Istotne zagadnienia związane z pomiarami szerokopasmowych systemów bezprzewodowych cz. 1

Użytkownicy sprzętu elektronicznego zapewne często zadają sobie pytanie, czy istnieje jakaś granica funkcjonalności urządzeń? Funkcjonalność, oprócz pomysłowości konstruktorów, w dużym stopniu jest uzależniona od parametrów technicznych podzespołów, z których urządzenia są budowane. W tym zakresie wydaje się, że jeszcze nie powiedzieliśmy ostatniego słowa.

Trend polegający na stosowaniu coraz bardziej wydajnych i złożonych elementów i komponentów obowiązuje nie tylko w sprzęcie profesjonalnym, obserwujemy go nawet w urządzeniach powszechnego użytku. Do grupy urządzeń w których często pojawiają się innowacje techniczne należy zaliczyć sprzęt telekomunikacyjny i informatyczny.

Nie dziwi zatem fakt wykorzystywania w nim najnowszych wersji wzmacniaczy, przełączników, filtrów aktywnych (SAW, BAW) itp. Nowe funkcje, nowe technologie, tak chętnie widziane przez użytkowników, dla producentów stanowią jednak spore wyzwania dotyczące metod testowania i pomiarów urządzeń końcowych. Przykładem mogą być zagadnienia związane z pomiarami urządzeń radiokomunikacyjnych po przejściu na szersze pasma i bardziej złożone rodzaje modulacji (OFDMA, 64QAM itp.).

Na przykład do wyznaczenia charakterystyk przenoszenia wzmacniaczy niezbędne jest dysponowanie zestawem testowym zawierającym odpowiednie dla nich referencyjne źródło wejściowe, a także analizator, którym będzie można badać własności sygnału wyjściowego. Funkcje źródeł wejściowych pełnią generatory sygnałowe, analizatory natomiast powinny umożliwiać pomiar poziomu sygnału wyjściowego i jego częstotliwości, a także wyznaczać wzmocnienie całkowite i liniowość charakterystyki.

Do prawidłowej oceny wzmacniaczy nieliniowych i szerokopasmowych niezbędne może okazać się stosowanie modulowanych sygnałów wejściowych. Niegdyś ich funkcję pełniły sygnały jedno- lub wielotonowe, ale dziś ich przydatność do badania nowoczesnych urządzeń staje się niewystarczająca. Jako źródło sygnału wejściowego coraz częściej stosowane są wektorowe generatory sygnałowe.

Liniowość wzmacniaczy w.cz.

Istotne własności każdego wzmacniacza zależą od klasy, w której pracuje. Niestety, zwykle konieczne jest podejmowanie kompromisów na przykład pomiędzy liniowością a wydajnością i zużyciem energii. Użytkownicy oczekują oczywiście urządzeń oszczędnych w eksploatacji, pracujących długo bez wymiany baterii lub ładowania akumulatora. Dla inżynierów ważniejsze na ogół jest zapewnienie dobrych parametrów, w tym wysokiej liniowości, od której zależą małe zniekształcenia sygnału.

W pierwszym przypadku stosowane są wzmacniacze pracujące w klasie C. Duże zniekształcenia wynikające z ich nieliniowości są w pewnym stopniu minimalizowane przez odpowiednią kompensację obciążenia wzmacniacza. Działania takie jednak odnoszą skutek jedynie dla wąskiego zakresu częstotliwości i nie nadają się do stosowania we wzmacniaczach szerokopasmowych lub wzmacniaczach multi-carrier. Pewien kompromis pomiędzy liniowością a wydajnością jest osiągany we wzmacniaczach w.cz. najnowszej generacji przez stosowanie złożonej metody kompensacji oraz przejście do klasy AB.

W rozwiązaniach klasycznych kompensacja jest realizowana dzięki ujemnemu sprzężeniu zwrotnemu, w którym mała część sygnału wyjściowego jest podawana na wejście wzmacniacza. Zniekształcenia pojawiające się na wyjściu są korygowane przez odpowiednie zmniejszanie sygnału wejściowego (z zachowaniem ustalonego współczynnika korekcji). W sprzęcie nowoczesnym pojawiają się rozwiązania dużo bardziej wyrafinowane, często zaskakujące. Stosuje się w nich sprzężenie "w przód" (feedforward) lub układy predistortion.

Wykorzystywany jest tu efekt poprawy liniowości wzmacniacza przez kontrolowane wprowadzenie zniekształceń sygnału wejściowego. Technika ta stała się całkiem przystępna, gdy pojawiły się względnie tanie procesory DSP. Umożliwiają one bowiem cyfrową realizację pre-distortion. Obecnie jest to jedna z podstawowych technik stosowanych przy konstruowaniu wydajnych, szerokopasmowych wzmacniaczy w.cz.

Zwiększenie szybkości przesyłu danych w urządzeniach radiokomunikacyjnych jest osiągane przez poszerzanie pasma roboczego i stosowanie złożonych modulacji. Przykładowo, modulacja 64QAM wymaga sygnałów wyjściowych charakteryzujących się bardzo dużą liniowością. Mimo nowych technik pozwalających uzyskiwać żądane parametry urządzeń, dla konstruktorów nadal sporym wyzwaniem pozostaje jednoczesne zapewnienie wysokiej wydajności i liniowości.

CCDF

Modulacje stosowane w urządzeniach najnowszych generacji wymagają analizowania szeregu zagadnień niebadanych w urządzeniach starszych. Przykładem jest oddziaływanie częstotliwości nośnych i ustalonego kodu na amplitudę sygnału. Zależność tę opisuje funkcja CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function), która, ujmując to inaczej, charakteryzuje stosunek wartości szczytowej do średniej sygnału (PAR), dając wyobrażenie o statystycznym rozkładzie mocy sygnału. Funkcja ta jest jedną z najważniejszych w badaniu wzmacniaczy mocy OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access), stosowanych na przykład w systemach LTE. Wzmacniacze te muszą być zdolne do wzmacniania sygnałów z dużym PAR przy jednoczesnym utrzymywaniu dobrego przylegania kanałów i wysokiej wydajności.

Wykres funkcji CCDF pierwotnie był wykorzystywany do oceny wydajności wzmacniaczy mocy multicarrier. Mierzono tą metodą wyrażony w procentach stosunek czasu, w którym PAR przewyższa zadany poziom mocy do całkowitego czasu pomiaru. Jest to istotne, ponieważ dzięki temu można określać, jak często sygnał wymaga bardzo wysokiej mocy chwilowej i z jakimi poziomami mamy do czynienia.

Występowanie takich pików stanowi spore wyzwanie dla konstruktorów stawiających sobie na celu projektowanie urządzeń zapewniających uzyskiwanie sygnałów wyjściowych o dużej liniowości (niezniekształcanych). Funkcja CCDF pokazuje wyraźnie, jak przyjęty kompromis pomiędzy wydajnością a liniowością wpływa na jakość sygnału wyjściowego.

Zagadnienia związane z pomiarami szerokopasmowych systemów bezprzewodowych w ujęciu praktycznym zostaną przedstawione w drugiej części artykułu. Główny nacisk będzie położony na trzy zagadnienia o kluczowym znaczeniu dla skróceniu czasu pomiarów i zwiększeniu ich dokładności.

Artykuł opracowano na podstawie materiałów Anritsu

Jarosław Doliński
EP
Meratronik
www.meratronik.pl