Эволюция измерений и анализа широкополосных сигналов

Эволюция измерений и анализа

широкополосных сигналов

Деннис ХЕНДЛОН

В последние годы наблюдается стремительный рост полосы, занимаемой сигналами, что сильно затрудняет их эффективное измерение и анализ. Традиционно для измерения полосы, амплитуды, боковых полос и гармонических искажений использовались свипирующие анализаторы. Во многих случаях этого вполне достаточно для определения всех характеристик сигнала. Полученную в ходе таких измерений информацию можно рассматривать с различных точек зрения, например, с точки зрения спектральной плотности или прироста спектра.

Необходимо учитывать то, что свипирующие анализаторы не позволяют изучать информацию, содержащуюся в полосах, занимаемых сигналами. С целью анализа такой информации сигнал нужно оцифровать с достаточно высокой скоростью, чтобы захватить самые высокочастотные составляющие в пределах занимаемой полосы. Трудность заключается в анализе этих сигналов (тоже широкополосных) на высоких центральных частотах. Существует также проблема калибровки во всей полосе, обеспечивающей наилучшее значение амплитуды вектора ошибки.

Измерения со свипированием

Измерения со свипированием известны уже давно. С повышением вычислительной мощности современных анализаторов появилась возможность получать достаточно подробную информацию о широкополосных сигналах. Легко измеряются такие параметры, как занимаемая полоса частот, спектральная плотность, мощность соседнего канала, мощность сигнала с несколькими несущими, статистические характеристики мощности (CCDF), гармонические искажения и точка пересечения по интермодуляционным составляющим 3-го порядка.

Блок-схема на рис. 1 показывает широкополосный сигнал, измеряемый с помощью свипирующего анализатора спектра. На управляемый напряжением генератор (обычно ЖИГ-генератор) подается нарастающее напряжение, и затем сигнал генератора смешивается с входным сигналом. Если разность частот входного сигнала и сигнала генератора равна промежуточной частоте, сигнал поступает на детектор, и на экране отображается его спектр. Если входной сигнал широкополосный, то и отображаемый спектр тоже получается широкополосным.

Широкополосные измерения

Как уже сказано, можно получить достаточно подробную информацию о сигнале. Но для получения информации, содержащейся внутри широкополосного сигнала, нужен другой подход. Вместо того чтобы выполнять измерения в частотной области, следует оцифровать сигнал во временной области и затем обработать оцифрованные данные. Для захвата самых высокочастотных составляющих дискретизатор должен быть достаточно быстрым. Блок-схема на рис. 2 показывает типичный дискретизатор и процессор последующей обработки. Частота гетеродина изменяется шагами, и его сигнал смешивается с входным сигналом. Результирующий

сигнал проходит через полосовой фильтр и поступает непосредственно на дискретизатор. Для просмотра сигнала в частотной области в процессоре последующей обработки может выполняться быстрое преобразование Фурье (ККТ) или применяется более сложное программное обеспечение для исследования модуляции оцифрованного сигнала. На рис. 2 показан типичный оцифрованный сигнал, перенесенный в частотную область с помощью быстрого преобразования Фурье.

Чем шире полоса (выше скорость передачи данных), тем быстрее должен быть дискретизатор для захвата информации в пределах полосы. Например, для нормального захвата сигнала с полосой 80 МГц нужен дискретизатор, работающий на частоте 200 МГц.

Вход ВЧ

Выход ВЧ

Экран

детектора

Agilent ESG генерирует 80 МГц гребенку

Полоса разрешения 91 кГц

Agilent 12:53:51 Feb /. 2008

Свипирующий гетеродин

Ref 0 dBm fltt/n 10 dB 1krl .000 111 6Нг -17.70 dBm

•Peak Log

10 dB/ 4^-^tAV

/ \

sz

_L г

Igflv hr t

HI S2 S3 FC rr t

RR £(f>: T

f>50k Svf p

Center 1.000 111 GHz Res BH 91 kHz V6M si kHz Span 10 MHz Sweep 500 ms

File Operation Status. A:\SCRENQ32.GIF file saved

Рис. 1. Спектральный анализ со свипированием

Рис. 2. Оцифрованные данные и быстрое преобразование Фурье

б Aglknt (9(00 Vectoi SigfMl Arnly/ci ED

1 Eh l<* Ccrrrd iji/n >t«S*he BwW1* fricfer !'•» \fttm цф 1

» II •   © © © © CndNJ - l( ! о ЦІ M “ •

Рис. 4. Спутниковый сигнал, полоса 300 МГц

Рис. 3. Система для широкополосных измерений

С ростом полосы сигнала растет и сложность измерений. Альтернативный способ измерения широкополосных сигналов с очень высокими центральными частотами заключается в применении понижающих преобразователей частоты, смещающих сигнал в область более низких частот. Такие низкочастотные широкополосные сигналы оцифровываются с помощью высокоскорост-

ного осциллографа. Затем оцифрованные данные можно проанализировать в программе векторного анализа сигналов. На рис. 3 показана схема соединения анализатора спектра (используемого в качестве понижающего преобразователя частоты), осциллографа (используемого в качестве дискретизатора) и компьютера с программой векторного анализа сигналов (Agilent VSA). Анализа-

тор спектра понижает частоту широкополосного сигнала (в диапазоне от 3 до 50 ГГц) до 321,4 МГц. Преобразованный сигнал оцифровывается в первом канале осциллографа с частотой дискретизации 4 Г отсчетов/с. Затем оцифрованные данные анализируются в программе У8Л. Осциллограф и анализатор спектра работают под управлением программы У8Л.

На рис. 4, 5 приведены некоторые примеры демодулированных широкополосных сигналов, включая спутниковые сигналы и ЛЧМ-импульсы радара.

При измерении сигналов с относительно узкой полосой (3 или 6 МГц) равномерность АЧХ и линейность фазовой характеристики системы остаются достаточно постоянными в пределах этой узкой полосы. Но все же приходится выполнять некоторую калибровку. По мере роста полосы измерения (до 20 МГц и выше) равномерность АЧХ и линейность фазовой характеристики системы начинают влиять на точность измерения (амплитуда вектора ошибки, ЕУМ). Задача заключается в том, чтобы измерить характеристики тестируемого устройства, а не характеристики измерительной системы. Флуктуации равномерности АЧХ и линейности фазы дают дополнительный вклад в общую ЕУМ измерения. ЕУМ измерительной системы полностью устранить нельзя. Шум системы будет оказывать влияние на измеряемую ЕУМ. Поэтому выполняется измерение отношения сигнал/шум, и затем ЕУМ лучшего случая определяется по формуле:

ЕУМ = [10-(ї-"),20]х100.

Рис. 5. ЛЧМ-импульс радара

Широкополосная калибровка

Целью калибровки является устранение линейных ошибок системы. В зависимости от полосы и конфигурации системы осуществляются три разных калибровочных процесса — широкополосный калибровочный процесс в самом анализаторе спектра и два калибровочных процесса, использующих внешние источники сигнала.

На рис. 6 показана блок-схема широкополосного дискретизатора (200 Мвыб/с) со вспомогательными цепями. Полоса дискретизатора 80 МГц. Для калибровки используется гребенчатый сигнал 80 МГц с хорошей амплитудной и фазовой характеристикой. Гребенчатый сигнал подключается к дискретизатору, как показано во внутренней рамке. Затем данный сигнал преобразуется с повышением частоты до центральной частоты 300 МГц и подается на 3-ю ПЧ, как показано в средней рамке. Также гребенчатый сигнал подается на вход внешней рамки. Затем измеряется реакция системы на такой сигнал, и применяется коррекция для компенсации расхождения между ожидаемым результатом и результатом измерения. Внешняя рамка калибруется только на центральной частоте 300 МГц.

Калибровка с помощью внешнего источника сигнала

Следующий уровень калибровки заключается в проведении ее в полосе 80 МГц с помощью внешнего источника сигнала на той частоте, на которой выполняется измерение тестируемого устройства. Этот метод дает массу преимуществ. Например, можно компенси-

ровать амплитудную и фазовую ошибку внешних устройств, включенных перед анализатором спектра (например, усилителей и аттенюаторов). Нарис. 7 показана измерительная система с внешним усилителем и с подключенным для калибровки внешним источником.

Микроволновые анализаторы спектра содержат микроволновый предварительный се-

лектор, представляющий собой перестраиваемый ЖИГ-фильтр. С каждой перестройкой анализатора спектра на новую частоту микроволновый предварительный селектор демонстрирует разную ошибку амплитуды и фазы. Эти ошибки можно скомпенсировать с помощью внешнего источника калибровочного сигнала (рис. 7).

Для автоматизации процесса калибровки используется процедура расширенной калибровки программы УвЛ. В общем случае программа должна управлять источником сигнала и анализатором спектра по локальной сети или по шине GPIB. Источник сигнала подключается к входу анализатора спектра, и их тактовые частоты привязываются друг к другу. Нужно ввести в программу частоту, на которой будут выполняться измерения, и указать мощность в окне расширенной калибровки. Убедившись, что есть достаточная мощность для получения хорошего отношения сигнал/шум, необходимо указать файл, в котором будут сохраняться поправочные значения. Программа У8Л выдаст запрос об источнике сигнала, который будет использоваться для генерации гребенки с указанной центральной частотой, после чего начнется процесс калибровки и будет создан файл с поправочными значениями (рис. 8).

Измерения и калибровка в полосе 300 МГц

Измерения в полосе 300 МГц требуют следующего подхода. В таких случаях вместо внутреннего широкополосного дискретизатора анализатора спектра применяется

ПЧ внешней рамки

г7^Ь

УП ПЧ п

Рис. 6. Процесс калибровки для информационной полосы 80 МГц ^ — верхний диапазон; UPHB — верхний поддиапазон верхнего диапазона)

Agilent ES6 генерирует 80-МГ ц гребенку

Рис. 7. Широкополосная калибровка с внешним источником сигнала

Рис. 8. Калибровка с помощью программы VSA

внешний широкополосный дискретизатор, например высокоскоростной осциллограф. Для захвата информации в полосе 300 МГц рекомендуется использовать частоту дискретизации 4 Гвыб/с и выше. Нарис. 3 показана схема соединения анализатора спектра, осциллографа (дискретизатора), источника сигнала (для калибровки) и компьютера с программой VSA. Если осциллограф имеет встроенную операционную систему Windows XP1, программу VSA можно запустить прямо на осциллографе, что позволит обойтись без компьютера. В этой конфигурации анализатор спектра выступает в роли понижающего преобразователя частоты с максимальным диапазоном частот от 3 до 50 ГГц. Фактором, не позволяющим достичь полосы 300 МГц, является микроволновый предварительный селектор, являющийся частью микроволно-

вого анализатора спектра. Можно добавить переключатель для обхода предварительного селектора, который позволит использовать полосу 300 МГц. Этот переключатель управляется с передней панели анализатора спектра или командами SCPI. Анализатор спектра понижает частоту входного сигнала до значения 321,4 МГц. Сигнал частотой 321,4 МГц подается на дискретизатор (быстрый осциллограф). Затем оцифрованные данные анализируются в программе VSA.

Программа VSA управляет системой по локальной сети или по шине GPIB. Инженер выбирает центральную частоту измерения и анализируемый формат модуляции. Затем к анализатору спектра подключается тестируемое устройство.

Перед выполнением описанного выше измерения желательно выполнить калибровку во

всей полосе, потому что, несмотря на обход предварительного селектора, существуют ошибки амплитуды и фазы, связанные с понижающим преобразованием частоты. Эти ошибки нужно скорректировать. И, как всегда, целью является измерение характеристик тестируемого устройства, а не системы измерения.

В этом случае процесс калибровки тоже управляется программой VSA. Инженер подключает источник сигнала и указывает в программе VSA центральную частоту измерения, а потом использует меню расширенной калибровки для ввода мощности источника сигнала. Затем, как уже говорилось, указывается местоположение файла с поправочными значениями. Калибровка в этом случае несколько отличается от предыдущей калибровки тем, что источник сигнала перестраивается в пределах полосы шагами, создавая гребенчатый сигнал. Калибровка позволяет получить значение EVM от 2 до 4%.

Измерение сигналов с полосой более 300 МГц

Измерение сигналов с полосой более 300 МГц требует иного подхода. Если центральная частота сигнала ниже 13 или 14 ГГц, то частота дискретизации осциллографа 40 Гвыб/с в совокупности с программой VSA позволит выполнять дискретизацию и анализ в очень широкой полосе. Для сигналов с полосой более 300 МГц и частотой выше 13 или 14 ГГц можно использовать понижающий преобразователь частоты для перевода сигнала в рабочий диапазон осциллографа.

Заключение

Использование свипирующих анализаторов спектра для изучения широкополосных сигналов может дать много информации о сигнале. Однако данные, содержащиеся в сигнале, анализировать нельзя, так как прежде нужно выполнить их оцифровку. В зависимости от полосы и центральной частоты анализ таких сигналов можно выполнять несколькими методами. Для сигналов с полосой менее 80 МГц и центральной частотой менее 50 ГГц можно использовать анализатор спектра. Для анализа сигналов с полосой менее 300 МГц можно использовать анализатор спектра в качестве понижающего преобразователя частоты, а осциллограф — в качестве дискретизатора. Для анализа сигналов с полосой более 300 МГц можно использовать высокоскоростной осциллограф или комбинацию осциллографа с внешним преобразователем частоты. Очень важна калибровка системы, которая гарантирует измерение параметров тестируемого устройства, а не самой системы измерения. Калибровка выполняется внутри широкополосного анализатора спектра или, если для измерения используется система из нескольких приборов, с помощью внешнего источника сигнала.

1 Windows является зарегистрированным в США и других странах товарным знаком компании Microsoft Corporation.