2021年03月11日 | 射频技术秘籍 - 射频技术升级

作为一名工程师，您需要充分发挥射频技术的效能。用户体验非常关键，并且用户的期望值也较高。那么，如何才能充分发挥射频技术的效能？

如今，市场对无线数据的需求日益增多，数据用户数量也在不断增长，但可用的频谱却有限。您可以通过采用复杂的协议和物理层来尽可能地提高频谱效率，以应对用户数量的增长。但是，随着无线设备的增多，射频工程师必定会遇到干扰问题，这也将成为日益严峻的挑战。

由于存在各种干扰、电池电量限制，同时还要符合各种标准和不断变更的监管规定，所以传输如此庞大的数据绝非易事，但您可以做到。在用户看来，这简直就像是一种魔法。下面，您将了解如何充分发挥射频收发信机的效能。

射频测试让梦想变为现实

无线测试对于丰富多样且数量不断增多的互联技术至关重要。

那么，您如何查明收发信机是否正常工作？为了验证当今复杂的调制方案是否正常工作、是否与其他调制方案共存，您必须进行测试。无线测试对于丰富多样且数量不断增多的互联技术至关重要。当然，这种测试非常复杂。测试必须精准、可靠、高效，而且在不同地点、不同开发阶段以及收发信机框图中的不同阶段，测试获得的结果也要一致且可重复。测试设置和测试算法非常重要。尽早发现问题，对于满足开发成本目标、抓住市场时机至关重要。

很多商业无线物理层都遵循同一个性能标准，以便确保各厂商产品之间的互操作性。这些无线标准非常复杂并且还在不断演进。虽然充满挑战，但您必须要不断努力，达到最新标准的要求。测试工具一定要以可靠的测量专业技术为基础精心打造，这样，您就可以集中精力关注工程实施，从而充分发掘先进射频技术的效能。

射频技术秘籍 1 - 射频频谱和功率

在适合的时间使用适合的功率

射频功率非常关键。如果功率太高或太低，或者在错误的时间出现射频功率，那么收发信机的效率将会降低，甚至变得无效或不能工作。射频功率决定了信号可以发射的距离，并且对电池使用寿命也有很大影响。因此，合理使用射频功率是关键。

监管法规和标准要求对可以发射的最高功率做出了限制，但在限制范围内，还有很大的空间供射频技术发挥潜力。

为了高效共享有限的频谱，大部分数字调制信号都在某种程度上进行了脉冲化处理或帧化处理。此外，在单个猝发脉冲或帧内，功率也经常会变化，目的是为了支持接收机的同步和均衡工作。

这方面的例子包括前导序列或训练序列，或者是使用时分多路复用的时候。因此，执行射频功率测量的时机非常重要。此外，无线系统中的很多射频信号都跟噪声差不多，因此必须在一定程度上平均分布功率，并在整个频段或信道内测量。

执行射频功率测量的时机 非常重要。

图 1.1：包含 8 个时隙的 TDMA 制式信号（在本例中，为 GSM）；时隙 0“关闭”。

图 1.2：使用时间选通查看 GSM 时隙 3 的频谱。

由于信号结构复杂，射频功率的测量需要严格按照无线标准进行。标准中可能会从载波群、调制类型或在训练序列上触发等特定方面对射频功率测量做出规定。在某些射频功率测量中，时间选通必须与帧前导码中的特定符号或帧数据部分中的符号一致。此时，选通频谱测量非常重要，因为选通游标只能选择帧的指定部分进行分析，并不会分析其余部分。同样的，频段功率游标可以隔离频域中的信号，一般是隔离单个信号的功率、信号的某个部分或特定频段内的功率。频率扫描和测量方法可能会非常复杂，并且越来越难以手动设置。

图 1.3：在现代无线系统中，当配置中包含累积的 ACLR 时，由于使用了非连续载波聚合，所以 ACPR/ACLR 测量设置可能会非常复杂。

使用符合标准的测量应用程序是一种可靠且一致的方式，可满足标准或惯例要求，确保顺利完成测量。

图 1.4：LTE 信号频谱图，通过对有重叠的连续信号采集结果进行后期处理而得到。符号之间转换点处的频谱扩展使您无需对符号解调，即可看到符号时序和子载波的变化。

尽管如此复杂，我们最终还是能使用射频信号。在查看系统内的各个信号（如 LO）是否正确时，真实可靠的功率计可能是您首先使用的工具。接下来，您需要使用信号分析仪来进行一系列基本射频功率测量（如失真度测量和信道功率测量），以及更为复杂的特定标准射频功率测量。如果要在射频系统中存在其他信号的情况下测量小信号，信号分析仪也可以发挥重要作用。许多因素都可能造成这种状况。您可能要尝试在有干扰或噪声的情况下测量信号。常见的例子就是测量多个信道中的某一个信道。通过调除其他信号和宽带噪声，信号分析仪能够让您看到更接近于本底噪声的信号。当您尝试测量同一频率范围内相对其他信号较小的信号时，您就需要一台信号分析仪。

图 1.5：很多功率计都可以选择时序参数，测量不同时间点的功率。这是使用猝发脉冲平均功率设置，对 LTE 信号的一个子帧进行的测量。

正确执行射频功率测量的关键步骤

1. 首先，应选择一台精度较高、频率范围与信号源对应的功率计。使用可互换的功率传感器，这可以让功率计在保持良好阻抗匹配的同时，具有特别宽的频率范围，从而提高测量精度。选择能够测量峰值功率的功率计与功率传感器组合，以测量随时间变化的信号的特性、动态参数、热现象或电源相关效应。

2. 使用信号分析仪进行频率选择性测量。

首先进行基本的射频测量，如失真度测量和信道功率测量。然后执行特定标准的射频功率测量，以进行选通频谱和频段功率测量。选择一台内置有这些测量功能（通用射频功率测量软件或特定标准测量软件）的信号分析仪。

此外，脉冲信号可能存在瞬态效应和漂移的问题，尤其是在高频射频和微波系统内，此类系统的物理器件尺寸通常较小，因此热时间常数也较短。瞬态效应对于使用数字预失真技术的系统也非常重要。在这些情况下，矢量、解调以及信号记录/回放工具可能非常有用。

射频技术秘籍 2 - 射频干扰

射频干扰无处不在

当今的无线收发信机面临着无处不在的射频干扰。只有可靠地传输数据才能让用户满意；了解各种类型的干扰对于传输数据非常重要。

干扰是不可避免的。尤其是在免许可的频谱中，如工业、科学及医疗（ISM）频段，都将会遇到干扰。由于一台设备中存在多个无线器件，因此自相干扰的可能性也值得关注。作为一名工程师，您的工作是开发出一台优质的收发信机，它能够抵抗无处不在的干扰并始终可靠的工作。为此，您需要了解各种干扰并做出合理应对。这可能意味着要找出并消除干扰。还可能意味着要选择一种能够抵抗大部分常见干扰的调制方案及相关协议。

图 2.1：本频谱图显示了信号概况及其在间隔大约为 26 ms 的 2.45 GHz ISM 频段中的特性。这种高度重叠的实时测量提供了 WLAN 猝发脉冲、Bluetooth® 跳频以及微波炉泄漏的详细视图。

由于干扰无处不在，因此业界已经设计发明了很多方法，让射频收发信机能够抵抗各种类型的干扰，确保始终可靠。重传信道切换和冲突避免等技术能够在干扰导致传输中断时，保证数据吞吐量。OFDM 或跳频扩频等调制方案能够很好地适应噪声较大的频谱环境，因为它们能够有效地抵抗窄带干扰。此类抗干扰的技巧是射频工程师必须掌握的绝招。

图 2.2：对这个五载波 LTE-Advanced 信号的实时频谱测量同时显示了带内和带外干扰。

为确保数据流动，您需要了解发射机的抗干扰性能以及接收机的响应性能。在开发能够在实际应用中正常工作的收发信机时，生成干扰信号是一个重要方面。您将需要同时考虑连续干扰和随时间变化的干扰，才能确保开发出一款可靠的收发信机。

图 2.3：利用与扫描频谱分析方法相同的设置，实时密度显示视图能够快速呈现此频段的频谱占用详情。

为了探究不同类型干扰的影响，您需要一整套工具。首先，您需要全面了解干扰以及收发信机的性能，以免遭遇意外的干扰，最终让用户失望。有些类型的干扰难以捕捉或者是间歇性地出现。在这种情况下，利用频谱图显示、快速扫描、实时频谱分析（RTSA）以及记录/回放功能将极为明智。

图 2.4：本实时数据的频谱图显示了时间信息而非密度信息，从而更清晰地显示出信号特性随时间的变化。

侦测干扰的关键步骤

1. 通过复杂的调制和复杂的协议来生成真实信号 — 其中同时包括符合标准的信号和干扰信号。射频信号发生器可以取代振荡器和合成器，它能够产生各种连续波和调制干扰信号及闭锁信号。选择具有以下特性的信号发生器：能够生成符合标准的信号；内置矢量任意波形发生器、深存储器以及宽调制带宽。

2. 分析干扰信号：无论是内部产生的干扰，还是来自被测器件（DUT）外部的干扰。选择具有快速扫描、频谱图显示和 RTSA 功能的信号分析仪，提高您发现干扰信号的能力。如果信号分析仪能够升级，您可以在需要时添加新功能。

3. 利用信号记录/回放功能。您可以连续进行信号测量，不断更新测量结果，也可以采用后期处理模式，对通过实时采集操作连续记录下来的数据进行处理和分析。实时采集和后期处理的一个优点就是，能够利用不同测量（包括矢量和调制）反复分析信号，并且无需重新记录，即可使用不同的中心频率和扫宽来重新测量所采集的数据。

利用自身的系统知识将数据汇总，从而对被测器件需要抵抗的干扰有一个更完整的理解。

电磁干扰预兼容： 尽早测试和经常测试

电磁干扰（EMI）是一种特定类型的干扰，自成一类。您最好是尽早了解 EMI 特性，以便在进行故障诊断和优化时，对可能发生的情况有一个清晰的认识。经常测试能够尽量发现各种可能出现的问题，而如今的测试工具能帮助您更早、更好地进行电磁干扰预兼容测试。电磁兼容性（EMC）认证是开发过程的一个环节，但是认证测试结果不能出意外。

图 2.5：进行 EMI 测量时，经常需要扫描和搜索超出限制的信号。

射频技术秘籍 3 - 测量调制和调制分析

以更快的速度传输更多数据

在互联世界中，核心目标就是以更快的速度传输更多数据。 客户无时无刻不在希望扩充信道容量，这样才能为越来越多的、需要大量数据的用户提供他们所需的内容。在这个方面，行业中正在发生很多神奇的进步。

在某些情况下，您可以转移到使用更高的频率，这更容易获得连续频谱。但在大部分情况中，您必须要更充分发掘当前可用频谱的潜力。调制技术如今已更趋成熟，能够在存在干扰和频段拥塞的情况下，可靠地传输大量数据。更密集的星座、更近的载波间隔、更复杂的调制或多路复用方案以及扩容措施（例如 MIMO）等等，这些创新的方法如今已得到越来越普遍的应用，我们正利用它们来更多地发掘固定数量信道的潜力。正交频分多址接入（OFDMA）等技术能够与所有这些要素兼容，并且开始在 802.11 WLAN 和蜂窝通信标准中流行开来。

增加数据吞吐量是先进调制方案的一项重要优势，但并不是唯一的优势。每个传输猝发脉冲中携带的数据越多，意味着功耗和频谱效率更高。最终，通过一个猝发脉冲发送的数据越多，发射机需要工作的时间就越短。这意味着占用信道的时间更短，但电池电量也消耗得更快。

调制质量是一项关键指标；它表征收发信机的理解能力和被理解能力。

更复杂调制方案的优点非常明显；但在设计考量和优化时需要做出一些权衡。这需要进行一些算术运算，以及一个能力足够强的处理器。幸运的是，现代的处理器结构足够紧凑、性能足够强大而且足够节能，能够在手持式设备中执行大量处理工作。

调制质量是收发信机的一个关键指标；它体现了收发信机的理解能力和被理解能力有多强。随着调制方案越来越密集和复杂，器件调制质量的评测当然也变得更加复杂。如今很多调制质量的测量都与时间相关，可能要求仅在特定时间内进行测量，例如仅在数据传输期间或训练序列中进行测量。了解您所实施的无线标准需要何种调制质量测量将非常重要。但是，这些测量的设置往往并不简单。在很多情况中，无线标准都比较复杂，因此很难甚至不可能可靠地手动设置这些调制质量测量。预先配置并经过验证可进行这些测量的测量应用软件是一笔巨大的资产。

图 3.1：这些测量应用软件能够提供复合多测量显示，帮助您更全面地了解信号质量和特性。此 LTE 测量结果屏幕快照中包含星座图、检测到的分配、帧摘要以及总体误差摘要。为了便于优化和故障诊断，测量根据信道类型进行了颜色编码。

对于所有多载波调制类型，误差矢量频谱和误差矢量时间测量均非常有用，并且深受关注。游标耦合是一种进行故障诊断的强大功能，但经常被忽视。使用游标耦合，通常的做法是确定具有异常误差量的信号，然后把游标放到它上面，再把其他测量迹线中的游标与它耦合。这样， 就可以将误差峰值与星座点、幅度值、特定子载波或特殊符号时间关联起来。

图 3.2：Keysight 89600 VSA 软件的频域和时域测量结果组合显示，其中包括带宽游标和猝发脉冲长度游标。下方迹线是信号的对数标度幅度或射频包络，包括垂直选通游标。使用该游标，可以选择指定的时间记录部分，根据该部分计算上方迹线中的频谱。时域迹线还表明所测量的帧比其他帧短。

测量调制质量的关键步骤

1. 首先从频率和时间测量开始，了解相应的基本知识。大部分信号分析仪都无法可靠地解调符号率或带宽错误、频率误差较大、信噪比较差或组帧/时序不当的信号。虽然有时候直接跳到调制质量测量确实很吸引人，但是最好还是要从频谱和射频包络分析开始。验证信号中心频率、带宽和信噪比，以及任何其他时域和频域参数是否符合您的无线标准。

2. 基本的数字调制分析能让您了解元器件或系统的调制质量，并确认是否符合标准。基本数字解调中最常用的显示是：星座图、调制质量汇总表、所传输符号的列表，以及一条或多条指示调制误差的迹线。根据此信息，再结合自己对系统的了解，您可以更清楚地找到产生误差的机制或潜在原因。

3. 先进的数字调制分析是故障诊断必不可少的一个环节。在很多情况下，这些先进方法都是旨在对信号的特定部分或特定方面进行针对性分析，再将不同测量结果关联起来，最终确定问题原因。例如，针对特定载波或载波组的分析，可以隔离频段边缘特定频率的问题，便于比较导频载波和数据载波。特定符号分析通过有意更改符号与脉冲之间的调制类型、间歇性或周期性误码源，最终隔离可能的误差。其他误差源可能包括射频开/关切换、电源、稳定或热效应。

数字解调/调制分析取决于算法，而不同的算法可能对受损害信号产生不同的结果。在整个产品开发过程中使用一致的算法，能够减小这种影响，从而防止浪费时间。

图 3.3：基本解调结果的典型 4 迹线显示包括一幅星座图、一个误差汇总表，以及一条表示误差随时间和/或频率变化的迹线。该星座图是由多个符号、子载波和调制类型分层叠加而成的复合星座图。

射频技术秘籍 4 - 功耗 - 了解静态功耗对于实现长使用寿命至关重要

您可以获得的最长电池使用寿命

很多射频器件都是便携式器件，这意味着它们是由电池供电的。现代的便携式器件一般由可充电电池供电，但是某些专用器件，例如很多 IoT 产品，可能仍在使用传统的原电池。用户希望其器件能够有足够长的充电间隔时间。用户一直都希望电池使用寿命尽可能长。低功率和超低功率器件的功耗、效率以及信号质量的优化面临着多方面的挑战。

电池、电源或电源转换器的限制需要工程师在即时功率、总功率和射频性能之间做出权衡。在不断变化的消费类产品市场上，这些权衡无论是在功能方面还是竞争方面都非常 重要。

工作期间的低功耗是一项基本要求，其他由电池供电的器件也是如此。但是，对于射频工程师（特别是设计 IoT 及类似器件的工程师）而言，由于要实现超低功率静止模式以进一步延长电池使用寿命，因此还面临着其他一些挑战。要想实现较长的充电或电池更换周期，以及管理睡眠状态和工作状态之间的转换，了解静态功耗至关重要。

图 4.1：示波器视图（上）中显示了 30 ms 的电流消耗动态，数据记录仪视图（下）中显示了 30 s 的电流消耗动态。此类测量有助于更全面地了解器件或子系统的真实功率需求。

后期发现的细微问题或瞬变问题可能 在现实应用中造成严重的后果。

务必要尽早了解电池限制对设备的影响，以免将来出现性能问题，到时会更难解决。电源容量、电池使用寿命和电池尺寸是三个重要考量因素。后期发现的微妙问题或瞬变问题可能在现实应用中造成严重的后果。因电池电量导致的射频问题，其后果包括不符合法规要求、用户体验差以及在与同类产品的竞争中落败。

图 4.2：Keysight CX3300 系列器件电流波形分析仪的专用电流传感器能够在不影响低负载电流感应能力的同时，大幅抑制高频电流噪声。这种双通道传感器采用同时双量程视图技术，实现了几乎五个数量级的动态范围。

尽量提高电池使用寿命的关键步骤

1. 选择输出特性能够与实际应用中的电源限制相符的电源。这样就可以帮助您预测由电池供电的器件在实际使用过程中的工作特性，避免产生任何意料之外的问题。使用这些工具尽早验证器件是否正常工作，追踪问题，以及找出可能影响基本设计决策的限制因素。

2. 使用器件电流波形分析仪等工具获得功率消耗的真实测量值。特别要注意动态变化的、超低电流状态和电流转换。

3. 在使用真实供电的最差条件下，对子系统或 DUT 进行四大类测量 —频率、时序、功率、调制质量。

图 4.2：CX3300 器件电流波形分析仪配有模拟输入和数字输入，并能够保证分析结果的一致性。数据总线的状态与电流消耗相关，因此可用于触发其他测量，例如射频信号分析仪上的测量。

取决于您的收发信机和用例，您可能还需要进行实时信号分析或信号采集与回放，以隔离可能很短暂的问题。在很多情况下，您都可以使用触发器将功率波形与数字信号和信号分析仪测量结果联系起来，从而实现跨域关联。

趋势线始终指向上方和右侧，因为用户日益增多，需要的数据也不断增长，但是可用的频谱却是固定的。为此，无线技术正在向更高频率、更大带宽和更复杂调制的方向发展。以创新方式使用当前可用频谱的技术将会继续发展，例如通过载波聚合等技术充分利用频谱中的非连续频段。测试工具也将继续追踪这些发展而推陈出新，使技术梦想变成现实。

调制方案本身并不能解决所有问题。最终，您仍需要更高效地利用可用的频谱。在此方面，多信道调制方案（例如 MIMO）可以发挥作用。幸运的是，如今有各种多信道信号分析仪和信号发生器解决方案可供选用，这些解决方案都采用与单信道解决方案相同的算法，因此您可以继续放心地 使用。

技术上的改进，包括处理器、信号处理以及电池技术，是开发先进解决方案不可或缺的一部分。您的任务是让这些解决方案为您所用。射频工程师将继续站在技术发展的潮头，寻找充分发挥射频技术效能的方法。