實(shí)時(shí)頻譜分析儀幫助排除無(wú)線電鏈路故障

在過(guò)去的十年中，全世界無(wú)線發(fā)射器的數(shù)量急劇增加。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）推動(dòng)了對(duì)低成本，易于實(shí)現(xiàn)的芯片組的需求，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接。藍(lán)牙、ZigBee和WiFi（802.11）等無(wú)線技術(shù)使連接無(wú)處不在，家庭、車輛和企業(yè)中廣泛使用。這些技術(shù)擁有不斷更新完善的標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)需無(wú)線頻譜牌照許可，而且還有參考設(shè)計(jì)已經(jīng)獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)，因而被工程師廣泛采用。

毋庸置疑，2.4 GHz中的頻譜是這些無(wú)需牌照的經(jīng)濟(jì)型應(yīng)用最流行的工作區(qū)域。為促進(jìn)頻譜共享，無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)必須采用先進(jìn)的硬件和軟件功能，包括時(shí)域多址、空閑信道評(píng)估、自適應(yīng)頻率控制等。工程師發(fā)現(xiàn)，即使他們使用“經(jīng)過(guò)認(rèn)證的”解決方案，他們?cè)诮o(wú)線電鏈路和保持通信方面仍然面臨許多問(wèn)題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，問(wèn)題只會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，將有越來(lái)越多的信號(hào)要爭(zhēng)奪頻譜空間。甚至有人把 IoT重命名為“物擾（Interference of Things）”，這個(gè)說(shuō)法并非濫用。雖然物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)踐中可以共享無(wú)需牌照的頻譜，而它帶來(lái)的挑戰(zhàn)確實(shí)不可小覷。物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)量龐大的電子設(shè)備中，比如智能系統(tǒng)、汽車及各類家電，增加了非常復(fù)雜的RF控制芯片。每臺(tái)設(shè)備都可能會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲和干擾。盡管設(shè)計(jì)工程師可以在產(chǎn)品中增加額外的屏蔽及其他降噪功能來(lái)降低噪聲數(shù)量，但這會(huì)提高消費(fèi)者承擔(dān)的成本，而且信道數(shù)量相對(duì)很少，很難應(yīng)付數(shù)量無(wú)窮無(wú)盡的電子設(shè)備。

解決這些問(wèn)題的另一個(gè)挑戰(zhàn)是沒(méi)有完善的系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)噪音。與郊區(qū)或鄉(xiāng)村相比，嘗試在城市中找到問(wèn)題尤其困難，因?yàn)槭褂玫碾娮釉O(shè)備實(shí)在太多了。此外，噪聲會(huì)隨著各種問(wèn)題而變化，比如位置和天氣，這使問(wèn)題變得更加復(fù)雜。物擾已經(jīng)成為一個(gè)挑戰(zhàn)，而且隨著時(shí)間推移，必然會(huì)日益變?cè)恪?/p>

表征無(wú)線鏈路

調(diào)試和表征無(wú)線連接要求一些基礎(chǔ)知識(shí)，必需了解分析的無(wú)線電類型，包括：

工作的頻率或信道，以便了解查找頻譜中的哪些頻段。

無(wú)線連接類型(藍(lán)牙、WiFi、Zigbee、NFC)，以便確定預(yù)計(jì)是哪類頻譜簽名。這還會(huì)表明特殊模式，如TDMA、跳頻、FDMA操作等。

發(fā)射機(jī)功率電平，這可以了解預(yù)計(jì)的干擾水平。

最低接收機(jī)靈敏度，這指明了接收機(jī)對(duì)干擾信號(hào)的靈敏程度。

有了這些信息，我們可以使用頻譜分析儀，在一定程度上了解無(wú)線鏈路，表征RF環(huán)境。頻譜分析儀是在無(wú)線頻譜中進(jìn)行測(cè)量時(shí)必備的工具。圖1是傳統(tǒng)掃頻分析儀簡(jiǎn)化的方框圖，可供參考。

圖1: 這是傳統(tǒng)掃頻分析儀簡(jiǎn)化的方框圖。

超外差頻譜分析儀(SA)已經(jīng)使用了許多年。使用這類儀器的挑戰(zhàn)在于其工作的“掃頻”特點(diǎn)。頻譜畫面上測(cè)量的東西在時(shí)間上不連貫，可能無(wú)法準(zhǔn)確地表示頻譜信息(特別是對(duì)TDMA信號(hào))。即使是最快速的掃頻分析儀，在查看采用跳頻技術(shù)的發(fā)射機(jī)時(shí)，能力也是有限的。除基本頻率相對(duì)于幅度關(guān)系畫面外，某些制造商還提供了三維頻譜圖信息。在掃頻分析儀中，這些信息從多次掃描中推導(dǎo)得出，因此在本質(zhì)上，定時(shí)信息只能近似于脈沖式或頻率捷變發(fā)射機(jī)中可能發(fā)生的情況。

實(shí)時(shí)頻譜分析儀(RTSA)提供的功能基本上與傳統(tǒng)頻譜分析儀相同，只是增加了部分關(guān)鍵功能。圖2是基本實(shí)時(shí)頻譜分析儀的方框圖，可供參考。

圖2: 這是基本實(shí)時(shí)頻譜分析儀的方框圖。

RTSA和基本信號(hào)分析儀之間的主要差異之一是RTSA帶寬指標(biāo)。對(duì)最大實(shí)時(shí)頻寬以下的任何頻寬，RTSA不一定要掃描頻率，但能夠連續(xù)捕獲頻譜信息。RTSA也不限于一次一個(gè)畫面。它可以同時(shí)分析頻譜、三維頻譜圖和調(diào)制信息，因?yàn)檫@些信息來(lái)自連續(xù)采集，所以這些信息實(shí)現(xiàn)了時(shí)間相關(guān)。

RTSA特別適合分析采用TDMA協(xié)議的系統(tǒng)，比如WiFi、藍(lán)牙、ASK/FSK。對(duì)使用無(wú)需牌照的頻段的設(shè)備來(lái)說(shuō)，最大的問(wèn)題之一是管理共享相同頻譜的多臺(tái)收發(fā)機(jī)所產(chǎn)生的效應(yīng)。幾乎所有法規(guī)都要求，在無(wú)需牌照的頻段中工作的設(shè)備不能產(chǎn)生干擾，且必須接受存在的任何干擾。RTSA特別適合量化干擾效應(yīng)，因?yàn)樗軌蜻B續(xù)捕獲頻譜信息。

重要的RTSA功能包括快速頻頻譜速率（每秒采集10,000 ~ 3,000,000次）、能夠連續(xù)記錄頻譜數(shù)據(jù)及整個(gè)RF環(huán)境隨時(shí)間變化。其他主要功能包括時(shí)間、頻率和幅度觸發(fā)及時(shí)域、頻域和調(diào)制測(cè)量相關(guān)。

圖3是實(shí)時(shí)頻譜分析儀的數(shù)字熒光頻譜顯示畫面。與典型頻譜分析儀一樣，畫面顯示了頻率相對(duì)于幅度關(guān)系信息。此外，畫面中的像素增加了顏色，告訴我們RF能量在該像素下測(cè)量的頻次(像素占用度)。通過(guò)數(shù)字熒光頻譜測(cè)量，用戶可以指定衰落功能，提供一種熒光效應(yīng)，模擬基于CRT的示波器中使用的顯示器效果。它在顯示畫面中增加了周期性維度，顯示了信號(hào)在關(guān)心的頻段中實(shí)際被測(cè)量的頻次。

圖3: RTSA的熒光效果模擬基于CRT示波器的效果，可以查看信號(hào)在被測(cè)頻段中被測(cè)量的頻次。

通過(guò)這種形式的實(shí)時(shí)頻譜顯示畫面，我們可以“看到”接收機(jī)“看到”的東西，并且更深入地了解關(guān)心的頻段中具體發(fā)生的情況。但是，它不能提供與干擾信號(hào)的潛在效應(yīng)有關(guān)的足夠信息?；谶@種特點(diǎn)，頻譜顯示畫面并不能顯示信號(hào)的時(shí)間交織。采用“零頻寬”測(cè)量可以提供與脈沖幅度和持續(xù)時(shí)間有關(guān)的足夠細(xì)節(jié)，但沒(méi)有頻率信息。

三維頻譜圖測(cè)量正是為解決這類問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。與頻譜顯示一樣，它在左側(cè)顯示低頻率，在右側(cè)顯示高頻率。與基本頻譜顯示不同，它用顏色表示幅度，所有這些信息都相對(duì)于Y軸的時(shí)間繪制。三維頻譜圖本質(zhì)上是一種條碼記錄儀，顯示了頻譜活動(dòng)隨時(shí)間變化。

在掃頻分析儀中，這種三維頻譜圖在時(shí)間上是不連貫的，因?yàn)閮x器正在掃描頻率。分析儀掃描頻率，意味著頻寬左側(cè)的軌跡點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間要早于右側(cè)的軌跡點(diǎn)。因此，掃頻分析儀捕獲的三維頻譜圖中沒(méi)有時(shí)序關(guān)系。

但是，RTSA創(chuàng)建的三維頻譜圖由連續(xù)記錄的頻譜數(shù)據(jù)構(gòu)成，而不是掃描。RTSA還有一個(gè)好處是整域相關(guān)，所以三維頻譜圖中的信息可以直接與其他測(cè)量相關(guān)，比如調(diào)制、功率、CCDF。

圖4是數(shù)字熒光顯示及三維頻譜圖實(shí)例。本例中的數(shù)字熒光顯示畫面顯示了存在的信號(hào)的大量細(xì)節(jié)。畫面中心是較弱的寬帶信號(hào)，其波峰因數(shù)很大?？紤]到顏色很亮或“很暖”，這個(gè)信號(hào)的信道占用度很高(接近連續(xù))。畫面中還可以看到一個(gè)Wi-Fi信號(hào)，看上去工作頻率在2.437 GHz (WiFi信道6)。畫面中還有另外十幾個(gè)信號(hào)，頻率和功率各異?？紤]到頻譜形狀和使用的頻率，這些信號(hào)可能來(lái)自藍(lán)牙設(shè)備。

圖4: RTSA實(shí)現(xiàn)了整域相關(guān)，左面三維頻譜圖中的信息可以與其他測(cè)量直接相關(guān)。

盡管許多不同的服務(wù)采用上面測(cè)量的頻譜，但這些信號(hào)是時(shí)間交織的，因此使用有源頻譜共享技術(shù)時(shí)，鏈路質(zhì)量沒(méi)有損耗或幾乎沒(méi)有損耗。日常頻譜分析日益要求實(shí)時(shí)頻譜分析儀技術(shù)，來(lái)檢驗(yàn)鏈路的工作方式是否達(dá)到預(yù)期。在歷史上，RTSA一直局限于小眾應(yīng)用，而現(xiàn)代無(wú)線設(shè)計(jì)明確需要實(shí)時(shí)頻譜分析的處理能力和靈活度，來(lái)調(diào)試系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題，表征工作模式。