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徹底解決軟體無線電的故障處理
( 2007年7月1日)
Darren McCarthy, Tektronix
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跟過去頻譜與應用單純的時代相比，目前的射頻(RF)技術的開發必須遷就更多的適應性問題，例如適應擁擠的射頻頻譜、多變的網路條件及改變使用設備等。對於軟體無線電(SDR)而言，這種情況比以往任何時候都更加明顯，需支援動態地控制通訊參數，如所用波段、轉換類型、資料速率和跳頻方案等。
SDR比傳統的射頻技術更具彈性，可重新配置變化環中的高效能設備。另一方面，軟體無線電也產生許多傳統設計中沒有的問題。物理層的大挑戰是，SDR設計中的硬體需要廣泛的敏捷性並且在較寬的工作範圍內具有良好的性能。SDR現在應用於很多領域中，包括3G無線基地台和用戶設備、軍用無線電(如美軍使用的Joint Tactical Radio Service)、陸地行動無線電(如美國的Project 25和歐洲的Project MESA)以及衛星收發器等。
這種等級的彈性和潛力無線電產品，提高了SDR設計的複雜性，而且還需要新的測試方法。除了改變頻率的能力之外，更先進的SDR允許控制轉換速率，混沌跳頻序列、功率級別、編碼方案和通道濾波等。透過資料訊號處理器(DSP)與數位及射頻電路的整合(兩者通常在相同的IC上)動態產生射頻波形，還可能引發有專用型傳統射頻收器機設計沒有的問題。
這種額外的複雜性還改變了射頻測試的性質。SDR收發器的性能必須採用傳統射頻收發器一致性測試以外的方法進行測量。只透過一致性測試並不能保證設備可以正常地工作，也不能保證產品品質。SDR發射器必須符合許多系統的需求，還要包括可預見的未來需求。這些發射器可使用認知智慧動態地適應當前的條件與需求。這些複雜的軟體控制變化通常會造成短時脈衝干擾、間歇干擾、數位與射頻耦合及軟體造成的相位誤差等。
為解決新的暫態和問題，需徹底分析及確定系統同時的時域與頻域特點。當系統參數隨時間變化時，利用數位螢光頻譜，DPX可立即發現反常訊號事件與非線性設備行為，顯示即時的射頻訊號波形。頻率選擇的觸發是確定暫態事件發生的時刻的必要元素，並執行多域，時間關聯的分析來確定每個問題的特殊原因。將整個事件無縫地捕捉到記憶體中，對隨後的深入分析非常重要。這些先進的故障處理方法與傳統靜態一致性測試結合，對全面的SDR測試是非常重要的。
收發器測試
使用SDR收發器為例，發送元件可包括功率放大器、波濤器、混頻器、DAC、振盪器和DSP電路。圖1顯示了簡化的收發器功能模組圖，沒有數位中頻(IF)或數位射頻。注意，圖中的每個模組都可以由軟體進行控制。
檢驗典型SDR收發器的性能需要整合的測試策略，將發射/接收鏈上不同點的測量資料相互關聯起來。例如，間歇訊號可由頻率光罩觸發(Frequency Mask Trigger，FMT)，利用即時訊號分析儀(RTSA)來觸發。RTSA可使用頻率光罩來觸發邏輯分析儀和示波器，允許用戶查看相關訊號的數位和類比屬性。使用這種方式，設計人員可確定是邏輯電路或類比控制電壓中否發生與頻域相關的問題。除了透過觸發技術填補數位/射頻之間的差距之外，RTSA還可以即時分析及顯示訊號域、頻域和轉換域。
穩定狀態的一致性測試
SDR測試包括傳統的發射器測試，每個不同的無線電配置必須符合傳統規範，如佔用頻寬、通道功率和相鄰通道功率等。對於有分時雙工(Time Division Duplexing, TDD)或分時多工(Time Division Multiplexing, TDM)系統的子系統有時序要求，如上升時間和下降時間。對於跳頻系統，可以與鎖相迴路的跳頻系統相關的頻域和時域規範。與傳統收發器不同，SDR設備必須在多種運行模式下通過這些測試。
轉換品質測量也是一致性測量的重要部分。資料轉換的訊號，通常包括誤差向量振幅(EVM)或相關功率(RHO)測量。此外，支援類比模式的SDR設計，必須透過模擬轉換的一致性測試。不良的EVM降低資料速率、影響語音傳輸的解析度及傳輸範圍。EVM測量還可預見潛在發射器問題。因此，EVM是在處理SDR故障時最先檢查的因素。
除了一致性測試，還需要透過工具，採集可能的RF短時脈衝干擾、其它異常和設備隨時間改變。要確定導致問題的原因，必須有全面故障解決策略。必須考慮分析有助SDR RF鏈結如何改變隨時間的新測試方法。
RTSA提供了強大的SDR故障解決方案。首先要發現物理層中的問題，這些暫態事件可非常迅速地出現，RTSA可在頻域中觀察事件隨時間產生的變化。使用RTSA尋找反常訊號行為，用戶可以在多個時間相關的域中觸發、捕捉並分析相關訊號，進行動態訊號定義和故障處理。
跳頻與發射器測試
跳頻用於多系系統中(包括軟體定義系統)，以避免檢測、擁堵和干擾，並可提高多路徑和減弱環境中的性能。跳頻可將資訊分佈到較寬的頻率上。這使系統更加穩健，因為頻率相關的錯誤如干擾或減弱只會造成資料的部分損失。利用新增的技術，如正向偵錯編碼、交錯及利用混合ARQ進行重新發送，在擁擠的跳頻中丟失的資料可有效地恢復。
圖2顯示了數位顯示器中的藍牙跳頻設備。數位顯示器技術，過去用於高級示波器中，目前已經應用到射頻域中，現在已經透過選擇RTSA實現。第一次讓用戶查看“真實射頻”訊號，數位顯示技術對射頻訊號行為提供了出色的分析。
圖3中顯示了藍牙訊號。RTSA譜圖(右下角)顯示了頻率隨時間變化的行為，以及跳頻附近的光譜能量分佈。在此例中，跳頻出現時，有可能是發射器受到附近設備的干擾。切記，用於捕捉跳頻的儀器具有較寬的即時頻寬，可捕捉較大部分的跳頻序列頻寬以及鄰通道頻率干擾。
而藍牙並不是必須要使用軟體無線電實施，提供了實施跳頻系統時面臨的挑戰的示例。例如，藍牙規範要求79個跳頻(有1MHz的通道間隔)中每個都在75kHz特定值的範圍內。這可保證不同廠商設備之間存在著適當的插值。在2.4GHz ISM波段，具有110MHz即時頻寬的RTSA已經足夠了。
圖4所示的另一示例中，RTSA用於解決不常出現、難以檢測到的訊號問題。這可是由於頻率開關暫態造成的結果，也可造成更大的相位暫態。這可能由不當的PLL電路控制改變到某一特定頻率而致。使用數位螢光顯示技術發現短時脈衝干擾或暫態後，RTSA的FMT能可靠地捕捉訊號以進行深入分析。如圖4所示，頻率光罩可由用戶定義，並可用來捕捉訊號。在藍牙跳頻中，用戶可以定義光罩來觸發特定的跳頻，而不是功率級別的變化。數位螢光顯示器說明，訊號約比目標訊號跳頻3MHz以上。光罩可任意定義為此訊號的包絡，當訊號進入光罩區域時，儀器觸發。使用有高效能頻寬的RTSA，可以分析跳頻序列並對每個跳頻執行頻率建立時間測量(採用所選的RTSA，在110MHz即時頻寬下有6 µsec的頻譜時序解析度)，所測量的最快建立時間可達60 µsec。
SDR是新興的實施射頻收發器的技術，並且對射頻硬體提出了額外的需求。為了處理研發軟體無線電中出現的複雜性，廣泛地使用RTSA來測試多模式運行隨時間變化的需求。具有數位顯示器、頻率光罩觸發和時間相關的多域分析功能的特殊儀器，是在設計與SDR設備時出色的故障處理工具。
作者簡介
Darren McCarthy是Tektronix射頻測試市場開發經理。14200 S.W. Karl Braun Drive, Beaverton, OR; (800) 835-9433; www.tek.com.
Click here for Illustrations:
Figure 1
Figure 2
Figure 3
Figure 4 |
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