原创 “新游戏，新产品”之连载一——市场为何需要混合域示波器

Q：为什么需要一台混合域示波器？

近几年来，使用无线技术传送的数据数量一直在迅猛增长。几乎在每个领域中，无线链路都在代替或扩展传统有线通信，例如：

n         照明使用的无线墙上开关和调光装置

n         实用新型产品（如自来水软化器）使用的无线控制/显示面板

n         家庭立体声使用的无线数据连接

n         无线轮胎气压监测传感器

n         便携式视频游戏控制杆之间的无线连接

激增的无线技术包括非开放频段技术和开放频段技术。非开放频段技术主要由广播公司或服务提供商(电视、无线广播、移动通信)使用，开放频段技术则在“自由频段”(蓝牙、无线局域网、车库开门装置、远程无键输入)中在相对较短的距离上运行。

现代无线系统采用完善的调制方案。这些调制方案一般使用数字信号处理（DSP）来实现，可以用笛卡尔复数形式的I (同相)和Q (正交)数据来表达，进而用来调制发送的RF信号。

顾名思义，现代无线技术同时涵盖了时域和频域。此外，信号存在于三个域中：数字域、模拟域和RF频域。

若设计人员需要对跨越这三个测量域的系统进行必要的测量、调试和检验，往往需要花费许多的精力与时间。到目前为止，没有任何一台仪器是为这些测量类型与需要而优化的，这样使得设计与调试工作更显艰巨。

他们需要一种为在这三个域中“同时”进行测量的专门设计的测量工具。

                                    图1. 现代无线发射机简化的方框图。

当前嵌入式设计人员的职责不断扩大

无线技术无处不在的这种趋势，给嵌入式系统设计人员的职责带来了深远的影响，为了迎合市场与应用需求，他们正努力在设计中采用一些新兴并自己所不熟悉的RF射频技术。

嵌入式设计人员经常发现，自己必需解决许多问题，但在执行任务时却没有所需的适当设备，列举一些例子：

n         设计和调试采用了ASK或FSK调制方式的简单RF链路

n         确定蓝牙无线电集成电路是否以预想的方式传送信号

n         在运行过程中调试IEEE 802.11芯片组的程序

n         检测和同步相同频段、相同设备上的多种无线技术，避免自我干扰

n         在通信建立时追踪无线电发射机和接收机之间的交互

作为嵌入式设计人员的首选工具，示波器只是为进行时域测量所优化的。MSO (混合信号示波器)可以同时测量模拟信号和数字信号（包括各种总线数据与指令），但很难使用示波器在RF载波上有效测量RF信号。另外，也很难把时域中的事件与频域中的事件充分关联起来，而这一点对查找系统级问题至关重要。

频谱分析仪可以在频域中进行测量，但这些工具并不是大多数嵌入式系统或硬件设计人员的首选工具。在系统其余部分使用频谱分析仪进行时间相关的测量几乎是不可能的。

设计人员需要一种测量工具扩展传统MSO的测量优势，允许用户把频域中的现象与导致这些现象的时域事件关联起来，以便查找这些事件之间的逻辑与时间关系，进而帮助设计人员洞悉与透视系统中的真实情况。

无线电变成嵌入式系统

在过去20年中，无线电设计一直受到主导电子设计的嵌入式微控制器的发展趋势所影响，其结果是现代无线电包含着多条数据总线(串行总线和并行总线)、多个微控制器和一个重要的软件组件。

无线电设计人员经常发现自己需要解决许多问题，但没有适当的测量与检测设备，例如：

n         确定编程错误会否导致所发送功率偏低

n         查找所发送的无线电信号中造成间歇性串扰的来源

n         检验跳频算法是否正确地工作

作为这些设计人员的首选工具，扫频分析仪是为测量单个频域信号而优化的。它不能测量时域信号，也不能在RF信号与设备中大量其它电子信号之间提供任何有意义的时间关联。传统扫频分析仪不适合考察随时间变化的RF射频信号，对调试无线嵌入式系统中的问题更是远远不足。

矢量信号分析仪是一种现代型频谱分析仪，是为测量随时间变化的射频信号而开发的。在某些情况下，可以在示波器中增加矢量信号分析软件（如泰克公司提供的SignalVu矢量信号分析软件），分析随时间变化的RF射频信号；但是，示波器的带宽可能不能直接测量RF载频，或没有足够的灵敏度与动态范围来检定RF射频信号。

示波器可以在时域中进行多通道测量，但在示波器通道上增加矢量分析软件可能会限制示波器进行相干分析的基本功能。对数字状态逻辑信号、模拟信号和RF射频信号进行不同的时域分析，对调试嵌入式系统至关重要。

设计人员需要一个集成了现代频谱分析仪测量优势(矢量信号分析)的测量工具，允许用户简便地进行完善的、时间相关的模拟、数字时域与频域的测量。

RF信号随时间变化

现代通信越来越多地随时间变化。无线电通常会以间歇方式发送信号，以节约能耗。许多现代调制方案使用扩频技术，在多个频率中编码信号。

传统扫频分析仪在观察随时间变化的RF射频信号方面是一种有缺欠的工具。如果分析仪在扫描通过该频带后，某突发信号才出现在已扫描过的频带内，那么这个突发信号将不能被捕获。看一下下图：

       图2. 由于扫频结构限制了分析过程中关心的频率，传统频谱分析仪可能会漏掉一些随时间变化的突变信号

Fb处关心的信号以间歇方式广播。在分析仪从Fa扫描到Fb时，如果在分析仪扫描通过Fb时信号恰好没有广播，那么可能会漏掉信号。

设计人员需要一个拥有宽实时频谱捕获带宽的频域测量工具，可以在某个时刻点上进行频域与时域的采集与测量，该时刻点可以由时域中某个指定的事件（如：某种触发条件被满足时）所确定，这可以让系统设计人员了解在某时刻点上，系统中各个信号是如何交互作用的。

RF带宽不断提高，信号越来越快

现代通信正在采用带宽越来越宽的调制方案，分组通信的速度正变得越来越快。

看一下下表，其中显示了部分常见的通信标准及对应的信道带宽和工作带宽。注意在较新的调制方案中，信道带宽会大幅度提高：

          表1. 常见的通信标准 - 传统广播通信(**)和现代嵌入式[d3]无线技术(绿色)。

为高效测量这些现代嵌入式无线技术，通常必需在一个时点捕获整个信道带宽。

虽然传统扫频分析仪可以测量连续广播信号，但它不是为在这些带宽中测量随时间变化的信号而设计的。扫频分析仪的有效频谱捕获带宽低于分辨率带宽(RBW)。由于它采取扫频方式，因此它“看不到”当前扫描频率外面（带外）的信号。扫频分析仪也不能以时间一致的方式，捕获整个频谱。

而且，这些现代信号随时间变化的特点对传统扫频分析仪来说是太快了。在超出RBW的极限时，扫频分析仪在以最快速度扫描关心的工作频段时，只能捕获几十到几百毫秒的时间。但发送的信号发生的时间通常只有几十微秒或以下。

更加现代的频谱分析仪 (矢量信号分析仪)一般拥有10 MHz的频谱捕获带宽，可以用于比较老或比较简单的无线通信标准。某些频谱分析仪提供了高达140 MHz的带宽，更加适合现代标准，但获得这种性能的同时，其价格也会大幅度提高。

若需要比这更高的频谱捕获带宽，实际上现时还没有专用频谱分析工具可以达到（除了新型的MDO外）。用户被迫使用示波器或运行专用矢量信号分析软件的模数转换器来器进行测量。遗憾的是，这些时域解决方案在频域测量中性能都比较差，特别是在SFDR指标上。

设计人员需要一个拥有宽频谱捕获带宽的跨域测量工具。

EMC仍然非常重要

电磁兼容性或EMC一直是现代电子设计的一个重要要素。

然而，这一领域中的问题通常很难调试。进行EMC测量的主要问题是法定频率覆盖范围至少为1 GHz，被测信号可能是间歇性信号或定向信号。

在传统测试设置中，在有接收天线时，可以转动电子设备，这样可以从所有方向进行测量，在各种高度最大限度地执行测量。但是由于宽频率范围，旋转速率必须非常慢，以允许扫频分析仪在所有方位中绘制准确的辐射画面，因此所耗费的时间也相当长。此外，可以在一个天线高度上最大限度地提高基础频率上的辐射，而在另一个不同高度上最大限度地提高其谐波。了解被测产品的辐射概况，要求能够同时观察所有频率。

如果干扰源是间歇性的，诊断会变得更加困难。使用这些传统测量技术时，几乎不可能把所侦测到的辐射与电子器件或系统中的某个时间关联起来，例如：

n         诊断脉冲性辐射是否与被测器件的存储器被访问或进入诊断状态有所关联

n         在进入和离开低能耗模式时， 检测设备启动时或状态变化时所产生的辐射，

n         了解辐射是否造成高阶谐波有关

设计人员需要一种拥有宽频谱捕获带宽的频域测量工具，可以在特定时点进行测量，并与时域中所关心的事件互相相关。

产品开发周期变得更加关键

毫不奇怪的是，世界各地的企业正在更快地把产品推向市场。错过切入市场的窗口或设计周期过长在竞争环境中可能会导致整体的新产品上市的失败。同样明确的趋势是，与此同时，各企业还正在转向“更加精简” 的组织架构，以便以更少的投入获得更高的回报。

在这个压力日益提高的设计与竞争环境中，当前测试测量设备并不能很好地顺应上述的趋势。

n         为在多个域中测量信号，需要使用多台测量设备，这提高了资本开支或租赁费用。

n         跨域时间相关测量方式效率低下，甚至是不可能的，大大降低了工程设计的效率。

n         在偶尔使用时，了解怎样使用逻辑分析设备、示波器和RF频谱测量设备涉及到的学习曲线通常要求操作人员重新学习每一台设备的使用方式，费时失事。

n         测量宽带宽、随时间变化与突变的射频信号所需的设备价格昂贵，再次提高了资本开支或租赁费用，使进入无线设备开发的资本门槛相对偏高。

设计人员需要拥有公共用户界面，把多种测量功能集成到一个经济的工具中的测量仪器，可以测量当前跨域环境中宽带宽、并时间相关的信号。（未完待续）

更多信息请参考：http://www.tek.com/zh/scoperevolution/

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