設計人員長久以來一直在設法改善無線電通信的性能和彈性，近年隨著射頻(RF)頻譜變得更加擁擠，干擾更加普遍(圖1)。目前設計人員使用幾種技術，以確保能夠在擁擠的無線電頻譜上有效率地進行通信，其中主要的有軟件無線電(SDR)，該技術可讓軟件動態控制通信參數如使用的頻帶、調變類型、數據速率和跳頻方式。

圖1　跳頻信號被大量的干擾塞住

須在常有惡意信號干擾的關鍵任務環境中執行的軍用無線電，會經常采用SDR技術。該技術應用的機體大小可能相差懸殊，從輕巧的可攜式機組，到安裝在車輛和船舶上的平臺，許多的商業應用如無線局域網絡(WLAN)和3G手機通信，近來也都表明采用了許多原本用于國防電子產業的SDR技術。盡管SDR的應用和機體大小差異極大，但其都擁有一個共同的特點，即跳頻。跳頻可適用于模擬和數字無線電中，用來改善性能、避免被偵測，并減輕擁塞和干擾，如多重路徑和衰減。

跳頻會搭配編碼方式使用，編碼方式能夠改善從干擾和衰減中還原的能力、將信息散布到廣泛的頻率范圍中，讓系統更加健全。如果某個頻率擁塞，系統只會損失以該頻率發射的信息，而非整個數據串。在這些情況下，可以使用交錯和前向錯誤修正(FEC)以還原跳頻受干擾時損失的資料。 

雖然跳頻已被證明能改善無線電通信的方法，但目前仍持續發展中，信號跳頻的速度越快，就越不會遇到偵測、干擾或擁塞。因此，雖然跳頻不是新技術，設計人員還是不斷致力于提高現代無線電中跳頻的速度，以期進一步改善和強化性能，然而這些努力帶來可觀的設計與測試挑戰。跳頻信號和干擾源是在極端復雜、隨時間變化的頻譜下運作(圖2)，這些不穩定的信號行為，可能會使信號很難獲取、驗證和測量，為了在快速跳頻技術使用量漸增的現代無線電中，有效地進行設計和測試，即需要新的工具和方法。

圖2　左側顯示用戶定義的頻罩觸發，右側頻譜圖則顯示獲取到的跳頻信號。

在設計通信系統，特別是系統架構和頻率合成器時，跳頻速度的加快帶來許多挑戰?，F在無線電是一種復雜的系統，而且控制軟件、數字信號處理器(DSP)和系統組件都必須搭配運作，以確保最佳的性能。由于軟件會活躍地改變SDR操作參數，因此有無數種可能導致錯誤的硬件/軟件組合。另外，調變和過濾瞬時、失真、非線性功率效應、脈沖偏差、頻率微調和平復、電源供應器耦合、數字至RF的耦合以及與軟件相關的相位錯誤，也都很常見。

設計快速頻率合成器同樣展現巨大的挑戰，如美國軍隊部署的聯合戰術信息發布系統(JTIDS)，能夠在L頻TDMA網絡中以每秒38,461.5次跳頻的速度運作，這代表頻率合成器必須在不到26微秒的時間內，從一個頻率跳到另一個頻率、穩定下來，然后進行通信，系統瞬時響應必須在短短的幾百納秒內平復，才能零誤差地進行通信。 

跳頻載波的頻率平復影響到調變質量，是發射器質量不佳和系統數據速率低落的主要原因之一。以前設計人員可以使用傳統的測試設備，為位于向量信號分析儀中心頻率的固定載波進行解調變，但傳統的測試設備無法解調變今日的寬帶跳頻信號，由于這些信號會在作業頻帶上跳躍，因此需偏離中心頻率的分析，以確保最佳的調變質量。而通過DSP產生動態RF波形以及數字RF電路(通常位于相同的集成電路)的整合，同樣產生傳統RF收發器設計所沒發現的問題，舉例而言，這些問題包括瞬時調變、放大器的非線性效應以及數字至RF的串音。 

SDR發射器的性能須通過比傳統RF發射器兼容性測試更高標準的測量驗證。僅通過測試還無法保證裝置運作正常，另外還必須小心、徹底地觀察系統行為，因為軟件會不斷變更系統參數，想要真正迎向這些挑戰，SDR設計人員必須完整分析和了解其系統的特性。 

探索真正的系統行為對找出潛在的RF頻譜異常非常重要。由于系統參數會隨著時間改變，要立即精確找出發生的瞬時事件，必須執行頻率選擇性觸發，而要判斷每個問題的特定原因，則須在多域中運行時間關聯分析。能夠將整個事件無縫地獲取至內存中，對后續分析來說非常寶貴，這是因為瞬時發生的條件可能很難重現，這些隨時間而改變之驗證信號性能的進階疑難排除方法，加上在穩定狀態條件下執行的傳統兼容性測試，在全面性SDR測試中不可或缺。 

利用SDR驗證性能和在系統層上進行疑難排除 

開發獲得驗證的系統架構設定，對于現代通信系統的成功極為重要，經過測試和驗證的無線基站越多，系統整合的最后階段中出現問題的機率就越低，另外，要在開發和整合周期中越后面的階段處理這些問題，解決問題時花費的代價就越高昂。系統故障的部分主要原因為DSP、RF電路和控制軟件，驗證除錯工具能夠為系統設計人員提供很大的幫助，使其有效地發現問題。 

一旦找出錯誤，就須予以隔離和了解。為隔離問題和判定其根源，回溯信號路徑以建立時間關聯的錯誤非常重要，由于在SDR設計中信號信息的形式會改變，即從數字位變成連續變量的模擬電壓，因此可能需要幾件測試設備以診斷確切的問題來源。既然問題可能發生在信號路徑中的任何一點，而且示波器和邏輯分析儀的內存容量有限，所以同時觸發多個測試儀器并獲取事件發生瞬間的能力，就顯得極為重要。要做到這一點，每一臺儀器都必須能在其領域中進行觸發，如邏輯分析儀進行數字觸發、示波器進行時域振幅觸發、頻譜分析儀則進行頻域觸發等。

包含實時頻譜分析儀(RTSA)、任意波形發生器(AWG)、示波器和邏輯分析儀的整合點對點測試系統皆是理想的SDR測試工具。由測試與測量廠商挑選出的儀器，能利用交互觸發和時間關聯子系統視圖一致地運作，以驗證SDR性能，并在物理層和各種軟件層執行多個測試程序，這些測試系統也可以用來了解頻域和時域中SDR子系統之間的復雜互動，特別是突波信號(Burst)或跳頻的信號。 

進行過濾和放大時，軟件異常可能會在RF輸出上造成暫時的RF能量脈沖。為了隔離軟件和硬件性能，可以使用RTSA對頻域中的瞬時進行觸發、將事件獲取到內存中，并驅動其他測試儀器以探測可能的錯誤來源。獲取到的信號會以時間關聯的方式表示，協助設計人員了解SDR的數字與模擬區塊中的異常，如何以脈沖噪聲的方式傳播至RF輸出。 

這些RTSA從頻譜瞬時中找出問題的獨特能力，可用來觸發其他儀器，并取得差異極大之硬件與軟件功能實作的時間關聯視圖，如RTSA可在信號路徑的RF和中頻(IF)部分獲取信號，而邏輯分析儀可以獲取數字基帶信號，并將其與RTSA產生的符號表(Symbol Table)互相比較，不僅如此，某些RTSA還提供脫機軟件，可用來分析從邏輯分析儀和示波器獲得的數據，以進行硬件和軟件的測量修正。 

驗證基帶IQ波形質量相當重要 

驗證基帶IQ波形質量對于系統工程師和現場可編程邏輯門陣列(FPGA)設計人員都很重要。其可協助工程師測試基帶在開發的初期階段確認其功能是否正常，因為許多和數字電路有關的問題都出現在FPGA設計中。 

實際設計和應用中的基帶信號為差分信號(I+、I-、Q+和Q-)，并可能有DC偏移，以前能夠直接測試IQ信號的頻譜分析儀非常少，能測試帶有DC偏移之IQ信號的頻譜分析儀就更少，因此工程師不得不使用示波器搭配額外的軟件，以進行后續分析。  

選擇RTSA使工程師能使用差動輸入進行基帶IQ測試，可在分析IQ、IF和RF信號時提供測量的一致性，使用RTSA測試IQ信號還可減少系統的復雜性、簡化測試程序，同時提供比一般用途儀器更高的動態范圍和更大的內存深度。

現代的RTSA集基帶、RF和后續分析功能于一身，如RTSA能以14位的模擬數字轉換器(ADC)，執行DC基帶測量，確保測量的準確性。其中有些還擁有差動IQ輸入功能，使工程師能將RTSA直接連接至基帶IQ信號，以進行誤差向量振幅(EVM)分析，且毋需任何額外的差動探棒組。除了EVM，這些RTSA還提供橫跨多個領域的完全時間關聯測量，包括時域、頻域、調變域和星狀圖，這項功能在為跳頻SDR進行疑難排除時極為重要。 

Live RF頻譜視圖清楚呈現跳頻信號頻率狀態 

頻率平復時間的定義為兩個跳頻頻率之間的時間長度，這是跳頻系統效率的主要來源之一，頻率平復時間越短，系統的跳頻速度就可以越快，測量頻率平復時間可以確保合成器在最佳狀況下運作，并將整體的系統性能最大化。

傳統的頻率平復時間測量方式受限于儀器，而且非常耗時，工程師必須依靠示波器和頻率鑒別器進行測試，且只會顯示信號包絡和約略的信號穩定性。雖然示波器擁有極佳的時序分辨率，但是使用其測量細微的頻率變化可能是一大挑戰(視測量所需的頻率分辨率而定)，示波器無法自動測量跳頻的頻率，也只能估計頻率平復時間。

新開發的RTSA提供自動化的頻率平復時間測量，工程師只要設定頻率平復臨界值和平滑系數等參數，就可以迅速準確地測量跳頻信號的頻率平復時間，也可以看到跳頻時的頻譜變化。除跨越多個領域的時間關聯測量，有些RTSA還能夠產生頻譜的Live RF視圖(圖3)，并提供頻罩觸發(FMT)，這些獨特的功能更有效地簡化了跳頻信號的疑難排除，使測量變得輕松(圖4)。

圖3　RTSA的數字熒光顯示器和頻罩觸發有助于迅速辨識、獲取和疑難排除跳頻信號。

圖4　利用頻譜圖(左上)、頻率對振幅(右上)、信號調變質量(左下)和星狀圖(右下)視圖，為獲取到的偏離中心跳頻信號進行解調變。

一旦辨識出突波或瞬時，并使用實時的視圖將其定義為頻域事件，FMT就能可靠地將信號獲取到內存中，進行深入的后處理分析。頻罩由使用者定義，可加以繪制以獲取最佳的信號，如若跳頻不常發生，使用者能定義波罩，使其在頻率偏差而非功率位準改變的狀況下進行觸發，頻率波罩已定義為此信號周圍的包絡線，儀器會在信號進入頻率波罩區域時進行觸發。Live RF頻譜視圖和頻率觸發的組合，提供設計人員在SDR和數字RF環境中，尋找和排除經常遇見之問題的能力。  

通過RTSA在獲取帶寬中解調變跳頻信號 

要進行橫跨整個帶寬的跳頻信號調變分析，儀器不但要能觸發和獲取動態RF信號，還要擁有載波追蹤向量分析的能力。傳統的向量信號分析儀(VSA)可提供中心頻率的向量分析，但對于偏離中心之信號的分析極為有限(即300kHz或以下)。大多數的向量分析儀，都缺乏在整個獲取帶寬中解調變跳頻信號的載波追蹤能力。 

RTSA能在整個獲取帶寬中解調變跳頻信號，工程師毋須在任何偏離中心的頻率上猜測調變質量，就能為其設計進行驗證和除錯，并可選擇解調變任何獲取到的跳頻信號，以詳細的調變質量分析檢視多個領域的時間關聯測量。 

跳頻技術盡管能改善SDR性能，卻也在設計和測試上帶來傳統測試儀器無法處理的空前挑戰，這些無線電需要嶄新、彈性、整合的方式，以驗證SDR子系統和系統。先進的RTSA提供多個領域的時間關聯測量，以及檢視Live RF頻譜的能力，除此之外，還可提供頻罩觸發、基帶IQ測量，和偏離中心的跳頻解調變。這些功能可讓工程師更簡單地測試與分析時下數字RF世界中經常可見的跳頻無線電，無論是實驗室RF除錯或是現場的系統評估，也無論單獨運作或搭配其他的精密測試設備，RTSA都是現代無線電通信設計有效的測試解決方案。  

作者：楊宗文 泰克公司產品經理