Pomiary w technice impulsowej - metody, wady i ograniczenia cz. 2

Rys. 5. Odpowiedź na pobudzenie impulsowe wąskopasmowego układu p.cz.

W pierwszej części artykułu poruszono problem ograniczeń pomiarów impulsowych. Temat ten należy uzupełnić wyjaśnieniem znaczenia istotnego parametru przyrządów pomiarowych, jakim jest czas narastania. Różna od zera wartość tego parametru jest przyczyną ograniczania pasma, co z kolei zmniejsza rozdzielczość pomiaru. Dotyczy to przypadku, w którym modulacja jest realizowana w obwodach w.cz., jeśli zaś modulacja przebiega w zakresie p.cz., zasada ta obowiązuje nadal, ale tylko w odniesieniu do obwodów p.cz. W torze p.cz., w którym pasmo jest ograniczone, należy spodziewać się zniekształcenia odpowiedzi impulsowej. Przykładem ilustrującym taki przypadek może być przepuszczenie impulsu o szerokości 100 ns i czasie narastania i opadania równym 3 ns przez tor p.cz. o paśmie 5 MHz. Przebieg taki przedstawiono na rysunku 5. Jak widać, jest on mocno zniekształcony (stłumiony i przesunięty w czasie) przez wąskopasmowy tor p.cz.

Metoda pomiaru wyzwalanego

Metoda pomiaru wyzwalanego była stosowana głównie w przypadkach, w których występowały stosunkowo długie czasy powtórzeń impulsów. Analizator VNA jest wówczas wyzwalany tak, jak w klasycznych metodach pomiarowych narastającymi zboczami impulsów mierzonych (mogą to być także impulsy synchronizujące). Metoda ta pozwala unikać zależności współczynnika wypełnienia, charakterystycznej dla metod pomiarowych z ograniczeniem pasma, i lepiej kontrolować opóźnienie między impulsem wyzwalającym a momentem dokonania pomiaru. Pewną trudnością w tej metodzie jest ustalenie momentu lub przedziału czasu pomiędzy impulsem synchronizującym i rozpoczęciem okna pomiarowego. Problemy z synchronizacją czasową często wpływają na niepewność pomiaru.

Rys. 6. Przykładowa konfiguracja stanowiska do wyzwalanego pomiaru impulsowego

Przykładowe stanowisko pomiarowe dla omawianej metody przedstawiono na rysunku 6. Analizator VNA jest wyzwalany sygnałem zewnętrznym i przez cały czas wykonuje określoną z góry liczbę standardowych pomiarów. Analizator użyty do pomiaru jest wyzwalany bezpośrednio zboczem impulsu. Unika się w ten sposób problemów, które mogą wystąpić po stronie odbiorczej i uniezależnia pomiar od współczynnika wypełnienia. Historycznie metoda taka była ograniczona do pomiarów z względnie niskimi częstotliwościami powtarzania impulsów (PRF) i impulsów o dużej szerokości. Zastosowanie przebiegu wyzwalającego zapewnia, że VNA wykonuje pomiary tylko wtedy, gdy są do niego podawane impulsy wyzwalające. Przebieg wyzwalający może być także dobierany pod kątem unikania efektów związanych ze zboczami sygnału impulsowego.

Ograniczenia metody pomiarów wyzwalanych

Rys. 7. Nieokreśloność wyzwolenia w pomiarach metodą z wyzwalaniem powoduje powstanie niepewności związanej z wielkością opóźnienia, które użytkownik musi uwzględnić dla prawidłowego wykonania pomiaru

Największą trudnością podczas realizacji pomiarów metodą wyzwalaną jest kontrolowanie opóźnienia między zdarzeniem wyzwalającym a momentem, w którym w rzeczywistości jest wykonywany pomiar. W niektórych rozwiązaniach nieokreśloność tego opóźnienia może być znaczna, a nie można jej lekceważyć, gdyż ma wpływ na niepewność pomiaru (rys. 7). W praktyce oznacza to, że przydatność tej metody jest ograniczona do pomiarów impulsów o szerokości minimalnej rzędu 10 lub 100 mikrosekund.

Innym zagadnieniem ograniczającym zakres zastosowań metody pomiarów wyzwalanych jest kalibracja. Często w celu minimalizacji przesunięć czasowych, zwłaszcza w okolicach zboczy impulsów, konieczne są niezależne nastawy opóźnień odbiornika. Niewłaściwa kalibracja może wprowadzić niepewność pomiędzy pomiarami DUT (Device Under Test) i samego przyrządu pomiarowego.

Metody szerokopasmowe w ujęciu historycznym

Rys. 8. Pomiar impulsów o małym współczynniku wypełnienia metodą szerokopasmową przebiega bez utraty zakresu dynamiki, jeśli ich widmo mieści się w paśmie analizatora VNA

Metody szerokopasmowe w pomiarach impulsowych mogą być stosowane, jeśli widmo impulsu (dostatecznie duża jego część) zawiera się w paśmie odbiornika (rys. 8). Mówimy o ujęciu historycznym, gdyż w przeszłości większość analizatorów VNA pracowała w paśmie do 5 MHz. Ograniczało to zakres stosowania metod szerokopasmowych do pomiaru impulsów o szerokościach co najmniej 200 ns. Dla większych szerokości impulsów metoda szerokopasmowa miała jednak istotną zaletę - podczas pomiaru przebiegu o małym współczynniku wypełnienia nie tracono zakresu dynamiki (w przeciwieństwie do metod wąskopasmowych).

W "historycznej" metodzie szerokopasmowej przebieg impulsowy w.cz. jest demodulowany bezpośrednio w przyrządzie. Wymagane są impulsy wyzwalające zsynchronizowane z częstotliwością powtarzania impulsów (PRF). Dzięki temu analizator VNA próbkuje sygnał tylko wtedy, gdy do wejścia dochodzą impulsy, nie robi tego w stanach "off" przebiegu. W efekcie zakres dynamiki nie jest zależny od współczynnika wypełnienia przebiegu impulsowego.

Ograniczenia "historycznej" metody szerokopasmowej

Główną wadą metody szerokopasmowej było ograniczenie od dołu szerokości impulsów mierzonych. Zasadniczo, jeśli szerokość impulsu zmniejsza się, część energii widmowej rozprzestrzenia się poza pasmo mierzone. Jeśli zbyt duża część energii impulsu znajdzie się poza pasmem odbiornika, analizator VNA nie jest dalej w stanie prawidłowo mierzyć. Minimalne okno jest określone zależnością: T_MW1/IF_BM, gdzie T_MW - czas okna pomiarowego, IF_BM - szerokość pasma toru pośredniej częstotliwości.

W przeszłości szerokość pasma toru p.cz. była równa 5 MHz, co przekładało się na szerokość okna pomiarowego równego 200 ns. Dla węższych impulsów konieczne było stosowanie metod wąskopasmowych, co jednak wiązało się z utratą dynamiki dla przebiegów impulsowych o małym współczynniku wypełnienia.

Innym problemem jest zapewnienie odpowiedniej szybkości akwizycji w wielu analizatorach VNA. Jeśli nawet szerokość pasma jest odpowiednia, to ograniczenia metody mogą wynikać ze zbyt małej szybkości próbkowania przetwornika analogowo-cyfrowego (wpływa to na dokładność i rozdzielczość pomiaru). Należy dodać, że nawet najnowocześniejsze analizatory VNA nie dysponują wystarczająco szybkimi przetwornikami wymaganymi do analizy współczesnych systemów radarowych. Skutkiem tego jest zmniejszenie rozdzielczości czasowej i nieodpowiednia do potrzeb rozdzielczość/dokładność.

Metoda pomiarowa z szybkim przetwarzaniem cyfrowym

Metoda pomiaru z szybkim przetwarzaniem cyfrowym stanowi obecnie główną technologię w pomiarach impulsowych i jest rozwijana z większą intensywnością niż poprzednie techniki. Obie metody, omawiana i "historyczna" metoda szerokopasmowa, bazują na akwizycji bezpośredniej, ale w metodzie z szybkim przetwarzaniem cyfrowym jest to realizowane z dużo większymi szybkościami przesyłania danych, które wcześniej były nieosiągalne. Przykładowo, analizator VNA MS4640B z opcjami 035 i 042 (PulseView) produkowany przez Anritsu umożliwia cyfrową akwizycję p.cz. w paśmie większym niż 200 MHz. Nowy system akwizycji praktycznie eliminuje z użycia wszystkie wcześniej stosowane metody. W rezultacie uzyskiwane są dużo większe rozdzielczości, zwiększana jest również dokładność wszystkich odniesień czasowych. Proces akwizycji nie jest sterowany przez system impulsowy (z wyjątkiem pomiarów pulse-to-pulse). Dane mogą być zapisywane w celu dalszej analizy i korelacji z używanym wzorcem impulsowym.

Rys. 9. System akwizycji danych zastosowany w analizatorze MS4640B z opcjami 035 i 042 zapewnia największą rozdzielczość i dokładność pomiarów czasu w pomiarach impulsowych

Dla lepszego poznania metody szybkiego przetwarzania cyfrowego rozważymy system akwizycji zastosowany w analizatorze MS4640B (rys. 9). Sygnał p.cz. jest generowany przez przetworniki typu downconverter w analizatorze MS4640B. Jeśli przyrząd jest wyposażony w opcje 035 i 042, standardowy tor p.cz. jest omijany, a sygnał jest kierowany na specjalną płytkę szybkiego przetwarzania p.cz. Płytka ta zawiera elementy realizujące wszystkie funkcje analogowe (filtrowanie, wzmocnienie, kalibrację itp.) w dużo szerszym paśmie, niż czynią to standardowe tory p.cz. Możliwe są zatem pomiary dużo węższych impulsów. Ponadto, na płytce umieszczono szybkie przetworniki analogowo-cyfrowe, generatory przebiegów impulsowych i inne elementy cyfrowej obróbki sygnału. Ze względu na konieczność zapisywania dużej ilości danych pochodzących z przetworników zastosowano pamięć o dużej pojemności (4 GB). W rezultacie analizator Anritsu MS4640B może rejestrować długie rekordy danych - ponad pół sekundy z pełną rozdzielczością. Pozyskiwane dane są kluczowane z informacją synchronizującą T₀. Do dalszej obróbki pomiarowej interesujące dane są wybierane (zgodnie z T₀) i przepuszczane przez przetworniki, realizując przejście do dziedziny częstotliwości. Teraz obliczane są parametry typu S i zostaje uruchomiona kalibracja. Ponieważ przetwarzanie jest odnoszone do tych markerów czasowych, wyniki mogą być obserwowane w jednym czasie. Staje się to szczególnie cenną zaletą w systemach, w których występują złożone struktury impulsów, gdzie występują liczne podgrupy impulsów lub gdy używanych jest wiele generatorów zewnętrznych.

Zalety metody szybkiego przetwarzania cyfrowego

Stosując szybkie digitizery i wykonując wyrównanie z impulsami danych metodą post-processing unika się zagadnień opóźniania wyzwalania związanych z pomiarami wyzwalanymi, a także potencjalnych problemów dotyczących jitteru. Rozdzielczość wynika przede wszystkim z szybkości pozyskiwania danych. Szybkość przetwarzania analizatora MS4640B z opcjami 035 i 042 dochodzi do 400 MSa/s, co zapewnia uzyskanie rozdzielczości czasowej rzędu 2,5 ns. Przyjmując jitter jest na poziomie pikosekund. Jeśli przyrząd pracuje z synchronizacją zewnętrzną, opóźnienie jest liczone w dziesiątkach nanosekund.

Jak wiemy, w metodzie z szybkim przetwarzaniem cyfrowym nie ma utraty energii, metoda ta jest więc niezależna od współczynnika wypełnienia. Uzyskiwany jest pełny zakres dynamiki (normalnie większy od 100 dB, zależny od pasma toru p.cz., poziomów mocy i uśredniania dla analizatora MS4640B). Nawet dla pełnej korekcji nie są wymagane modulatory po stronie odbiorczej. Parametry takie jak: współczynnik on-off , szerokość pasma, czas narastania i ograniczenia widma nie stwarzają już problemu.

Rys. 10. Wpływ pasma toru p.cz. na kształt odpowiedzi impulsowej w pomiarze metodą szybkiego przetwarzania cyfrowego. Zastosowano impuls wymuszający o szerokości 5 ns i czasie narastania/opadania równym 1 ns. Pomiar wykonano analizatorem MS4640B z opcją 035

Niektóre ograniczenia szerokości pasma wynikają z parametrów odbiornika p.cz. w analizatorach VNA. Podczas normalnej pracy analizator Anritsu MS4640B wykorzystuje 100-megahercowy tor p.cz. z odpowiednim filtrowaniem dla unikania odpowiedzi określanych jako image responses. Na rysunku 10 przedstawiono wykres przebiegu pochodzącego z układów p.cz. analizatora MS4640B. Jest na nim widoczny impuls o szerokości 5 ns i czasach narastania i opadania zbocza równych 1 ns. Na wykresie odpowiedzi widoczne jest nieznaczne zmiękczenie zbocza, ale zniekształcenie to jest względnie małe, szczególnie gdy wynik porównamy z systemami wąskopasmowymi (rys. 5). Na rysunkach 5 i 10 nie zachowano skali amplitudy. Przesunięcie czasowe jest zależne od opóźnienia grupowego mierzonego systemu. Stosując analizator MS4640B, możliwe są pomiary impulsów o krótkich czasach trwania i stromych zboczach z minimalną rozdzielczością ok. 2,5 ns. Dzięki bardzo dużej pojemności pamięci tego przyrządu możliwe są pomiary impulsów o bardzo małym współczynniku wypełnienia i małej szybkości powtarzania bez utraty rozdzielczości. Długie rekordy danych umożliwiają analizę sygnałów impulsowych w wymaganych trybach pomiarów impulsowych. Elastyczność taka jest niezbędna do bardzo dokładnych pomiarów szerokiej gamy urządzeń radarowych.

Podsumowanie

Nowoczesne systemy radarowe wymagają dużo większej dokładności pomiarów w porównaniu z pomiarami większości urządzeń w.cz. Rozwiązania stosowane obecnie w technice pomiarowej muszą eliminować kompromisy i ograniczenia obowiązujące dotychczas w pomiarach impulsowych. Metoda z szybkim przetwarzaniem cyfrowym dostępna w analizatorze MS4640B zapewnia aktualnie najwyższą rozdzielczość poziomu sygnału i dokładność pomiaru czasu. Unika się tym samym konieczności stosowania kompromisów między zakresem dynamiki i współczynnikiem wypełnienia badanego sygnału. Przyrząd ten umożliwia wychwytywanie niektórych zjawisk, które w innych przyrządach są maskowane zbyt niską rozdzielczością. Użytkownik wykonujący pomiary analizatorem Anritsu MS4640B z opcjami 032 i 042 może mieć pełne zaufanie do wyników.

Jarosław Doliński, EP
Artykuł opracowano na podstawie materiałów Anritsu.

Meratronik
www.meratronik.pl