计算可以让用户受益良多; 比如测量相位噪声、射频功率和噪声系数。

在开发和生产的各个阶段,精确的功率测量都是至关重要的;这样的测量往往要在时变信号上进行实施。出现问题的信号有可能是整个发射机的输出信号,也可能会是发射机或接收机中单独器件或子系统的输入或输出信号。

在无线系统中,许多射频信号与噪声很相似,这就必须要在指定的频段或通道上测试功率电平。在这些情况下,为了得到精确、可复现的测量值,要求我们在一定频率范围内对测得功率求积分,然后求取积分结果在时间上或多个信号猝发上的平均值,或同时求取在时间和信号猝发上的平均值。

和/均可用于无线测量,并且各有不同的优势。接下来,我们分别探讨一下。


格较低并且比较精确,能够提供出色的频率范围和源匹配。有些可以更换功率传感器,它们可提供极宽的频率覆盖范围,同时保持较好的阻抗匹配,这对提高测量精度非常有益。在发射机框图的不同测试点上,或者在单独模块上都可使用功率计,用以对增益器件、衰减器或频率转换器进行表征。有些功率计擅长测量峰值功率,从而有助于表征时变信号、动态器件、热现象或电源相关效应(图 4)。

图 4. 很多功率计都可以测量功率随时间的变化,而且计时参数是可选的。这条迹线是对 LTE 信号子帧的测量结果,测量时采用了猝发平均功率设置。

的一个局限性主要体现在它的宽带特性上。宽带响应意味着它可能无法精确地测量大信号附近的低电平信号,并且它的基础幅度比较高,会影响精确测量。功率计作为宽带设备,无法通过窄带测量滤除宽带噪声、杂散信号和干扰等。


对于高电平的独立信号而言,/的功率精度要比功率计略逊一筹。然而在射频发射机测试方面,分析仪更具优势:无论表征整个发射机,还是表征具体的子系统。

在测量无线系统的功率时,频谱分析仪/的主要优势在于频率和时间的可选性,不但单独可选,而且组合可选。由于频率可选,即可支持针对通道或频带的功率测量,比如 ACPR(图 5)。这种可选性还能从测量结果中有效地减少宽带噪声功率(本底噪声),从而提高测量精度和动态范围,特别是针对小信号或接近本底噪声的信号。

图 5. 在无线系统中,邻道功率比(ACPR)是一种常见的功率和失真测量指标。测量软件会自动配置和比较主通道与相邻/替代通道的测量值,并以图形和表格形式呈现测量结果。

使用测量应用软件处理无线通信系统复杂任务
针对特定的通道间隔和功率限值,非常有必要对相邻和替代通道的多种带宽进行对比测量。测量软件可以轻松处理以下挑战:
–随着信号发射间隔的变化,信号功率和统计数据也在改变。因此,有必要测量发射机的信号猝发或特定部分的信号帧。 OFDM 信号中的训练序列就是这样的例子,其中的功率和计时都有明确的规定。
–平均类型和检波器需要兼容并且保持一致,否则会产生不一致和不可预测的(即,不可复现的)测量结果。
–ACPR 测得的部分失真可能会在容限范围内,而在器件的不同阶段可能还会要求不同的限值。

与峰值功率计相比,在功率随时间变化的测量方面,信号分析仪具有更大的时域可选性。事实上,信号分析仪针对功率测量的一个主要用途就是在单个通道中对功率随时间的变化进行选择性测量,以便揭示该通道在信号猝发时的动态功率特性,或者揭示信号帧的动态功率特性。

全面了解无线发射机的频谱输出情况(包括动态变化)是十分重要的。这当然包括许多瞬态信号的出现,由于占用了频谱并且具有脉冲特性,瞬态信号的占空比有时会非常低。通信和多路复用机制的异步特点又导致了干扰信号的占空比变动极大,这就非常另人头疼。所有这些都会使某些瞬态信号很难被识别和测量到。

如前文所述,在目前拥挤的频谱环境中这些问题非常重要。某些多信号组合、信号冲突或干扰的例子虽然相对少见,但是异常的信号源很容易被注意到。

频谱分析仪和信号分析仪通常是检测和测量杂散及干扰信号的首选工具。近年来,许多频谱分析仪的架构已经从模拟演进到数字中频段,从标量演进到矢量信号处理。这些分析仪现在通常被称为信号分析仪,意味着具备更通用、更强大的分析功能。在很多情况下,此类信号分析仪常被用作具有基本频谱功能的基础型号;但它们也提供了可选的功能升级,从而成为测量杂散和其他干扰信号的强大工具。

快速扫描:使用窄分辨率带宽时,这种特定的信号处理功能可以大幅提升扫描速率。扫描速度可以提升数十倍,这为杂散和干扰测量带来诸多好处:

  • –在特定时段内可以完成更多的扫描测量,提高了检测间歇信号的几率。这种几率有时也被称作截获概率。

  • –以较窄的频率分辨率进行测量,能够在拥挤的频谱环境中快速分辨出有问题的信号。

  • –通过改善信噪比和降低本地噪声,更容易检测到噪声附近的小信号。得益于快速扫描功能对较低本底噪声的测量能力,许多以往无法执行的测量,现在已经变成了现实。

快速扫描可以提高查找杂散或干扰信号的可能性,即使在配合基础特性如峰值保持显示功能使用时,也是如此。然而,信号分析仪还提供了其他更强大、更全面的功能。

:某些信号分析仪利用 ASIC 和 FPGA 专用信号处理技术,在数字采样的 IF 频段提供非常高速的 DSP。借助这种处理能力,在指定频带内连续无缝地处理所有信号样本。这种处理只限于针对传统的功率谱结果(即,非矢量),但可确保不会错失任何谱能量。这将可以近乎百分百地检测到罕见的、难以捕捉的杂散信号,大幅增加了干扰测量的置信度。

频率模板触发(FMT):FMT 基于 的实时频谱处理,增加了一个同样会被实时监测的频谱模板触发器。FMT 可被视为中频幅度触发的增强版,通常会在矢量信号分析仪和某些频谱分析仪中提供。这种增强主要体现在,它可以设置一个定制的频谱模板,一旦违例就会立即触发某个操作:启动测量、显示结果,或执行信号捕获。多数情况下,触发是在违反或穿越模板边界时启动;但也可以设为当信号离开模板区域,或者离开后再次进入模板区域时启动触发。因为基于 RTSA,其根本优势就是大大增强了测量置信度;任何信号、过渡(transitions)或事件,一旦违反模板或满足特定的逻辑条件,都会被可靠地检测到。

:顾名思义,这种分析模式采用全矢量信号处理法,因而全面涵盖了频域、时域和调制域测量类型。这非常适于数字化调制测量和多模分析;在进行故障排除时,可以实现频率分析、时间分析和调制级测量质量的完美结合。

信号捕获和回放:深存储器、高速存储,加之以矢量中频处理,实现全面、无缝的信号捕获。这些能力一般都是 VSA的典型配备,并且通常会与后处理或回放工具配套使用。不但能够捕获各种带宽范围的信号,还可精准地测量独立信号或较窄的通道。

由于在存储器中已经捕获了完整的信号,因而可以在任何域中对录制的信号进行任何类型的信号分析,无需重新捕获(即实现了“无损分析”)。这对于分析瞬态或一次性信号非常适合,还可以截取较长信号、猝发信号或信号帧当中的一个时间段进行测量。信号采集是不间断的,对捕获信号的触发时点和触发之前的信息都有标记和记录,因此,围绕触发时间就有了完整的关于信号的信息。也就是说,可以测量触发之前的信号,从而了解因果关系和计时关系。

另外还有两个重要能力,它们与信号录制和在回放期间进行信号分析有关。首先,VSA 在回放并分析被记录下来的数据时,通常会进行重新采样,也会用到一个数字化的本地振荡器。这些 DSP 操作可让用户在后处理期间调整中心频率和测量范围。

第二,无缝捕获特性能够与高密度的频谱显示相结合。比如频谱图可以直观地示出被捕获信号的所有特征。结果是,频谱测量的有效速率可达到每秒数十万、甚至数百万个频谱。这也使用户能够全面了解快速、复杂的信号计时和交互情况,进而发现干扰信号,并找出其成因。

应用有效的测量流程

在无线系统中,信号和潜在的杂散及干扰源都是随时间而变化的;此时,一系列的测试类型可确保任何信号都不会被错过,而且还可被精确地测量和全面掌握。通过把这些测试类型纳入测量流程,您可以用更少的时间获得极具价值的测量信息。

– 评估您所掌握的潜在干扰信息:当您熟悉系统特性,对潜在的干扰源也有一定了解时,扫描频谱测量会是一个非常好的起点。如果知道幅度、频率或计时,您就可以利用VSA 软件来捕获信号;为了捕捉到瞬态信号的起始位置,可能会用到中频幅度触发或负触发时延,或者两者都用。

– 应用 :如果怀疑存在干扰但又对其知之甚少,或者想要确定是否有干扰存在,您可以考虑使用 RTSA。尽管这是一种不提供计时、仅支持矢量的频谱测量,但是它可以确保帮助您检测出那些事先并不了解的信号(图 6)。计时方面如果非常重要,则可以考虑计时功能优异的触发器。

– 使用 FMT:如果您无法使用依赖幅度的触发器来隔离有问题的信号,那么,使用 FMT 可以让您聚焦于频谱特性和细节,以及以触发单独的测量或信号捕获操作(图 7)。

– 使用回放或后处理:只要有问题的信号进入存储器,您就可以在 VSA 中对其回放或进行后处理。图形化工具提供深度捕获,允许您只选择想要的部分进行分析,具体选择方法与计时方式有关:计时可以依据中频幅度、频率模板或时间限定来建立。

– 了解回放信号:您可以自由地调整中心频率和测试范围,以便锁定感兴趣的频率进行分析,而且无需重复捕获信号(只要信号存在于原始捕获带宽的某个位置上)。

– 改变分析和显示类型:这是针对 CW 信号而建立的一种强大的方法,可以帮助您全面了解干扰信息。您可以利用时间和频率游标、频带功率计算乃至解调功能来识别信号,分析其关键特性。频谱图和高密度显示会揭示出信号的重要特征,以及它们与预期信号之间的差别。

图 6. 在这个五载波 LTE-Advanced 信号的实时频谱测量中,带内干扰和带外干扰都一览无余

图 7. FMT 可用于信号分析仪的实时频谱模式,也可以用于 VSA 软件。在 VSA 软件中,可以配置一个频率模板触发器,从而选择具体的调频信号对其进行解调。

如前文所述,借助具有实时矢量信号分析能力和矢量架构的信号分析仪,除了可以得到基本的频谱分析能力以外,您还可以执行其他步骤。一般而言,现有的设备均可通过支持许可密钥的软件来实现升级。

关于干扰,最后需要说明的一点是:某些干扰是不可避免的,一般都是通过防止碰撞(collision avoidance)或重新发射等策略来处理。此处介绍的步骤可以帮助您了解时间和频率方面的细节特征,为设计解决方案和评估潜在影响提供稳固的基础。

尽早地查找和修复 EMI 问题

无线工程师在设计工作中既要考虑符合规范,又要确保其设计能够在密集的频谱环境中共存;与此同时,始终绕不开 EMI 的困扰。尽管正式的认证测试非常重要,但通常要等到开发流程的最后阶段才能执行,这会导致新产品面临诸多风险:比如日程延期、潜在而昂贵的设计修改费用、高昂的重新测试成本。通常来说,在早期的设计和设计验证阶段,更容易发现和避免此类风险,而且代价更小(图 8)。

图 8. 在开发初期,预兼容性测试有助于发现问题;此时问题容易解决,所需成本也较少。另外,还可以降低设计返工和相关日程延期的风险。

EMI 测试与典型的频谱分析不同,它的测量和测试配置都是专用的。例如,需要使用特定的测量带宽,需要使用“准峰值”检波器(准峰值与峰值或均值不同,它根据重复率对信号加权)。这些检波器和某些测量带宽都不是频谱或信号分析仪的常规配备。

这也是 EMI 测试通常不是由设计人员来执行的原因所在。EMI 测试通常是在不同地点,由外部承包商在专用实验室中执行。若在开发流程中尽早地执行 EMI 测试,最终的 EMI 认证测试几乎就只是一种形式了。

利用专用工具进行标准化测量

为了增加首次实现兼容性的机率,您可以自己进行预兼容性测量。为此,您需要一台配备 EMI 测量应用软件的信号分析仪。

下面是测量解决方案的部分清单:

– 把 EMI 功能作为标配的信号分析仪:包括专门针对 EMI 的带宽滤波器、极限线、纠错数据管理,以用于应用天线系数。这套工具是通用频谱测量的直接延伸,它利用基本设置和极限配置来分析信号,识别最可能出现问题的位置。

– 配备了基础 EMC 应用软件的信号分析仪:基础 EMC 应用软件中应该包括 CISPR 频段预置、检波器和带宽设置;在游标位置包含多个同步检波器的专用测量模式;能够调谐和监听,以进行信号鉴别。基础 EMC 应用软件支持更丰富的测量配置,能够很好地量化有问题的信号。这种配置方案可在预兼容性结果与 EMI 认证期间可能出现的问题之间建立关联,因此能够增加在提交成品进行最终测试之前确定和修复问题的机率。

– 配备完整 EMI 测量应用软件的信号分析仪:这套方案可以进行全面的兼容性测试,包括针对合规极限线自动执行测试。还可以配置测量裕量,以确保可靠的兼容性。通常来说,这些应用还会创建一个非兼容辐射数据库,以便在修复和进一步测试时方便调用,并且提升再测试的效率。这些应用软件还提供专用的显示格式,包括有利于进行辐射与时间分析的带状图模式(图 9)。

图 9. 信号分析仪 EMI 测量软件中的专用 EMI 显示屏经过定制,可以在单个界面上显示相关数据。频谱显示屏突出显示了不合规的信号,详细信息在其下方的表格中列出。另外,还对从多个检波器测得的信号幅度用不同的颜色进行了显示。

– 近场探头:此类诊断附件可协助进行预兼容性测试,对于故障排除和设计验证最为有用。它们通常用于追踪 PC 板、模块、电路、甚至是具体器件的辐射。与信号分析仪相同,近场探头也需要借助工程师的经验来查找和解决问题,从而锁定目标,搜索异常信号。

– 小型防护罩或半消声外壳:这些独立的环境信号来自于不良辐射,因而能够破解 EMI 测试中一个最棘手的问题。现实中,天线的连接通常包含一组信号,其中有一部分会随时间大幅变化。现代实验室环境中含有许多其他的辐射源,在测试、查找、追踪或消除它们的过程中,这种外壳可以帮助减轻繁重的负担。(对节省的时间来讲,相关费用也比较合理;即使是小型实验室也不例外。另外如果条件允许,也可以考虑开放测试范围)

在确保信号质量的同时优化功耗

传统的移动设备需要频繁充电,要让客户满意并在竞争中脱颖而出,就会涉及到功率管理的优化。因此,电源的物理尺寸和重量必须符合设计目标。

大多数便携式设备采用可充电电池供电,由于容量有限,因而就产生了低功耗的要求。特别是,电池和功率转换器通常具有较大的输出电阻和有限的动态功率性能(表现为电压或电流转换速率)。标准的实验室电源容量更大,但会掩盖可能存在的问题。

电池、电源和/或功率转换器都有其自身的局限性,因而在瞬时和总功率与射频性能之间就形成了一种折中。这种折中对于它们的功能性和竞争能力极为重要。例如,设备的尺寸、重量、电池寿命会驱动客户偏好,从而成为能否在竞争中胜出的关键。

在一个快速增长的领域还有特殊的挑战:物联网(IoT)设备,尤其是那些间歇性与主机或其他设备交换小数据的设备。这些设备通常采用小型的原电池供电,而不是使用可充电电池或 AC 电源,电池更换周期长达数月或数年。家用设备的例子包括恒温控制器、运动传感器、照明开关和报警传感器。

低功耗在实际运行中的至关重要。然而,射频工程师还面临由超低功率静态模式带来的另一层挑战。了解静态功耗以及管理睡眠状态与实际运行之间的过渡,对于实现极长的维护或更换间隔的客户期待至关重要。

把握功耗中的权衡

实现可靠、高功效运行,尤其在低功率电平或极低功率电平下,需要更多工程方面的权衡和进行相关测试。无论您关注的是设备还是子系统,都要以了解其实际功耗为起点。而结合了多个直流电源和详细功率测量的直流功率分析仪是一个非常便捷的解决方案(图 10)。这款相对较新的产品更容易让我们了解功耗的细节(图 11)。

图 10. 直流功率分析仪正在进行动态功耗分析,以便详细了解电池消耗和电源需求。

图 11. 示波器视图(左侧)显示的是 30 毫秒的动态电流消耗,数字记录器视图(右侧)显示的是 30 秒的动态电流消耗。此类测量有助于更全面地了解设备或子系统的真实功率需求。

与功耗相关的挑战分为长期和短期两种,两种都必须得到解决。功率分析仪的各种时域(示波器)测量有助于了解电能需量变化,尤其是了解会快速消耗设备电能的峰值功率。从另一个角度来看,数据记录器或带状图可以显示较长时间内(通常是几秒或几分钟)的功率需求。在设计电源、转换器和电池时,表征整体功耗通常需要这些测量。这些测量还有助于了解(例如)有具体热预算的子系统或组件的功耗。

评估电压和电流曲线

基于上面的介绍,下一步就是如何进行权衡,以便用最小的空间和成本进行充足的供电。相关工具包括这样的电源,它必须能够精确地提供具有一定限制的功率输出,以便满足实际需要(图 12)。这些电源允许工程师在裕量方面做出权衡,确保足够的性能,并且不会让电源尺寸过大。

图 12. 是德科技的低噪声电源可以仿真许多电源的直流电压和电流的输出特性,从而在有限的功率条件下洞察真实情况。

等产品提供真实的输出仿真,包括可编程的输出电阻、极低的电流值和极低的噪声。这些电源可以在电压/电流仿真模式下运行,对于为 ADC、DAC、RFIC、VCO 传感器/转换器和晶体振荡器供电十分有用。仿真模式可以借助电压/电流点图进行配置;完成配置之后能够仿真太阳能电池等设备。

测量和分析极低的电流电平

在便携式设备中,若要以极低的功率实现扩展操作,可能会需要某种形式的功率调度,以避免瞬时数字和射频活动造成过大的功率需求。为了表征这种情形,就会用到能够在宽带宽条件下测量低电流的仪器,还要结合使用外部电源或系统自己的电源。仪正是适合这种情形的仪器,它是直流功率测量中另一种相对较新的解决方案。该分析仪通常会与适用于被测电路的模拟探头配合使用;它也可以配备数字探头,以便协调测量功率和器件控制活动(图 13)。

图 13. 器件电流波形分析仪具有模拟和数字输入,可以匹配相应的分析。数据总线状态与电流消耗关联之后可以触发其他测量,比如射频或矢量信号分析仪的相关测量。

在进行上述测量时,分析仪的 200-Mhz 带宽捕获到了可能让电源过载甚至会损坏电路的瞬态电流。数字探测提供测量触发,深度存储器允许在触发以外的其他时间查看捕获的电流波形。

在某些器件中,无论在任何阶段、任何充电状态或设计配置下都可能会影响射频性能。因此,足够的直流功率关系重大。射频功率和失真是系统直流功率限制的逻辑结果,但也存在其他可能的效应,包括更多的调制错误。通过对射频测量、瞬态直流功率和系统数字化操作进行耦合,可以实现强大的优化和故障排除能力。这种能力在发射或接收过渡期间内、在多种无线操作以及繁重的 DSP 活动期间尤为适用。

器件电流波形分析仪针对码型、状态和毛刺进行触发的能力能够很好地匹配的信号捕获、回放和后处理功能。在按顺序进行的通用测量流程中,第一步是从器件电流波形分析仪的触发功能开始的,首先从这里产生外部触发,激活单个测量或通过 进行信号捕获。然后再利用正时延或负时延(前置触发),将电压或功耗测量(以及相关的毛刺或其他问题)与射频功率、频谱或调制质量测量相匹配。


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广州绿测电子科技有限公司(简称:绿测科技)成立于2015年11月,是一家专注于耕耘测试与测量行业的技术开发公司。绿测科技以“工程师的测试管家”的理念向广大客户提供专业的管家服务。绿测科技的研发部及工厂设立于广州番禺区,随着公司业务的发展,先后在广西南宁、深圳、广州南沙、香港等地设立了机构。绿测科技经过深耕测试与测量领域多年,组建了一支经验丰富的团队,可为广大客户提供品质过硬的产品及测试技术服务等支持。

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