Generowanie i analiza szerokopasmowych sygnałów na falach milimetrowych

Rys. 1. Dostępne zakresy częstotliwości w pasmach V, E oraz W, nielicencjonowane lub z łatwo dostępną licencją

Nowe rozwiązania komunikacji mobilnej 5G, radary samochodowe - to aplikacje, które pracują w zakresie częstotliwości poniżej 6 GHz, ale takie nowe projekty działają także w obszarach 11, 28 oraz 38 GHz z szeroką dewiacją sięgającą 2 GHz. Rysunek 1 obrazuje częstotliwości z zakresu fal milimetrowych, które już są używane w telekomunikacji i radarach samochodowych lub też mogą być interesujące jako nielicencjonowane lub łatwo dostępne pasma do komunikacji 5G.

Na rysunku 2 pokazano zestaw pomiarowy do generowania i analizy sygnału szerokopasmowego w zakresie fal milimetrowych. Generator sygnałów wektorowych SMW200A (20 GHz) o paśmie modulacji do 2 GHz jest sterowany przez zewnętrzny generator arbitralny o odpowiednio szerokim paśmie, taki jak Tabor WX2182C. Sygnał częstotliwości pośredniej następnie trafia do mieszacza mikrofalowego pasma V.

Drugi kanał generatora SMW200A (opcjonalnie odpowiednich modeli SMB100A lub SMF100A) wytwarza falę ciągłą (CW) o częstotliwości np. 13,25 GHz, która trafia na wejście powielacza częstotliwości. Czwarta harmoniczna powielacza, równa w tym przypadku 53 GHz, jest następnie filtrowana przez filtr pasmowo-przepustowy i służy jako sygnał lokalny dla mieszacza przemiany częstotliwości pasma V.

Na wyjściu układu przemiany częstotliwości znajduje się filtr górnoprzepustowy, który usuwa niższe harmoniczne oraz składową generatora lokalnego. Wykorzystywane są sygnały sumacyjne mieszania, które są wzmacniane i stanowią sygnał referencyjny do testów urządzeń pracujących w paśmie V.

Analiza częstotliwości

Rys. 2. Zestaw pomiarowy do generowania i analizy sygnału szerokopasmowego w zakresie fal milimetrowych

Analiza sygnałów szerokopasmowych jest możliwa dzięki użyciu analizatora FSW67 z rozszerzeniem VSA FSW-K70 i rozszerzeniem FSW-B2000 (do 67 GHz) lub odpowiedniego mieszacza harmonicznego FS-Zxx oraz przyrządu FSW43 lub FSW50 z rozszerzeniem VSA FSW-K70 i rozszerzeniami FS-Z21 oraz FS-B2000.

Aby zbadać sygnał o paśmie do 2 GHz, analizator FSW konwertuje sygnał do częstotliwości pośredniej 2 GHz. Sygnał ten jest próbkowany przez oscyloskop RTO z częstotliwością 10 GHz. FSW dokonuje korekcji widma tego sygnału cyfrowego i określa częstotliwość próbkowania. Cała ścieżka pomiarowa sygnału, włączając oscyloskop, jest skalibrowana.

W celu uproszczenia pracy FSW zdalnie steruje oscyloskopem RTO. Użycie rekomendowanego zestawu do generowania i analizy fal milimetrowych jest stosunkowo proste. Jednak w zależności od ustawień częstotliwości pojawiają się pewne niedogodności. Zostaną one po kolei omówione wraz z metodami ich obejścia.

Niepożądane produkty powielacza

Rys. 3. Diagram konstelacji i pomiar EVM szerokopasmowego sygnału QPSK na częstotliwości 58 GHz. Sygnał podstawowy powstał w generatorze SMW200A i został zewnętrznie zmodulowany przez odpowiedni generator arbitralny

Układ powielacza częstotliwości 4× generuje również inne niepożądane harmoniczne sygnału wejściowego. Ich typowe tłumienie wynosi -30 dB w stosunku do pożądanej 4. harmonicznej. Dla częstotliwości lokalnej 53 GHz sygnał wejściowy ma częstotliwość 13,25 GHz. Piąta harmoniczna oznacza 66,25 GHz i leży najbliżej docelowego pasma między 57 a 64 GHz, ale nadal 2,25 GHz powyżej. Powielanie 4× zamiast 6× jest więc korzystniejsze, a filtr pasmowo-przepustowy po powielaczu tłumi te harmoniczne do pomijalnego poziomu.

Niepożądane produkty mieszania są wielokrotnościami częstotliwości oscylatora lokalnego i częstotliwości pośredniej i zazwyczaj produkty niższego rzędu mają wyższy poziom niż produkty wyższego rzędu.

Niepożądane produkty niższego rzędu stanowią poważny problem, jeśli znajdują się w paśmie użytecznym i zbliżają się do sygnału wyjściowego, bo powodują wzrost błędów w transmisji sygnałów cyfrowych.

Korzystnym rozwiązaniem może wydać się wybór częstotliwości f_LO oraz f_IF zbliżonych do siebie, jednak w takiej sytuacji produkty niższego rzędu (silniejsze) będą wypadać w pobliżu sygnału użytecznego.

Rys. 4. Wynik pomiaru modulacji za pomocą FSW. Sygnał WiGig (IEEE 802.11ad) został wygenerowany za pomocą zestawu widocznego na rys. 1

Przykładowo chcąc wygenerować modulowany sygnał na częstotliwości 63 GHz w paśmie ISM V od 57 do 64 GHz, używając częstotliwości pośredniej 10 GHz i częstotliwości generatora lokalnego 53 GHz, otrzymuje się 2·53 GHz-3·10 GHz = 76 GHz - silną 3. harmoniczną, jednak leżącą daleko poza pasmem (2·53 GHz-4·10 GHz = 66 GHz). Dzieli ją od pasma 2 GHz odstęp.

Warto zatem trzymać się ogólnych wskazówek:

• wraz ze wzrostem częstotliwości pośredniej produkty przemiany stają się bardziej niebezpieczne,
• harmoniczne niższego rzędu dowolnej częstotliwości pośredniej są bardziej niebezpieczne,
• produkty 3·fLO i 4·fLO i wyższymi, które trafiają w pasmo użyteczne, zawierają wyższe harmoniczne, zatem ich moc jest ogólnie niższa.

Niepożądane produkty mieszania harmonicznych

Przyrząd R&S FSW67 pozwala na pomiary do częstotliwości 67 GHz. Możliwe jest również jego użycie do pomiarów widma poza zakresem 67 GHz. Dzięki zewnętrznym mieszaczom harmonicznych z rodziny FS-Z można np. dokonać pomiarów w górnym paśmie E. Dla częstotliwości poniżej 67 GHz opcja użycia mieszaczy harmonicznych zamiast modelu FSW67 może okazać się również atrakcyjna cenowo.

Wyniki testów

Rys. 5. Wyniki pomiaru widma z maską za pomocą FSW67. Sygnał został nadany przez urządzenie zgodne z IEEE 802.11ad nadające w kanale 2. Wyświetlany jest diagram konstelacji, podsumowanie wyników, moduł bufora rejestracji i błąd fazy

W tej części zostały przedstawione typowe osiągi zarówno generatorów, jak i analizatorów sygnału R&S w zakresie fal milimetrowych uzyskane w testach. Należy pamiętać, że we wszystkich dalej wymienionych pomiarach w trybie wektorowego analizatora sygnału korektor częstotliwości FSW jest aktywny - dzięki temu eliminuje nachylenie składowych częstotliwości w zakresie pasma modulacji.

Bez użycia korektora w trybie wektorowego analizatora obwodów zmierzone wartości EVM byłyby 4-5 razy wyższe. Jednak dla typowych szerokopasmowych technik modulacji częstotliwości, takich jak OFDM (oraz IEEE 802.11ad w trybie z jedną nośną) EVM jest zdefiniowany dla sygnału po korekcji częstotliwości. Wynika z tego, że przedstawione wyniki pomiarów EVM są reprezentacyjne dla wartości spotykanych w rzeczywistości.

Rysunek 3 przedstawia typowe wartości EVM osiągane przez zestaw testowy z rysunku 2, który używa modelu FSW67 z rozszerzeniem FSW-B2000 zapewniającym pasmo analizy 2 GHz. W kanale A SMW generowana jest częstotliwość pośrednia 5 GHz. Zewnętrzny generator arbitralny dodaje do sygnału modulację QPSK o częstotliwości symboli 1,6 Gsymb/s.

Następnie częstotliwość pośrednia jest przenoszona do poziomu 58 GHz z użyciem sygnału LO o częstotliwości 53 GHz. Częstotliwość podstawowa 13,25 GHz może być uzyskana np. z kanału B generatora SMW i przemnożona przez 4. Następnie FSW analizuje sygnał o częstotliwości 58 GHz i mierzy wartość EVM na poziomie 3,3%.

Rys. 6. Możliwe konfiguracje testowe do badania części nadawczej układu nadawczo-odbiorczego pasma V z modulacją szerokopasmową

Rysunek 4 przedstawia inny przykład: możliwości zestawu testowego podczas generowania i analizy sygnału IEEE 802.11ad (WiGig) w kanale 2 (60,48 GHz) z modulacją π/2-QPSK z pojedynczą nośną o szybkości 1,76 Gsymb/s. Przy tak dużej szybkości modulacji wciąż możliwe jest uzyskanie EVM poniżej 5%. FSW wyświetla diagram konstelacji, podsumowanie wyników, bufor rejestracji i charakterystykę częstotliwościową korektora. Konfiguracja sposobu wyświetlania wyników jest wygodna dzięki ekranowi dotykowemu FSW.

Do testowania wykorzystano komercyjny nadajnik 802.11ad i układ nadawczo-odbiorczy w paśmie V dla sieci typu backhaul. Na rysunku 5 pokazana została maska widma zmierzoną za pomocą FSW67 dla urządzenia IEEE 802.11ad nadającego w kanale 2. Lewe zbocze widma wychodzi poza maskę, co oznacza konieczność ponownego skonfigurowania urządzenia.

Wyniki pomiarów komercyjnego urządzenia nadawczo-odbiorczego pracującego w paśmie V dla sieci backhaul podzielono na dwie części: test nadajnika i odbiornika.

Część nadawcza

Rys. 7. Pomiar widma i mocy kanału komercyjnego układu nadawczo-odbiorczego pasma V dla sieci backhaul dokonane za pomocą FSW67

Rysunek 6 przedstawia dwie możliwe konfiguracje do testowania części nadawczej układu nadawczo-odbiorczego pasma V z modulacją szerokopasmową. Szerokopasmowy sygnał kwadraturowy jest tworzony za pomocą odpowiedniego generatora arbitralnego, takiego jak Tabor WX2182C, następnie trafia do wejść I-Q układu nadawczo-odbiorczego. Wyjście RF nadajnika jest podłączone bezpośrednio do wejścia RF analizatora FSW67 z rozszerzeniem VSA (wektorowego analizatora sygnału) i FSW-B2000.

Alternatywnym rozwiązaniem jest połączenie nadajnika z mieszaczem harmonicznym za pomocą odpowiedniego tłumika serii FS-Zxx. W tym wypadku do analizy sygnałów RF jest używany FSW43 z rozszerzeniem VSA oraz FSW-B2000 i rozszerzeniem dla zewnętrznych mieszaczy (FSW-B21).

Rys. 8. Wyniki pomiaru modulacji komercyjnego układu nadawczo-odbiorczego dla sieci backhaul dokonane za pomocą FSW67

Jeśli mieszacz harmoniczny jest używany do pomiaru sygnału wyjściowego odbiornika, należy uważać, aby go nie przeciążyć. Punkt 1-dB kompresji mieszaczy harmonicznych FS-Zxx typowo odpowiada wartości -6 dBm. Aby nie pogorszyć jakości pomiaru sygnału mocy sąsiedniego kanału lub EVM, maksymalny poziom sygnału powinien znajdować się znacznie poniżej punktu 1-dB kompresji (około 15-20 dB) na wejściu mieszacza. Zalecane jest stosowanie tłumika falowodowego przed mieszaczem harmonicznym i skalibrowanie go tak, aby zyskać optymalny zakres dynamiki.

W obu przypadkach do próbkowania sygnału częstotliwości pośredniej FSW został użyty oscyloskop cyfrowy RTO1044, co pozwala na analizę spróbkowanych danych. Wykorzystanie oscyloskopu cyfrowego do próbkowania nie wpływa na pracę analizatora sygnału w żaden sposób - połączenie FSW oraz RTO pracuje tak samo, jak pojedynczy przyrząd FSW.

Rys. 9. Zestaw testowy do badania części odbiornika urządzenia nadawczo-odbiorczego pasma V

Rysunek 7 pokazuje pomiary widma i mocy kanału komercyjnego nadajnika pasma V w zakresie 57-64 GHz dla sieci backhaul dokonane za pomocą FSW67. Po stronie nadajnika następuje modulacja 16-QAM sygnałem pasma podstawowego z szybkością 1,8 Gsymb/s. Wskutek tego pasmo modulacji osiąga szerokość 2 GHz. Ogony po prawej i lewej stronie pasma są produktami aliasingu wykorzystanego generatora arbitralnego.

Rysunek 8 przedstawia wyniki pomiarów modulacji układu nadawczo-odbiorczego pasma V z modulacją 16-QAM o szybkości 1,8 Gsymb/s, dokonane za pomocą FSW67. Widoczne są diagram konstelacji, podsumowanie błędów, moduł bufora rejestracji oraz moduł wektora błędów w czasie. Również w przypadku tego pomiaru korektor z rozszerzenia wektorowego analizatora obwodów FSW był włączony.

Część odbiorcza

Rys. 10. Pomiary EVM na wyjściach kwadraturowych odbiornika pasma V. Poziom mocy wejściowej to -50 dBm. Parametry modulacji: QPSK 1,6 Gsymb/s

Sygnał testowy dla odbiornika pasma V został wygenerowany w sposób, który przedstawia rysunek 9. Wzmacniacz umieszczony za filtrem górnoprzepustowym można pominąć, ponieważ odbiorniki są zazwyczaj testowane przy niskim poziomie sygnału wejściowego. Poziom sygnału wejściowego odbiornika jest zmieniany przez regulację poziomu wyjściowego SMW. Te zmiany są propagowane przez mieszacz w celu zwielokrotnienia częstotliwości z zachowaniem dobrej liniowości.

Wyjścia I oraz Q badanego odbiornika są dołączone do kanałów 1 i 2 RTO. Dane są rejestrowane przez oscyloskop w trybie I-Q, co oznacza częstotliwość próbkowania 4 razy wyższą niż częstotliwość symboli sygnału modulującego. Zarejestrowane dane są następnie eksportowane do FSW z rozszerzeniem VSA, na przykład za pomocą pamięci USB. Tam odbywa się analiza modulacji zarejestrowanych danych.

Rysunek 10 przedstawia wyniki EVM uzyskane dla urządzenia przy poziomie mocy wejściowej -50 dBm. Użyty sygnał QPSK o szybkości 1,6 Gsymb/s został zarejestrowany w kanałach 1-2 oscyloskopu RTO z szybkością próbkowania 6,4 Gs/s. Spróbkowany sygnał został wyeksportowany za pomocą pamięci USB do przyrządu FSW, który przeprowadził analizę. Zmierzony poziom EVM wyniósł około 14% (wartość średniokwadratowa). Jak widać na diagramie konstelacji, przy tym poziomie nadal można rozróżnić poszczególne stany z małym prawdopodobieństwem błędu.

Rohde & Schwarz sp. z o.o.
www.rohde-schwarz.com