射頻波形生成和測量的復雜性

射頻波形生成和測量的復雜性

很難想象還有什么東西能比在天空和太空中傳送太拉字節信息的信號更好地說明21 世紀電子技術的復雜性。這些信號在無線局域網、先進蜂窩系統、基于地面和衛星的多媒體數字廣播系統中的有線網絡電纜和光網絡光纖中傳輸。這些通信系統和廣播系統非常復雜，它們產生并發送的那些滿載信息的信號也是非常復雜。幸運的是，您或許可以在不完全了解這些信號如何傳輸數據或這些系統如何把信息加到數千兆赫射頻載波上的情況下，使用這些信號并測量它們的主要特性。盡管如此，在選擇儀器或軟件來生成測試信號或確定數據有時在到達目的地的途中遭到破壞的方式或原因時，您或許需要更好地了解它們。
　　UWB（超寬帶）技術仍處于初始階段，它使用數百兆赫來發送數據速率很高的信號，發送的距離通常為幾十米或更短。UWB技術的存在一點也不影響以下斷言的有效性：有限的帶寬和數據量的爆炸性增長需要更加復雜的通信系統和信號。事實上，UWB 強化了這一觀點。UWB 并不試圖找到射頻頻譜中的空閑點，將信號置入其中，而是在其它服務占用的頻段內發送信號。UWB 系統設計得可以共享帶寬，而不會對其它服務產生干擾，或受到其它服務的干擾。高數據速率、寬帶寬和占用相同頻率的干擾信號的存在這三個因素，使得系統設計極具挑戰性。
　　正交頻分復用（OFDM）技術
　　有兩種互相競爭的技術是 UWB 的基礎，其中之一就是一種稱為OFDM（正交頻分復用）的 DSP 密集型系統。OFDM 還是 IEEE 802.11 無線聯網標準系列、幾種 DBS（直接廣播衛星）電視系統、iBiquity Digital 公司 () 面向美國市場的 HDRadio TDAB（陸基數字音頻廣播）系統、歐洲 DVB（數字電視廣播）系統（它既支持陸基傳輸又支持衛星傳輸）中的一種關鍵技術。
　　您可能聽說人們把 OFDM 稱為一種數字調制形式，嚴格地說，它不是。OFDM 使用數百甚至數千個不同頻率的副載波，使裝入每個符號周期中的信息比大多數其它數字數據傳輸系統能裝入每個符號周期的信息更多。因此，OFDM 使用數量更少、持續時間更長、復雜性更高的符號來達到與其它幾種數字傳輸系統相同的數據傳輸速率。（有些人認為這些符號是一個符號周期中的多個符號。）而且無須增加占用帶寬就可以維持這一數據速率。
　　OFDM 的符號時間長，相應地符號速率就低，這就使 ISI（符號間干擾）能減少到最低程度而ISI在射頻通信中通常是由多路徑失真等信號減損引起的。當某個信號通過幾條路徑到達接收天線時，就會發生多路徑傳播。其中一條路徑可能是從發射天線直接到達接收天線，而其它路徑則涉及到固定物體或運動物體的反射信號。只要延長符號持續時間，使之超過延遲時間最長的反射信號到達接收天線所花的額外時間，OFDM就能消除此類反射信號通常造成的 ISI。還有一個好處是，信息散布在多個載波中，能提高信號的抗干擾能力以及信號對多路徑傳播的頻率響應影響的抵抗力。
　　它是一種數據傳輸系統
　　某種形式的數字調制，如 BPSK（雙相移鍵控）或 QAM（正交調幅，參見參考文獻 2），把信息加在每個 OFDM 副載波上。一個 OFDM 系統能在不同副載波上使用不同類型的調制，任何副載波使用的調制類型都可以隨時改變。也就是說，一個 OFDM 副載波可以使用 BPSK，然后改用 QAM，接著再改回來，或者改用另一種調制形式。因此，您或許不應該把 OFDM 稱為一種調制，而應稱為一種數據傳輸系統。
　　OFDM 的魅力部分來自其多個副載波之間的正交性。不同頻率的信號可以正交，這一思想也許需要人們花些時間來習慣它，這是因為人們一般把正交性看作同頻率信號的一種特性。例如，兩個正交的同頻率正弦波信號分量（即在時間上相差 90°）是垂直的，因為任何一個分量的幅度變化都不影響另一個的幅度。同樣，調制一個 OFDM 副載波不會影響系統的其它副載波，因為每個副載波頻譜的幅度在所有其它副載波頻率上都是零（圖 1）。

圖1，查看某個 OFDM 信號的多個副載波的頻譜，您會發現系統是如何避免載波間干擾 (ICI) 的。間隔很近的各個載波互相重疊。每個載波的頻譜在所有其它載波的中心均為零，從而產生零 ICI（ Agilent 公司供稿）。
　　OFDM 系統有時使用數千個副載波。與不使用OFDM而使用簡單調制（如每符號傳輸一個比特的 BPSK） 的系統相比， OFDM 系統在理論上能以相同的比特率傳輸數據，盡管符號速率較低，與副載波數量成正比。有些系統把 OFDM 與運載 64QAM（64 級 QAM）等復雜調制的副載波結合起來，它們至少在理論上能夠維持數據速率，同時仍舊能進一步降低符號速率——在 64QAM（每符號傳輸 6 個比特）的情況下，可降低到1/6，因為 64=26。
　　數百兆赫信號的產生
　　產生一個用 64QAM 調制的 2.5 GHz或 5GHz 或更高頻率的信號，這就夠難了（參考文獻 3）。再則，當您在外部生成基帶信號時，至少有兩種儀器——Rohde and Schwarz 公司的 SMU200A 和 Agilent 公司的 PSG 系列——能分別達到 200MHz 和 1GHz 的調制帶寬。合成此類信號并仿真在典型環境中使這些信號劣化的因素，會使問題進一步復雜化（參考文獻 4）。而且，如果 QAM 不直接調制主載波，而是調制全部數百個或數千個副載波（每個副載波運載不同信息），而這些副載波又調制主載波，那么信號生成問題就會復雜得令人頭腦麻木。不過，現代射頻信號發生器——通常在獨立PC 上運行的軟件包的幫助下——可以輕松地應付這種復雜性。
　　能產生已調制射頻載波的射頻信號發生器，大多數都有一對 DAC，其中一個產生 I（同相）調制信號，另一個產生 Q（正交）調制信號。這種 IQ 方法不僅在概念上簡單明了，而且效率也很高：它能使每個DAC的更新速率比合成整個調制波形的單個 DAC 所需的更新速率低一半。因此， 把數模轉換功能分給I DAC 和 Q DAC去完成，就能實現更低的 DAC 更新速率，從而能輕而易舉地達到所需分辨率。然而，有幾種信號發生器的確只使用一個 DAC 來合成所有調制信號。您也許會認為，產生 OFDM 信號的信號發生器將使用大量 DAC，或許是每個副載波使用一個，但儀器制造商們報告說，用數學方法對副載波進行合成并求和，然后再轉換成模擬信號，這樣做更為簡單。由于系統使用這么多副載波，因此多個 DAC 會帶來一些不必要的技術問題，使設計復雜化，

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