無(wú)線(xiàn)頻譜分析儀的特性

　　無(wú)線(xiàn)設備在工作時(shí)可能會(huì )出現周期性地掛起，干擾其他消費電子產(chǎn)品的工作（例如電臺），或者無(wú)法完全發(fā)揮應有的功能，這些問(wèn)題都會(huì )使消費者對它的技術(shù)水平和相應的產(chǎn)品供應商喪失信心。

　　為了避免這種糟糕的情況，選擇一種能夠滿(mǎn)足當今無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品設計與調試需求的高性能頻譜分析儀是至關(guān)重要的，這種頻譜分析儀不僅要能夠檢驗產(chǎn)品的真實(shí)性能，也要能夠檢測高度集成的無(wú)線(xiàn)發(fā)射器的功能。

　　1 無(wú)線(xiàn)技術(shù)的挑戰

　　在過(guò)去幾年中，用戶(hù)所接觸的產(chǎn)品功能越來(lái)越強大，其目的在于在移動(dòng)電話(huà)這種單一設備中集成多種方便實(shí)用的技術(shù)，從而增強用戶(hù)的多功能體驗。新的高速數據技術(shù)，例如HSDPA/HSUPA和A版本的1xEV-DO，能夠為用戶(hù)提供更強大的功能，例如廣播視頻和高速E-mail等。而且，諸如衛星與地球視頻廣播、UWB和WLAN等技術(shù)也將集成到移動(dòng)手持式設備之中。

　　這種多功能集成的趨勢為設計者提出了兩大嚴峻的挑戰：處理快速變化的帶寬分配需求，以及對高度集成的系統中發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行隔離。今天，大多數標準只需要在固定操作狀態(tài)下進(jìn)行無(wú)線(xiàn)發(fā)射器測試。但是，從本質(zhì)上來(lái)看，高速數據服務(wù)的用戶(hù)模型（例如高速上網(wǎng)、收發(fā)E-mail和周期性的下載等）所需的帶寬是隨需求而實(shí)時(shí)變化的。

　　如果信號的峰值功耗與平均功耗的比值變化較大，這種瞬時(shí)的帶寬變化將會(huì )帶來(lái)更大的挑戰。當其他的無(wú)線(xiàn)技術(shù)引起瞬時(shí)的電池消耗，或者當帶外發(fā)送的信號干擾了靈敏接收機的工作時(shí)，就會(huì )出現上述的問(wèn)題。

　　假設某個(gè)用戶(hù)希望通過(guò)移動(dòng)電話(huà)通話(huà)，接通數據下載文件，利用UWB發(fā)送該文件到某個(gè)存儲設備，同時(shí)通過(guò)連續視頻服務(wù)觀(guān)看世界杯，那么設計者如何確保這些功能都能夠實(shí)現？要想完整地測試多功能集成的設備，設計者必須超越技術(shù)標準的局限，針對設備的實(shí)際工作與性能要求進(jìn)行測試。

　　設計者所面臨的另一個(gè)挑戰就是：隨著(zhù)設備集成度的提高，檢測無(wú)線(xiàn)發(fā)射器的問(wèn)題變得越來(lái)越困難。要想在頻域、時(shí)域和數字域中同時(shí)觀(guān)察某個(gè)信號路徑，可能需要多種測試儀器，因此要想把硬件和軟件的問(wèn)題隔離開(kāi)就變得越來(lái)越困難。在多種儀器之間以及在整個(gè)信號路徑上將信號事件之間的時(shí)間關(guān)系關(guān)聯(lián)起來(lái)，這種測試功能已經(jīng)成為調試現代無(wú)線(xiàn)設計所必不可少的一部分。

　　不論頻譜分析儀、示波器和邏輯分析儀的存儲容量有多少，它們存儲事件的能力都是有限的。因此當我們需要在多個(gè)儀器之間關(guān)聯(lián)某個(gè)信號事件的時(shí)候，必須在存儲器存滿(mǎn)之前，在該事件發(fā)生時(shí)實(shí)時(shí)地隔離出所關(guān)注的信號。否則，要想在多個(gè)域之間截取某個(gè)隨時(shí)間變化的問(wèn)題幾乎是不可能的。

　　實(shí)現這一功能的關(guān)鍵在于事件的觸發(fā)方式，以及以較低的延遲交叉觸發(fā)其他儀器的能力。

　　2 傳統工具的局限

　　對偽事件進(jìn)行觸發(fā)、跨測試環(huán)境捕捉事件數據、分析與時(shí)間相關(guān)的數據，這些功能都是查找先進(jìn)無(wú)線(xiàn)設備問(wèn)題根本來(lái)源的必要需求。隨著(zhù)過(guò)去幾年的發(fā)展，頻譜分析儀已經(jīng)成為分析射頻傳輸特性的主要工具，選擇合適的工具能夠加快無(wú)線(xiàn)設計者的開(kāi)發(fā)速度，提高開(kāi)發(fā)能力。

　　基站多載波放大器和其他一些高性能無(wú)線(xiàn)發(fā)射器能夠利用掃頻式調諧頻譜分析儀的功能，對高動(dòng)態(tài)范圍內（high-dynamic-range）的信號進(jìn)行測量。最近，人們推出了矢量信號分析儀，從而使用戶(hù)能夠針對調制信號分析發(fā)射器的性能特征。在某些情況下，這兩類(lèi)分析儀可以結合起來(lái)使用，用戶(hù)利用一套儀器不但可以觀(guān)察到高動(dòng)態(tài)范圍的信號（頻譜分析），還可以觀(guān)察到信號的調制狀態(tài)（矢量分析）。但不幸的是，用戶(hù)無(wú)法同時(shí)觀(guān)察到這兩種信號。

　　早期設計的測試工具中采用的多載波放大器（MCPA）效率較低，無(wú)法傳輸1xEV-DO和HSDPA這樣的突發(fā)載波信號。這類(lèi)老式的MCPA正在被采用最新線(xiàn)性化技術(shù)（例如數字預矯正）的新型MCPA器件所取代。由于采用了先進(jìn)的DSP以及較高數據速率的D/A轉換器，數字預矯正線(xiàn)性化技術(shù)能夠大大提高功放的效率，降低實(shí)現所需的成本。

　　掃頻式頻譜分析儀或矢量信號分析儀能夠根據技術(shù)標準驗證MCPA的頻譜和調制性能，但是它們無(wú)法超越技術(shù)標準的限制，解釋實(shí)際條件下的器件特性?，F代無(wú)線(xiàn)器件的實(shí)際操作要求高速數據通道要具有針對預期的用戶(hù)使用模式的特性。

　　掃頻式調諧頻譜分析儀和矢量信號分析儀的架構都限制了它們檢測瞬態(tài)事件的能力。捕捉頻譜事件的概率取決于掃描的速度、量化范圍以及對蹤跡信息（trace information）的后續處理。掃頻調諧式分析儀沒(méi)有矢量存儲器，通常只記錄最小、最大和平均功耗。盡管矢量信號分析儀具有矢量蹤跡存儲器（vector trace memory），但是它后期捕捉信號處理的速度較慢，無(wú)法完成連續的信號分析任務(wù)。

　　因此，兩種工具捕捉短暫瞬態(tài)事件的概率都遠遠小于10%。即使它們能夠捕捉這種事件，信息處理帶來(lái)的延遲也無(wú)法在真實(shí)的事件發(fā)生時(shí)有效觸發(fā)發(fā)射器鏈路上的其他儀器。

　　3 實(shí)時(shí)頻譜分析儀的新特性

　　顯然，為了應對實(shí)際操作條件下的挑戰，分析儀必須能夠對頻域事件進(jìn)行觸發(fā)，并交叉觸發(fā)多個(gè)儀器。無(wú)線(xiàn)通信信號的突發(fā)特性，以及在無(wú)線(xiàn)設備中集成復雜的線(xiàn)性化技術(shù)都可能引起頻譜紊亂，因此對這種事件的觸發(fā)功能是極其重要的。

　　實(shí)時(shí)頻譜分析儀的架構決定了它們具有執行實(shí)時(shí)FFT分析所需的計算速度，能夠利用計算結果在頻譜事件發(fā)生時(shí)進(jìn)行觸發(fā)，并以很高的置信度將它們捕捉到存儲器中。在實(shí)時(shí)處理以及捕捉信號之前，實(shí)時(shí)頻譜分析儀能夠將時(shí)域采樣的數據轉換到頻域上，從而在捕捉到存儲器中或者觸發(fā)某個(gè)外部事件之前，對信號頻譜進(jìn)行預先分析。因此，實(shí)時(shí)頻譜分析儀能夠預先查看信號，并可以設置為只對所關(guān)心的頻譜事件進(jìn)行觸發(fā)。

　　基于DSP的設備在現代無(wú)線(xiàn)設備的信號控制和頻譜整形中扮演著(zhù)極為重要的角色，這類(lèi)設備的測試需求給人們提出了巨大的測試挑戰，因為它們將原來(lái)由硬件實(shí)現的功能（很容易利用儀器來(lái)表征）轉換為軟件來(lái)實(shí)現。當不與時(shí)鐘采樣同步的增益變換、信號濾波和校正因數被放大時(shí)，它們本身就表現為頻譜紊亂（spectrum violations）（如圖1所示）。這類(lèi)事件可能會(huì )引起頻譜發(fā)射的失效，或者接收器的干擾。

圖1 實(shí)時(shí)頻譜分析儀能夠快速檢測頻譜紊亂（例如圖中右邊）

　　其中左邊相信的頻譜由于受基帶瞬態(tài)事件的影響而增大了幾個(gè)dB。

　　進(jìn)一步來(lái)看，頻率屏蔽觸發(fā)器（FMT）使得實(shí)時(shí)頻譜分析儀能夠檢測并觸發(fā)頻譜中比最大信號電平小100萬(wàn)倍的信號。由于具有在12μs以?xún)葓绦?024點(diǎn)FFT所需的計算速度，實(shí)時(shí)頻譜分析儀能夠以100％的概率完成事件捕捉，這是其他分析儀所望塵莫及的。

　　當出現紊亂時(shí)，FMT不僅能夠觸發(fā)內部存儲器捕捉事件進(jìn)行分析，而且能夠同時(shí)發(fā)出一次事件觸發(fā)給示波器，進(jìn)而觸發(fā)邏輯分析儀。然后，示波器和邏輯分析儀可以顯示出待測設備的時(shí)域和邏輯信號的同步和時(shí)間關(guān)系。這樣，我們就捕捉了完整的事件，并能夠在實(shí)時(shí)頻譜分析儀（頻域）、示波器（時(shí)域）和邏輯分析儀（數字域）中進(jìn)行各個(gè)域之間的交叉分析。這樣，不論是硬件問(wèn)題還是軟件問(wèn)題，測試人員都可以找出問(wèn)題的根本來(lái)源，不必再胡亂猜測了。