Pomiary RF - nowoczesne techniki

Osiągnięcie wygórowanych do granic możliwości parametrów współczesnych urządzeń radiowych nie byłoby możliwe bez zaawansowanych technik projektowania i komputerowej symulacji obwodów. Wynik końcowy całego procesu projektowania jest zależny od jakości modeli i danych wejściowych, na których oparte są analizy i symulacje.

Symulacja powinna zapewniać jak najwierniejsze odtwarzanie warunków rzeczywistych, a jest to możliwe tylko wtedy, gdy dane wejściowe uzyskano w wyniku pomiarów urządzeń rzeczywistych, pracujących w rzeczywistym otoczeniu. Zastosowanie metod symulacyjnych stanowi wyraźnie zarysowujący się w ostatnim czasie trend związany z nowoczesnymi technikami projektowania i pomiarów RF. Mamy więc metodę pozwalającą odtwarzać bardzo złożone środowisko RF w powtarzalnych warunkach laboratoryjnych (rys. 1).

Pierwszym etapem całego procesu jest dokładne zdjęcie (zmierzenie) charakterystyki środowiska, która będzie następnie odtwarzana w warunkach laboratoryjnych. Nie jest to zadanie łatwe, gdyż trzeba uwzględniać występujące w warunkach naturalnych szumy i interferencje. Okazuje się, że dużo trudniej jest wygenerować szum, który z dostateczną dokładnością statystyczną charakteryzuje środowisko naturalne, niż odtworzyć takie warunki na podstawie przechwyconych w trakcie pomiarów otoczenia próbek. Do pomiarów naturalnych warunków RF stosowane są analizatory sygnałów, natomiast do odtworzenia tych warunków wykorzystywane są generatory sygnałowe. Taka metoda projektowania i pomiarów nosi nazwę capture-replay.

Przechwytywanie/odtwarzanie sygnałów

Rys. 1. Nowoczesne stanowisko pomiarów RF z zastosowaniem metod symulacyjnych

System pomiarowy capture-replay składa się z kilku elementów. Zadaniem pierwszego jest przechwytywanie i digitalizacja sygnałów RF oraz zapisywanie ich w postaci cyfrowej jako wektorów IQ. Zapisane próbki sygnału RF są następnie odczytywane i odtwarzane na wyjściu z odpowiednią częstotliwością i poziomem mocy.

Istnieją implementacje systemu przeznaczone dla konkretnego użytkownika/aplikacji, jak również rozwiązania uniwersalne, które w elastyczny sposób wykorzystują ogólnodostępne urządzenia pomiarowe. W rozwiązaniach dla użytkowników na ogół zakładana jest określona częstotliwość próbkowania sygnału RF, jak również przyjmowane są inne parametry optymalizujące, zależne od żądanej częstotliwości i poziomu użytkowego sygnału RF.

W rozwiązaniach uniwersalnych stosowane jest zwykle dynamiczne przechwytywanie sygnału RF, regulowana jest także częstotliwości i moc sygnału wyjściowego. Wykorzystuje się do tego powszechnie stosowane analizatory widma i wektorowe generatory sygnałowe oraz standardowe oprzyrządowanie, takie jak miksery/oscylatory heterodynowe oraz tłumiki. Wadą systemów elastycznych jest brak możliwości dokładnej optymalizacji dla konkretnych aplikacji.

Podstawą koncepcji przechwytywania sygnału przez analizator widma jest jego zdolność do digitalizacji i próbkowania wektora IQ. Cechę tę mają nowoczesne wektorowe analizatory sygnałów. Wektor IQ zawiera informacje o amplitudzie i fazie sygnału. Analizator wykorzystywany w opisywanym systemie musi mieć oczywiście zdolność do zapisywania próbek sygnału w jakimś rodzaju pamięci masowej. Może to być na przykład wewnętrzny dysk twardy albo dysk zewnętrznego serwera.

Oprogramowanie analizatora może też zawierać odpowiednie funkcje analityczne, które pozwolą użytkownikowi bezpośrednio badać przechwycony sygnał i przeprowadzać na nim specyficzne pomiary (np. pasmo zajmowane, niepożądana emisja, błąd EVM/częstotliwości). Oprogramowanie może pracować na danych zbieranych bezpośrednio lub zapisanych na dysku i odtwarzanych w trybie post-processing (rys. 2).

Koncepcja odtwarzania sygnałów opiera się na generatorach arbitralnych AWG (Arbitrary Waveform Generator). Urządzenia te mają wbudowaną pamięć, w której są zachowane wektory IQ w postaci przebiegów. Przebiegi te są więc odtwarzane z pamięci i podawane do modulatora wektorowego, na którego wyjściu jest uzyskiwany analogowy sygnał imitujący warunki rzeczywiste. Dokładność odtwarzania takich warunków z danych zapisanych w formacie wektora IQ jest dla użytkownika wystarczająca. Pozostaje więc jedynie doprowadzenie takiego sygnału do stopnia końcowego, który zapewnia wymaganą częstotliwość sygnału i jego poziom w szerokim zakresie zmian.

Wektorowe generatory sygnałowe mogą współpracować z oprogramowaniem służącym do analizowania wektorów IQ przy zastosowaniu funkcji Fouriera (FFT) i CCDF (Complementary Cumulative Distribution Funcition), możliwa jest także analiza w dziedzinie czasu. Informacje o sygnale mogą być wykorzystywane do tworzenia własnych przebiegów arbitralnych.

Na rysunku 3 przedstawiono przykładowe wykresy funkcji CCDF i FFT. Interpretacja takich parametrów, jak współczynnik szczytu czy PAPR (Peak-to-Average Power Ratio), jest bardzo przydatna do optymalizacji parametrów sygnału RF, a w efekcie generowania sygnału RF zgodnego z założeniami. Jest jeszcze jedna korzyść wynikająca z tak przyjętej koncepcji. Przebieg jest zwykle pobierany z wyjścia wektorowego modulatora IQ i ma postać jednopasmowego sygnału IQ (bez konwersji na RF). Sygnał taki może być następnie podawany na analogowe wejście IQ, które umożliwia dołączenie strumienia danych bezpośrednio, w czasie rzeczywistym, do stopnia końcowego.

Opis kluczowych parametrów i ograniczenia innych rozwiązań

Czas przechwytywania sygnału przez analizator sygnałów i czas odtwarzania tego sygnału w generatorze sygnałowym

Rys. 2. Analiza sygnałów RF z zastosowaniem narzędzi symulacyjnych

W sposób oczywisty parametr ten jest uzależniony od wielkości pamięci, jaką dysponują urządzenia, ale ograniczeniem może być też na przykład dopuszczalna długość zapisywanego/odtwarz anego pliku. Należy ponadto zwracać uwagę na to, czy szybkość odczytu pamięci jest wystarczająca do odtwarzania sygnału z założoną szybkością próbkowania.

Niestety, spotykane powszechnie pamięci masowe typu półprzewodnikowego (Flash) lub mechanicznego (klasyczne dyski twarde) nie spełniają tego warunku. Długość generowanego przebiegu jest funkcją pojemności pamięci i szybkości próbkowania, która z kolei zależy od pasma sygnału. Należy też pamiętać o ograniczeniach wprowadzanych przez inne czynniki: rozkład sygnału na składniki kwadraturowe I-Q (In-phase/Quadraturephase), korekcja przebiegu, decymacja, obliczenia zmiennoprzecinkowe itp.

Najprostszą metodą otrzymywania przebiegu wyjściowego jest składanie go z próbek o określonych amplitudach (skalarne próbkowanie sygnału). W omawianej metodzie przebieg jest jednak rozkładany na składniki I-Q, i tak uzyskane wektory zawierające informację o fazie są zapisywane w pamięci.

Umożliwia to prowadzenie analizy Fouriera po modulacji cyfrowej. Całkowity czas odtwarzanego przebiegu wynika z liczby zapisanych próbek i szybkości ich odtwarzania (sampling rate). Wielkość dostępnej pamięci w spotykanych obecnie analizatorach jest rzędu 1 GB. Można w niej przeznaczyć ok. 100 M próbek na pomiar.

Szybkość próbkowania jest natomiast limitowana zakresem częstotliwości dla analizy FFT, ale w analizatorach sygnałów częstotliwość próbkowania jest dobierana automatycznie na podstawie ustawionego zakresu analizowanych częstotliwości. W związku z tym, jeśli wybrano tryb nastaw automatycznych, nie ma potrzeby obliczania wymaganej szybkości próbkowania.

Maksymalny czas przechwytywania i maksymalna liczba próbek są ustalane wspólnie na podstawie przyjętej szybkości próbkowania. Zwykle jako parametr pomiaru jest przyjmowana nie maksymalna, lecz optymalna liczba próbek. W tabeli 1 zestawiono szybkości próbkowania dla kilku zakresów częstotliwości i związane z nimi czasy trwania przebiegu oraz maksymalne liczby próbek.

Pasmo analizowane/zakres częstotliwości

Rys. 3. Wykresy CCDF (a) i FFT (b)

Jednym z najważniejszych warunków uzyskania prawidłowego wyniku pomiaru jest dostosowanie pasma analizowanego do maksymalnej szerokości pasma sygnału mierzonego, zgodnie z teorią o próbkowaniu. Warunek ten dotyczy zarówno pomiaru (przechwytywania) sygnału, jak i jego generowania. W przypadku generowania dwóch przebiegów o jednakowym czasie trwania, większej pamięci będzie wymagał przebieg o szerszym paśmie. Przy założeniu stałej wielkości pamięci pasmo i długość przebiegu są parametrami wymiennymi. Dla zapewnienia prawidłowego odtwarzania sygnału przez generator, zakres jego częstotliwości musi być równy lub większy od zakresu częstotliwości analizatora.

Widmo uzyskiwane w wyniku zastosowania funkcji FFT składa się z sekwencji amplitud odpowiadających punktom o dyskretnych częstotliwościach. Ponadto zakres częstotliwości obliczanych przez funkcję FFT jest uzależniony od częstotliwości próbkowania, podczas gdy odstęp pomiędzy dyskretnymi wartościami częstotliwości (rozdzielczość częstotliwościowa) jest odwrotnie proporcjonalny do liczby punktów (liczby próbek).

Wskutek tego, dane dla funkcji FFT są digitalizowane z szybkością próbkowania odpowiednią do zakresu częstotliwości dla żądanego widma, przy jednoczesnym zapewnieniu liczby próbek wymaganych dla założonej rozdzielczości częstotliwości. Inaczej mówiąc, dane dla funkcji FFT muszą być digitalizowane z taką częstotliwością próbkowania i zapewnieniem takiej liczby próbek, która umożliwi osiągnięcie oczekiwanego zakresu częstotliwości i rozdzielczości w widmie wynikowym. Nawiasem mówiąc, w analizatorach widma rozdzielczość częstotliwości jest określana przez parametr RBW (Resolution Bandwidth), a wymagany czas pomiaru lub czas przemiatania jest uzależniony od parametru RBW i zakresu częstotliwości.

Analizatory sygnałów emulują cechy użytkowe analizatorów widma. W celu zapewnienia jak największej spójności wyników uzyskiwanych z obu rodzajów analizatorów, w analizatorach sygnałów przyjęto podobną koncepcję określania rozdzielczości parametrem RBW. Szybkość próbkowania i długość rekordu danych wymagana przez funkcję FFT wyznaczają automatycznie zakres częstotliwości i wartość RBW. Ponadto, odpowiedni dla wybranego zakresu częstotliwości parametr RBW może być ustawiany automatycznie.

Jednocześnie w analizatorach sygnałów, podobnie jak w analizatorach widma, czas pomiaru wydłuża się, ponieważ zwiększa się liczba operacji obliczeniowych. Wraz ze zmniejszaniem się RBW rośnie rozdzielczość częstotliwościowa. Podczas wykonywania obliczeń FFT występują błędy objawiające się pozornym poszerzeniem widma. Wynikają one z różnych wartości próbek otrzymywanych w pobliżu początku i końca analizowanego przedziału czasu.

Aby zabezpieczyć się przed tym niepożądanym efektem, w analizatorach sygnałowych stosowane jest zazwyczaj okno Gaussa. Powoduje ono modyfikowanie danych przed i po żądanym czasie próbkowania dające efekt wygładzenia próbek. Konieczne jest jednak dysponowanie danymi zebranymi poza czasowym okresem analizy. Oznacza to, że długość rekordu danych potrzebnych do analizy (długość rekordu I-Q) staje się większa niż docelowy czas analizy.

Dzieje się tak również w trybach pomiarowych niewykorzystujących analizy FFT. Na przykład w pomiarach mocy w funkcji czasu dane uzyskane poza analizowanym przedziałem czasu są wykorzystywane do obliczania średniej ruchomej, korzysta z nich także funkcja tworzącą spektrogram. Liczba próbek uzyskiwanych przed i po czasie analizy jest uzależniona od typu śledzenia, a także dokładności pomiarów z użyciem markerów (Marker Result). Zazwyczaj długość danych jest wybierana automatycznie tak, aby czas pomiaru był jak najkrótszy, przy jednoczesnym uwzględnieniu wielkość okna niezbędnego do obliczeń parametrów I.

Zakres dynamiki

Rys. 4. Kalibrowane elementy toru pomiarowego RF

Zakres dynamiki determinuje dokładność ustalania poziomu sygnału zarówno na etapie przechwytywania, jak i odtwarzania sygnału. W obu przypadkach zakres dynamiki zależy od dokładności przetwarzania analogowo-cyfrowego i cyfrowo-analogowego. Ma to także wpływ na następne etapy realizowane w stopniach RF (dokładność poziomu sygnału, stabilność stopni RF, wzmacniaczy, tłumików itp.).

Poziom sygnału wejściowego analizatora jest ustalany przez bloki wejściowe - przedwzmacniacze, tłumiki sygnału, odpowiednio do zakresu mocy sygnału mierzonego. Jeśli dokonywana jest przemiana częstotliwości, to najczęściej w jednym urządzeniu jest kilka stopni realizujących to zadanie, mimo że teoretycznie mógłby być stosowany jeden taki stopień. Rozwiązanie takie zapewnia większą liniowość i stabilność w szerokim zakresie częstotliwości.

Dodatkowo, jeśli badany sygnał zawiera częstotliwości powyżej maksymalnej częstotliwości, którą mierzy urządzenie, aby zmieścić się w zakresie pomiarowym przyrządu, czasami stosuje się konwertery przetwarzające częstotliwość w dół. Tor sygnału dla przemiany częstotliwości jest taki sam w analizatorach sygnałów, jak i w analizatorach widma, w obu przypadkach mamy do czynienia z takimi samymi zagadnieniami. Nie można jednak zapominać o tym, że szumy i nieliniowości powstające w analogowych stopniach przemiany częstotliwości dodają się do mierzonych wartości. Wskutek tego, do przetwarzania bardzo małych sygnałów wysokiej częstotliwości niezbędne są obwody wykonane w zaawansowanej technologii analogowej.

Cztery porady przydatne do optymalizacji pomiarów

Tabela 1. Zestawienie pozostających ze sobą w relacji parametrów związanych z cyfrowym generowaniem przebiegów

Zapisywanie plików i konwersja sygnału powinny być dopasowane do typu danych. Jeśli dane składają się z krótkich paczek, do ich magazynowania można stosować pamięć wewnętrzną, która zazwyczaj jest w pełni zintegrowana z procesem konwersji danych do formatu IQ. Jeśli wymagane są dłuższe czasy przechwytywania, może okazać się konieczne stosowanie szybkich urządzeń do strumieniowego przesyłania i rejestracji danych w urządzeniach zewnętrznych (np. 1 terabajtowy dysk S-ATA ze sterownikiem 64 GB zewnętrznej pamięci RAM). Konieczne jest dysponowanie w przyrządzie odpowiednio szybkim portem, przez który dane są przesyłane do urządzenia magazynującego. Porty obu urządzeń powinny oczywiście zapewniać pełną kompatybilność (np. 10 Gb Ethernet).

Drugim zaleceniem istotnym na etapie przechwytywania sygnału jest stosowanie częstotliwości próbkowania dopasowanej do częstotliwości późniejszego odtwarzania. Jak było napisane wcześniej, szybkość odtwarzania próbek może być dobierana w analizatorach sygnałów automatycznie w zależności od ustawienia pasma pomiarowego.

W takim trybie sygnał będzie odtwarzany z prawidłową szybkością. Jeśli przyjęto ręczne ustawianie parametrów, należy zwracać baczną uwagę na to, czy szybkość próbkowania jest dobrana odpowiednio do przyjętego zakresu mierzonych częstotliwości. Należy pamiętać o tym, że każda częstotliwość wyższa od dopuszczalnej dla ustawionej szybkości próbkowania będzie bez filtru antyaliasingowego powodowała powstawanie artefaktów w próbkowanym sygnale. Będą one fałszowały sygnał.

Bardzo dużo kłopotów może sprawić modelowanie zaszumionych sygnałów. Jeśli do symulacji środowiska z dużymi szumami i interferencjami zastosowano tylko podstawowe narzędzia modelowania, uzyskanie zadowalającego efektu końcowego może być bardzo trudne, a czasami nawet niewykonalne.

W takich przypadkach zalecane jest pozyskiwanie próbek RF zawierających naturalny szum występujący w środowisku. Na ich podstawie będzie później możliwe odtworzenie tego środowiska w warunkach laboratoryjnych do celów pomiarowych. Stosując selektywną filtrację częstotliwości w analizatorach sygnałów RF, będzie możliwe wyizolowanie i zachowanie specyficznych komponentów szumowych mających istotne znaczenie dla prowadzonych pomiarów.

Podstawowe znaczenie dla uzyskiwania wymaganej dokładności pomiaru ma jednak kalibracja (rys. 4). Nie trzeba tłumaczyć, że błędy powstające na etapie przechwytywania RF będą generowały błędy w rekordzie danych, a następnie w odtwarzanym sygnale lub analizowanych danych. Obwody przechwytywania sygnału RF powinny więc mieć efektywnie działające obwody kalibracji. Duża część typowych analizatorów widma ma 50-megahercowy sygnał referencyjny.

Jego częstotliwość jest przesuwana w dół przez odpowiedni konwerter, a następnie jest on mierzony w przetworniku A/C. Możliwa jest na tym etapie korekcja błędów. Chociaż daje to ogólnie dobrą stabilność, nie zapewnia prawidłowej kalibracji w zakresie próbkowanych częstotliwości. Mogą też wystąpić błędy związane z przepustowością i zmianami częstotliwości w odniesieniu do częstotliwości 50 MHz.

W analizatorach Anritsu MS2830A i MS2690A zastosowano unikatowe bloki kalibracji "full band", zawierające konwertery częstotliwości w dół i przetworniki A/C pracujące w pełnym paśmie (do 4 lub do 6 GHz). Następnie przeprowadzana jest korekcja w czasie rzeczywistym z zastosowaniem filtru FIR (Finite Impulse Response) o odwróconej charakterystyce. Metoda ta efektywnie likwiduje wszystkie błędy powstające w obwodach RF i przetwornikach ADC, a na wyjściu jest otrzymywany wyczyszczony i skorygowany zestaw próbek.

Jarosław Doliński, EP
Meratronik
www.meratronik.pl