實時頻譜分析儀幫助排除無線電鏈路故障

在過去的十年中，全世界無線發(fā)射器的數量急劇增加。物聯網（IoT）推動了對低成本，易于實現的芯片組的需求，以實現無線連接。藍牙、ZigBee和WiFi（802.11）等無線技術使連接無處不在，家庭、車輛和企業(yè)中廣泛使用。這些技術擁有不斷更新完善的標準，也無需無線頻譜牌照許可，而且還有參考設計已經獲得監(jiān)管部門的批準，因而被工程師廣泛采用。

毋庸置疑，2.4 GHz中的頻譜是這些無需牌照的經濟型應用最流行的工作區(qū)域。為促進頻譜共享，無線標準必須采用先進的硬件和軟件功能，包括時域多址、空閑信道評估、自適應頻率控制等。工程師發(fā)現，即使他們使用“經過認證的”解決方案，他們在建立無線電鏈路和保持通信方面仍然面臨許多問題。

隨著物聯網技術的飛速發(fā)展，問題只會越來越嚴重，將有越來越多的信號要爭奪頻譜空間。甚至有人把 IoT重命名為“物擾（Interference of Things）”，這個說法并非濫用。雖然物聯網在實踐中可以共享無需牌照的頻譜，而它帶來的挑戰(zhàn)確實不可小覷。物聯網在數量龐大的電子設備中，比如智能系統(tǒng)、汽車及各類家電，增加了非常復雜的RF控制芯片。每臺設備都可能會產生更多的噪聲和干擾。盡管設計工程師可以在產品中增加額外的屏蔽及其他降噪功能來降低噪聲數量，但這會提高消費者承擔的成本，而且信道數量相對很少，很難應付數量無窮無盡的電子設備。

解決這些問題的另一個挑戰(zhàn)是沒有完善的系統(tǒng)來檢測噪音。與郊區(qū)或鄉(xiāng)村相比，嘗試在城市中找到問題尤其困難，因為使用的電子設備實在太多了。此外，噪聲會隨著各種問題而變化，比如位置和天氣，這使問題變得更加復雜。物擾已經成為一個挑戰(zhàn)，而且隨著時間推移，必然會日益變糟。

表征無線鏈路

調試和表征無線連接要求一些基礎知識，必需了解分析的無線電類型，包括：

工作的頻率或信道，以便了解查找頻譜中的哪些頻段。

無線連接類型(藍牙、WiFi、Zigbee、NFC)，以便確定預計是哪類頻譜簽名。這還會表明特殊模式，如TDMA、跳頻、FDMA操作等。

發(fā)射機功率電平，這可以了解預計的干擾水平。

最低接收機靈敏度，這指明了接收機對干擾信號的靈敏程度。

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線鏈路，表征RF環(huán)境。頻譜分析儀是在無線頻譜中進行測量時必備的工具。圖1是傳統(tǒng)掃頻分析儀簡化的方框圖，可供參考。

圖1: 這是傳統(tǒng)掃頻分析儀簡化的方框圖。

超外差頻譜分析儀(SA)已經使用了許多年。使用這類儀器的挑戰(zhàn)在于其工作的“掃頻”特點。頻譜畫面上測量的東西在時間上不連貫，可能無法準確地表示頻譜信息(特別是對TDMA信號)。即使是最快速的掃頻分析儀，在查看采用跳頻技術的發(fā)射機時，能力也是有限的。除基本頻率相對于幅度關系畫面外，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得出，因此在本質上，定時信息只能近似于脈沖式或頻率捷變發(fā)射機中可能發(fā)生的情況。

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

圖2: 這是基本實時頻譜分析儀的方框圖。

RTSA和基本信號分析儀之間的主要差異之一是RTSA帶寬指標。對最大實時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也不限于一次一個畫面。它可以同時分析頻譜、三維頻譜圖和調制信息，因為這些信息來自連續(xù)采集，所以這些信息實現了時間相關。

RTSA特別適合分析采用TDMA協議的系統(tǒng)，比如WiFi、藍牙、ASK/FSK。對使用無需牌照的頻段的設備來說，最大的問題之一是管理共享相同頻譜的多臺收發(fā)機所產生的效應。幾乎所有法規(guī)都要求，在無需牌照的頻段中工作的設備不能產生干擾，且必須接受存在的任何干擾。RTSA特別適合量化干擾效應，因為它能夠連續(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)記錄頻譜數據及整個RF環(huán)境隨時間變化。其他主要功能包括時間、頻率和幅度觸發(fā)及時域、頻域和調制測量相關。

圖3是實時頻譜分析儀的數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于幅度關系信息。此外，畫面中的像素增加了顏色，告訴我們RF能量在該像素下測量的頻次(像素占用度)。通過數字熒光頻譜測量，用戶可以指定衰落功能，提供一種熒光效應，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，顯示了信號在關心的頻段中實際被測量的頻次。

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

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

三維頻譜圖測量正是為解決這類問題而設計的。與頻譜顯示一樣，它在左側顯示低頻率，在右側顯示高頻率。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于Y軸的時間繪制。三維頻譜圖本質上是一種條碼記錄儀，顯示了頻譜活動隨時間變化。

在掃頻分析儀中，這種三維頻譜圖在時間上是不連貫的，因為儀器正在掃描頻率。分析儀掃描頻率，意味著頻寬左側的軌跡點發(fā)生的時間要早于右側的軌跡點。因此，掃頻分析儀捕獲的三維頻譜圖中沒有時序關系。

但是，RTSA創(chuàng)建的三維頻譜圖由連續(xù)記錄的頻譜數據構成，而不是掃描。RTSA還有一個好處是整域相關，所以三維頻譜圖中的信息可以直接與其他測量相關，比如調制、功率、CCDF。

圖4是數字熒光顯示及三維頻譜圖實例。本例中的數字熒光顯示畫面顯示了存在的信號的大量細節(jié)。畫面中心是較弱的寬帶信號，其波峰因數很大?？紤]到顏色很亮或“很暖”，這個信號的信道占用度很高(接近連續(xù))。畫面中還可以看到一個Wi-Fi信號，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信號，頻率和功率各異?？紤]到頻譜形狀和使用的頻率，這些信號可能來自藍牙設備。

圖4: RTSA實現了整域相關，左面三維頻譜圖中的信息可以與其他測量直接相關。

盡管許多不同的服務采用上面測量的頻譜，但這些信號是時間交織的，因此使用有源頻譜共享技術時，鏈路質量沒有損耗或幾乎沒有損耗。日常頻譜分析日益要求實時頻譜分析儀技術，來檢驗鏈路的工作方式是否達到預期。在歷史上，RTSA一直局限于小眾應用，而現代無線設計明確需要實時頻譜分析的處理能力和靈活度，來調試系統(tǒng)級問題，表征工作模式。