跳频电台的设计与测试挑战

Posted 2022-05-05 回映电子

跳频信号的不稳定行为使它们难以捕获、验证和测量。因此，需要更有效的工具和程序来设计和测试采用越来越快的跳频技术的现代无线电

现在正在使用一些技术，以确保通过拥塞的无线电频谱进行有效的通信。其中最主要的是软件定义的无线电(sdr) ，它使软件能够动态控制通信参数，如所用的频带、调制类型、数据速率和跳频方案。

军用无线电应用经常采用软件无线电技术，必须在恶意信号干扰十分普遍的关键任务环境中执行。它们可以在各种各样的脚印中找到，从小型便携式装置到车载和船上平台。一些商业应用，例如无线局域网和基于3g 的蜂窝通信，最近也出现了，它们采用了许多最初用于国防电子工业的 SDR 技术。

图1: 被大干扰干扰的跳频信号。采用数字荧光粉技术(DPX)的实时频谱分析仪捕获空气中的信号

尽管有各种各样的软件无线电应用和足迹，但有一个共同特点: 跳频。在模拟和数字无线电中，跳频被用来提高性能，避免检测和减少干扰和干扰，如多径和衰落。

跳频与编码方案结合使用，提高了从干扰和衰落中恢复信息的能力，在广泛的频谱范围内传播信息，使系统更加健壮。如果一个特定的频率被干扰，系统可能只丢失以该频率传输的信息，而不是丢失整个数据流。在这种情况下，可以使用交织和前向错误更正交织(FEC)来恢复被干扰跳跃期间丢失的数据。

虽然跳频已被证明是改善无线电通信的有效方法，但它的应用还在不断发展。信号跳跃速度越快，人脸检测、干扰或干扰的可能性就越小。因此，尽管跳频并不是一种新技术，设计者们仍在不断努力提高现代无线电中跳频的速度，以进一步改善和加强性能。

这些努力带来了显著的设计和测试挑战。跳频信号和干扰源在极其复杂的时变频谱中工作。这些信号的不稳定行为使它们难以获取、验证和测量。有效地设计和测试采用越来越快的跳频技术的现代无线电需要新的工具和方法。

更快的跳频导致新的设计和测试挑战更快的跳频在设计通信系统时提出了许多挑战

更快的跳频导致新的设计和测试挑战更快的跳频在设计通信系统时提出了许多挑战，尤其是系统结构和频率合成器。现代无线电是一个复杂的系统，控制软件、数字信号处理器(DSP)和系统组件必须协同工作以确保最佳性能。由于软件会积极地改变 SDR 的操作参数，因此有无数的硬件/软件组合可能会导致错误。调制和滤波瞬变、失真、非线性功率效应、脉冲畸变、频率调谐和稳定、电源耦合、数字与 RF 耦合以及软件相关的相位误差也很常见。设计快速频率合成器也是一个重大的挑战。例如，美军部署在 l 波段 TDMA 网络中的联合战术信息分发系统(JTIDS)以每秒38,461.5跳的速度运行。这意味着频率合成器必须从一个频率跳到另一个频率，在不到26μs 的时间内稳定和通信; 系统的瞬态响应必须在几百纳秒内稳定下来，以实现无差错通信。

图2: 实时频谱分析仪捕获的快速跳跃信号。左侧显示用户定义的频率掩模触发，而右侧的频谱图显示捕获的跳频信号

由于跳频载波的频率稳定而导致的调制质量受损是造成发射机质量差和系统数据率低的主要原因之一。在过去，设计者能够使用传统的测试设备来解调位于调制分析器中心频率的平稳载波。然而，传统的测试设备不能解调当今的宽带跳频信号。因为这些信号跳过工作频带，需要分析偏心频率，以确保最佳的调制质量。

通过 DSP 实现射频波形的动态生成以及数字电路和射频电路的集成(通常是在同一集成电路上)也带来了传统射频收发器设计中没有遇到的问题。这些包括调制瞬态、放大器的非线性效应和数字到射频的串扰等等。

软件无线电发射机的性能必须通过超出传统射频发射机一致性测试范围的测量进行验证。仅仅通过这些测试并不能确保设备正常工作，而且必须仔细彻底地观察系统行为，因为软件不断地改变系统参数。要真正解决这些挑战，特别提款权的设计者需要全面分析和描述他们的系统。

发现真实的系统行为对于识别潜在的射频频谱异常非常重要。由于系统参数随时间变化，执行频率选择性触发是必要的，以查明瞬时事件发生的瞬间。需要在多个领域中执行时间相关性分析，以确定每个问题的具体原因。将整个事件无缝地捕获到内存中对于后续分析非常有价值，因为很难再现发生瞬态的条件。这些先进的检测信号性能的故障排除方法，结合在稳态条件下执行的传统一致性测试，是全面的软件无线电测试所必需的。

在系统级验证性能和故障排除开发一个经过验证的系统体系结构设计对于现代通信系统的成功至关重要。测试和验证的接入点越多，在上一个系统集成阶段出现问题的可能性就越小。此外，在开发和集成周期中处理问题的时间越晚，解决这些问题的成本就越高。造成系统故障的主要因素有 DSP、射频电路和控制软件。验证调试工具极大地帮助系统设计人员有效地发现问题。

一旦发现错误，就必须隔离并理解它。为了隔离一个问题并确定其根本原因，通过信号路径将误差与时间关联起来是很重要的。由于软件无线电设计中的信号信息从数字位变为连续可变的模拟电压，因此可能需要几台测试设备来准确诊断问题的根源。由于这个问题可能发生在信号路径的任何一个点上，而示波器和逻辑分析器的存储容量是有限的，同时触发多个测试仪器并捕捉事件发生的准确时刻的能力是很重要的。这就要求每台仪器都能在其各自的范围内触发(数字触发器的逻辑分析器、时域幅度触发器的示波器和频域触发器的频谱分析器)。

由实时频谱分析仪(RTSA)、任意波形发生器、示波器和逻辑分析仪组成的集成的端到端测试系统对于测试 sdr 是非常有价值的。从主要测试和测量供应商选择的仪器能够与交叉触发和时间相关的子系统视图一致工作，以验证 SDR 的性能，并在物理层和各种软件层执行多个测试程序。这些测试系统还可以用来了解 SDR 子系统之间在频率和时间域的复杂相互作用，特别是在突发或跳频信号中。

当滤波和放大时，软件异常会在射频输出端产生临时的射频脉冲能量脉冲。为了隔离软件和硬件的性能，rtsa 可以用于在频率域的瞬态触发，将事件捕获到存储器中，并驱动其他测试仪器探测可能的误差源。采集到的信号以时间相关的方式呈现，帮助设计人员了解特别提款权的数字和模拟块中的异常如何作为脉冲噪声传播到射频输出。

这些 rtsa 从光谱瞬变中发现问题的独特能力可以用来触发其他仪器，并获得大不相同的硬件和软件功能实现的时间相关视图。例如，RTSA 可以在信号路径的 RF 和 IF 部分捕获信号，逻辑分析器可以捕获数字基带信号并将其与 RTSA 生成的符号表进行比较。此外，一些 RTSAs 提供离线软件，可用于分析从逻辑分析器和示波器获得的数据，允许硬件和软件测量相关性。

验证基带 IQ 波形质量

验证基带 IQ 波形质量对于系统工程师和 FPGA 设计现场可编程逻辑门阵列都很重要。它帮助工程师测试基带，以确保它在开发的早期阶段正常工作，因为数字电路中涉及的许多问题都在 FPGA 设计中。

实际设计和应用中的基带信号是差分信号(i + ，i-，q + 和 q -) ，并且可能具有直流偏置。过去只有极少数的频谱分析仪能够直接测量 IQ 信号，能够测量带有直流偏移的基带 IQ 信号的频谱分析仪更是少之又少。工程师们被迫使用带有附加软件的示波器进行后期分析。

选择 RTSAs 使用差分输入进行基带 IQ 测试。这样做可以在分析 IQ、 IF 和 RF 信号时提供测量的一致性。使用 RTSA 测试 IQ 信号还可以降低系统复杂性，简化测试过程，同时提供比通用仪器更高的动态范围和更大的内存深度。

现代的 RTSAs 将基带、射频和后分析功能结合在一起。例如，卓越的 rtsa 可以通过14位模数转换(ADC)进行直流基带测量，确保测量精度。其中一些还具有差分智商输入功能，使工程师能够直接将 RTSA 与基带智商信号连接起来进行误差向量幅度分析---- 而不需要任何额外的差分探针设置。除了 EVM 之外，这些 rtsa 还提供跨多个域(时域、频域、调制域和星座)的完全时间相关测量。这种能力对于解决跳频 sdr 问题是非常有价值的。

跳频信号的频率稳定时间

测量频率稳定时间定义了两个跳频之间的时间长度。它是跳频系统效率的主要贡献者之一。频率稳定时间越短，系统的跳跃速度越快。测量频率稳定时间可确保最佳的综合器操作和最大限度地提高整个系统的性能。

图3。一个集成的，端到端测试系统，用于核实和故障诊断 sdr，具有实时频谱分析仪(RTSA) ，任意波形发生器(AWG) ，示波器和逻辑分析仪

传统的频率测量方法由于受仪器的限制，测量时间很长。工程师们被迫依靠示波器和鉴频器进行测试，只能显示信号包络，暗示信号的稳定性。虽然示波器具有良好的定时分辨率，但是使用它们来测量微小的频率变化是一个挑战(取决于测量所需的频率分辨率)。示波器不能自动测量跳频，而且只能估计频率稳定时间。领先的 RTSAs 提供自动频率调节时间测量。通过设置频率稳定阈值和平滑因子等参数，可以快速、准确地测量跳频信号的频率稳定时间。工程师们还可以看到光谱在跳跃过程中的变化。

除了跨多个领域的时间相关测量，一些 rtsa 能够产生频谱的实时射频视图，并提供频率掩模触发器(FMT)。这些独特的功能简化了跳频信号的故障排除。

图4: RTSA 的独特的数字磷光体(DPX)显示和频率掩模触发器(FMT)有助于快速识别，捕获和排除跳频信号

图5: 通过光谱图(左上角)、频率对振幅(右上角)、信号调制质量(左下角)和星座图(右下角)来解调捕获的偏离中心的跳跃信号

实时射频视图为工程师提供了一个能够即时发现问题的工具。在允许用户第一次查看实际信号，最新的 rtsa 提供了无与伦比的洞察力射频信号的行为。频谱更新至少比扫频频谱分析仪快500倍，可以直接在显示器上看到频率的瞬时变化。在软件无线电领域，这种能力为快速评估信号的射频健康状况和快速识别潜在问题提供了一种全新的方法。

一旦故障或瞬态被识别并定义为使用实时实时视图的频域事件，FMT 可以可靠地将信号捕获到内存中进行深入的后处理分析。频率掩模是用户自定义的，可以用来最好地捕获信号。例如，对于频率跳变不频繁的情况，用户可以定义在频率偏移时触发的掩模，而不必考虑功率电平的变化。频率掩模被定义为围绕这个信号的包络，一旦信号进入频率掩模区域，仪器就会触发。

实时射频频谱视图和频率触发机制的结合为设计人员提供了一种独特的能力，可以发现和排除 sdr 和数字射频环境中经常遇到的问题。

跳频信号的调制分析

跳频信号的调制分析跨越全部带宽的调制分析需要一种不仅能触发和捕获动态射频信号，而且具有载波跟踪矢量分析能力的仪器。传统的矢量信号分析仪(VSAs)提供中心频率的矢量分析，但只能对中心以外的信号(即300khz 或更少)进行非常有限的分析。大多数矢量分析器缺乏载波跟踪能力，无法解调跨越整个捕获带宽的跳频信号。

有些 rtsa 能够跨越整个捕获带宽解调跳频信号。工程师能够验证和调试他们的设计，而不必承担任何偏心频率的调制质量。人们可以选择解调任何被捕获的信号跳数，通过详细的调制质量分析从多个域观察时间相关测量值。

尽管它们有能力提高软件无线电的性能，跳频技术提出了前所未有的设计和测试挑战，传统的测试仪器无法解决。这些无线电需要一个新的，灵活的，综合的办法来特别提款权子系统和系统验证。

前沿的 RTSAs 提供在多个领域的时间相关测量和能力，看到一个实况的射频频谱。此外，他们提供了一个 FMT，基带智商测量和中心跳信号解调。这些功能简化了跳频无线电的测试和分析，而跳频无线电在当今的数字射频世界中很常见。先进的 RTSAs 是现代无线电通信设计、实验室射频调试和现场系统评估的最有效的测试解决方案。

白纪龙老师从事电子行业已经有15个年头

到目前为止已开发过的产品超上百款，目前大部分都已经量产上市

从2018年开始花了5年的时间

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