無(wú)線(xiàn)/射頻信號

無(wú)線(xiàn)信號鏈

無(wú)線(xiàn)信號是如今的許多嵌入式系統中必備的部分，移動(dòng)終端的制造商正在討論媒體匯聚，消費者可以在筆記本、移動(dòng)電話(huà)、便攜式數字電視或者PDA進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)瀏覽或者觀(guān)看賽事實(shí)況。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，各種媒體內容都被“翻譯”成為無(wú)線(xiàn)信號。然而，媒體匯聚其實(shí)是無(wú)數種復雜的技術(shù)的先驅?zhuān)热缯f(shuō)增強的數據壓縮（編解碼）、互操作性、射頻傳輸和干擾處理。無(wú)數其他的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，比如大量的國際標準和媒體格式，都應得到大書(shū)特書(shū)。但這個(gè)章節，對于信號完整性設計來(lái)說(shuō)，我們無(wú)需考慮媒體、標準，和那些各種無(wú)線(xiàn)傳輸的特性，只關(guān)注測試和分析無(wú)線(xiàn)信號。無(wú)線(xiàn)信號和頻譜的分析是各種專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的手法，并且更應該在無(wú)線(xiàn)的教科書(shū)中出現。

并且，因為無(wú)線(xiàn)系統在嵌入式系統設計中越來(lái)越流行，新的無(wú)線(xiàn)標準也在采用，在這些無(wú)線(xiàn)環(huán)境中信號完整性工程應該得到重視。因此，這本書(shū)如果不討論現代無(wú)線(xiàn)信號和它們的測試，那將是不完整的。所以，本章節旨在幫助你理解無(wú)線(xiàn)信號測試的新技術(shù)，本章節同時(shí)提供一些在現代無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)測試儀器的討論也加入到關(guān)于廣泛的SI書(shū)籍里面一直是受到爭議的。然而，這個(gè)話(huà)題也是直接坦白的，因為頻譜分析儀(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(wú)線(xiàn)系統和器件的設計中是占有統治地位的。另外，頻譜分析目前在從低功耗射頻識別(RFID)系統到高功率雷達和RF發(fā)射機系統等領(lǐng)域的研究和開(kāi)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(xiě)下并傳播信息。RF載波可以通過(guò)改變幅度和相位傳遞信息，這也就是所謂的調制。舉例來(lái)說(shuō)，我們一般討論調幅（AM）和調頻（FM），不過(guò)書(shū)面上，頻率調制FM是相位調制（PM）的一種形式。AM和PM的結合形成了目前的無(wú)數種調制方式，比如正交相移鍵控（QPSK），是一種數字調制方式，各符號位呈90度的相位差。正交幅度調制（QAM）是廣泛應用的調制方式，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)。其他更加復雜的調制方式比如說(shuō)正交頻分復用（OFDM）也可以分解出幅度和相位分量。無(wú)線(xiàn)系統提供的基本的訊息為調制一個(gè)載波信號的方法提供了全面的實(shí)例。為了理解調制，一張實(shí)例圖可能比千言萬(wàn)語(yǔ)更有效。

然而，要理解無(wú)線(xiàn)載波的數字調制，必須熟悉用向量來(lái)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(cháng)度和角度來(lái)表示。

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

圖1

圖2

比如，AM調制信號就可以用I和Q分量來(lái)表示，這就需要計算載波瞬時(shí)的I、Q幅度，每個(gè)瞬時(shí)值被表述為數字并記錄在存儲器上，最后存儲的數據（幅度值）就給出了原始調制信號的表述。然而，PM調制沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，它還包括相位的信息，計算I、Q值并存儲后，然后執行三角運算來(lái)糾正所有的數據，所得到的數據就是原始的調制信號。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坐標來(lái)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(huà)和其他無(wú)數的無(wú)線(xiàn)系統在現代世界中進(jìn)行了延伸，在這個(gè)世界中無(wú)線(xiàn)干擾無(wú)處不在。諸如移動(dòng)電話(huà)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(huà)和其他無(wú)線(xiàn)設備制造商需要在法律上遵守頻帶的規范。設計這些設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(wú)線(xiàn)系統更加具備設計挑戰。一些設計相對簡(jiǎn)單的無(wú)授權頻段的無(wú)線(xiàn)設備同樣需要有效處理干擾的問(wèn)題。

政府的規范一般會(huì )要求這些無(wú)授權頻帶設備只能進(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(wú)線(xiàn)信號對與SI設計來(lái)說(shuō)是非常有意義的工作。