基于FPGA的数字基带信号的矢量信号分析
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基于FPGA的数字基带信号的矢量信号分析 斯科特·弗格森 安捷伦科技公司 1900年―众神花园‖采访 科罗拉多斯普林斯市 sferguson@agilent.com
文摘——本文介绍了新技术,分析现场可编程门阵列(fpga)的数字信号和调制
质量。这种融合了逻辑分析与那些矢量信号分析的创新，可以提供设计者以数字基带和信号处理系统，就如同模数转换和数字模拟转换器有能力作出他们以前无法或难以做出的关键测量。 因而FPGA将继续投入更多资金于无线、卫星通信的DSP领域，随着数字基带和IF信号日益上升的主导地位，他们代表了挑战无线电和卫星系统的设计。DSP电路设计者们不断地做出折衷复杂性设计 (位精度、数量的过滤器水龙头等)、能耗、和信号质量。关键测量误差同矢量大小一样作为衡量性能的影响。此前,矢量信号分析测量迄今一直直接集成到射频测试仪器,或者编写为自定义软件基带设计。随着整个区域无线电的数字化和集成于一个芯片上，我们需要的新方法是在数字无线电中描述某个子系统。 本文介绍了一个FPGA动态探针和FFT-based矢量信号分析软件包的组合,前者使得路由的信号组中的一个在FPGA逻辑分析仪，并通过一个小物理数量包测量。这种组合提供了对FPGA数字信号同时测量时间域,频谱,和调制质量的方法。它还提供了FPGA的无重新设计耗时的各种内部网络信号分析的快速选择。
介绍——现场可编程门阵列(FPGA)广泛应用于在无线、航空航天、国防应用的
数字信号处理(DSP)领域。他们的可编程性使设计者能够建立早期的原型系统,同时规范仍然在不断变化的系统,以及利用单一的硬件设计支持多种通信技术。他们的日益增长的表现使数字化进程可以提高越来越宽的带宽,提高信号的质量,同时降低功耗和材料成本。随着一个数字化接收信号所占的上升比例,对于模拟谱和矢量信号分析的探测点的数量正在减少。 由于缺乏相关的噪音和非线性模拟信号处理，数字信号处理系统有能力创造出近乎完美的信号质量。然而, 在信号质量DSP系统中, 不断权衡系统成本、能量消耗,和投放市场的时间以满足需求。由于这个原因,在数字信号分析组件和子组件是需要查看设计，相对取舍影响信号的品质。多年来误差矢量幅度(EVM)一直是广受欢迎的调制信号质量的标准。最大EVM指定要求为各种标准的无线技术,如WiMAX和W—CDMA。当一个无线信号显示的EVM不能令人满意,问题的来源需要被孤立于个体组件级别(基带过滤质量,数字前置失真[2]、顶因素减少,等等)。 数字无线电设计中，不同位置的EVM的演示的方法：简化的QAM16调制器在Xilinx的实施Virtex-II FPGA。如图1所示。设计由一个QAM16符号编码器(一个4位查找表) 以25 Msymbols /秒运行,然后一个余弦滤波器和数字化IF调制阶段。插值RRC过滤器举例的符号4,输出过滤后的100 Msamples /秒的数据。一个IF本地振荡器以100 Msamples /秒（4位/时间)产生一个25 MHz的信号,并将其应用于过滤后的数据，然后合并创建一个数字IF信号。而一个更实际的电路设计应包括数字失真和/或顶点因素减少,这个简单的例子就足以阐述这个概念。 模拟与真实世界 DSP电路的分析可以进行仿真。然而随着FPGA技术的生产力的提升,它通常可以更快速和更容易地构建一个原型设计，和调试它的硬件。因为设计变动不再需要大量的费用和时间(与ASICs一样),FPGA设计工作就像软件设计，在设计周期中编译和调试更早,在仿真上花费时间更少。 在仿真环境和真实的硬件设计中，分析电路的行为也减少了错误的风险和不正确的假设。 访问内部的FPGA信号 设计的例子中,有3个有趣的观点来验证——未过滤的符号, 从RRC过滤后的IQ流和标量IF信号。未过滤的符号有8位精度,而所有RRC过滤器过滤后的信号有24位。在每一个点执行信号分析,获得88个必需的的内部信号。一个逻辑分析仪将用来捕捉这些信号的实时线路。 88个的点固定在一个小的FPGA芯片，用来连接一个逻辑分析仪是不现实和昂贵的。所以一个动态探针(见图2)被纳入到FPGA设计。一个FPGA动态指针就是一个多路传输切换,它插入到设计合成后的地方或路线之前。一个核心插入工具用于选择信号堆的数量和信号/堆,以及分配物理大头针地点为多路输出。在这个例子中,25针(24的数据信号,1个用于时钟)是用于连接FPGA外部端口的88个信号。那些25线路连接到一个逻辑分析仪与特定的旨在控制转换多路传输软件。 多路传输核心的另一个方面是,它可以把利用逻辑分析仪的内置分路器特性,并通过24针提供48信号 (例如I将以上升时钟的边缘,而Q将转移在下降边缘)。 在多路传输核心被编译成FPGA程序后,逻辑分析仪通过JTAG接口控制FPGA。当用户选择一个信号组(或堆)进行观看时,消息通过JTAG发送到FPGA配置开关。同时,逻辑分析仪是通过新的信号的名字,以匹配现在被探测的信号线路名称。这个开关配置对信号线路没有做出任何改变,这意味着电路计时不被影响。 此前, 在一个大型的设计中 FPGA信号的交互式调试需要开发由最终用户定制的多路传输，或许多小时的重新编译一个设计选择不同的信号连接到调试端口。如果执行得不小心,一个FPGA设计的编译也可能影响电路计时,导致问题出现或消失。使用动态探针保存编译时刻和消除了计时变化的风险。 从88个的内部网络(48个一次)中，使用25针逻辑和25逻辑分析仪渠道，分析仪可以捕获信号数据。 数字信号与数字化信号 虽然许多信号是数字的,然而在DSP电路中的信号是数字信号或模拟信号的数字表示。这可以使用逻辑分析仪的可视化图表显示功能,如图3所示。使用两个8位值为I和Q符号演示一个模拟波形。在传统的总线样式显示中，同样的波形是较低的部分，如图所示。
其他有趣的时域分析可以用逻辑分析仪,如测量RRC过滤器的群时延。在图4中, 之前和之后的RRC过滤器的“I”符号流被捕获 (分别名为“i_symbol”和“i_baseband”)。可以使用标记和一个信号视觉检测来测量群时延。在图中, 两个行中的宽平标记中点,时间间隔250纳秒的测量显示在屏幕左上角的一部分。
数字矢量信号分析 超越平滑的波形验证和时间间隔测量,逻辑分析仪通常并不提供了更多的信号分析的能力。用户不得不做出自己的自定义分析工具,连接仪器到自己的软件包或商业的数学工具。然而这种做法是耗时的,它还增加了对项目周期的风险，因为错误的可能性在于基带信号分析工具。 为使测量和调试变得更容易和更安全，一个新的完整工具在商业矢量信号分析软件和逻辑分析仪中被使用,如图5所示。 在这个测试环境下,安捷伦89601A矢量信号分析软件通过局域网和DCOM连接到16900系列逻辑分析仪。VSA软件捕获发布的数据,上传数字数据,并进行分析。这个软件是一种FFT-基础 VSA分析包,并能提供一些频谱分析以及I-Q时域。通过分析被使用的调制方案的特有的特性,高阶测量像EVM,重大错误,和相位误差都可以计算出来。 通过结合FPGA动态探针与数字化VSA,可能在QAM16设计的例子中研究RRC过滤器和IF调制器的有效性,。图6显示了一个未过滤信号流的分析。典型的展示还包括谱、星座、误差向量与时刻和错误的测量。频谱有周期性的性质,这是因为它是未经过滤的。 接下来,我们可以检查经过RRC过滤处理的IQ基带信号,为了做到这一点,我们首先在FPGA动态探针中选择适当的堆,然后重新连接VSA软件。图7显示了VSA分析滤波信号。注意边带已被移除的光谱。QAM16现在展示出的星座是4分的出现在更流畅的连接曲线的符号。RRC过滤器的EVM影响大约0.5%。该产品可通过添加更多的过滤器，牺牲设计大小和功率消耗改善,。
为了查看和分析IF调制数字信号,我们选择附带感兴趣的信号的FPGA堆，并使用逻辑分析仪的FPGA探测器。然后我们重新连接VSA分析。 在图8中，IF本地振荡器(同相分量和正交)会显示旁边的数字IF信号。利用25兆赫谐振和一个100 Msample /秒的时钟频率,我们只有4抽样时刻/本地振荡器时期。 这产生了一个LO有效三角波,或者一个极其简化的正弦波。在数字IF调制中这是一个常见的把戏;由此产生的信号包含所有符号信息，通过调整解调的中心频率为50 MHz，这个信号仍然可以成功地解调VSA, (如图9所示)。
一个简化的IF本地振荡器通过使用非常小的查找表而不是复杂的直接数字合成块，可以节省电力和设计空间。结果IF信号可能需要过滤，来平滑奇形怪状的LO波形产生的间断。 常见的数字信号问题 使用VSA分析功能可以迅速发现一些常见的问题。举一个例子, 使用“误差向量时间” 可以很快发现微小误差符号速率或数字采样率，如图10所示。误差向量为一个线性时间的函数显示符号错误阶段的变化。 在“误差向量时间”显示中,没一个时刻的单个错误矢量与时间一同显示。这个错误矢量是建立在从需要的符号中营造一个理想的(或“参考”)信号。错误矢量作为每个测量样品和模拟参考信号的差异来计算。 电压或纵向范围中的错误通常显示为一个减少的频谱,以及显示中红色符号标记星座的拓展。图11显示了一个低动态范围QAM16信号的VSA分析。这是通过丢弃最显著的19位IQ的基带信号简单创建的，如图7所示,从而每个分辨率为I和Q只有5位。
减少的动态范围是在低对比度中，在一个光谱带与相邻的频率二者间被显示出来。QAM16 I-Q星座中红标记也分布在一个更大的区域,，EVM管理数据更高(7%相对原来的0.5%)。 复杂的信号格式 不是每个数字基带或IF信号都可以作为一个并行总线的周期性的时钟。新兴
