Электроника
Широкополосный датчик мощности R&SNRP-Z81 для беспроводной цифровой связи
Анализ огибающей мощности все более востребован
Измерение электрической мощности сигнала в высокочастотном и микроволновом диапазоне долгое время было под силу только сложному контрольно-измерительному оборудованию. Основные требования к измерителям мощности - быстродействие и точность - сегодня все чаще дополняются необходимостью анализировать огибающую мощности. Подобный анализ включает изучение формы сигнала и функции распределения мощности, измерение пиковых и средних значений, а также длительности переднего и заднего фронтов.
Ежегодно в эксплуатацию вводятся тысячи базовых станций. Измерение их выходной мощности необходимо производить как в процессе производства и монтажа, так и при проведении периодического обслуживания. Для выполнения этих задач изготовителям оборудования требуются измерители мощности, значительную часть которых поставляет компания Rohde&Schwarz.
Последний представитель семейства R&SNRP (рис. 1) -датчик мощности высшего класса - способен измерять параметры аналогично измерителю пиковой мощности как с базовым блоком, так и без него:
- огибающую мощность в зависимости от времени;
- статистическое распределение мощности;
- среднюю мощность.
Датчик работает в диапазоне частот от 50 МГц до 18 ГГц, нижний предел измерений для средней мощности составляет -60 дБм, для огибающей мощности он равен -47 дБм. Обладая значительными функциональными возможностями, датчик весьма компактен - по габаритам не больше своих предшественников. Так же, как и в предыдущих моделях, возможно управление R&SNRP-Z81 через компьютер по шине USB. Датчик не имеет себе равных по функциональности, компактности и соотношению цены и качества.
Осциллографические измерения мощности
Основным отличием нового датчика мощности от предшественников - R&SNRP-Z11 и R&SNRP-Z21/22/23/24 - является широкая видеополоса 30 МГц для несущих выше 500 МГц. В сочетании с постоянной частотой выборки 80 МГц, т.е. разрешением по времени 12,5 не, ее вполне достаточно для отображения огибающей мощности импульсов радиолокаторов и анализа всех современных сигналов с цифровой модуляцией: TDMA (например, GSM/EDGE), OFDM (например, WiMAX, IEEE 802.11a/b/g, 3.9G) и (W)CDMA, а также их комбинации (сигналы с несколькими несущими). Таким образом, возможно проводить осциллографические измерения огибающей с точностью, которую обеспечивают высококачественные измерители мощности.
Рис. 1. Базовый блок R&SNRP с широкополосным датчиком мощности R&SNRP-Z81
Результаты измерений после обработки данных выводятся на дисплей в цифровом и графическом виде. Несмотря на то, что для построения характеристики обычно достаточно 250 точек, датчик формирует данные для отображения 8192 точек, что позволяет использовать дисплеи с самым высоким разрешением. Датчик выдает следующие данные: значения случайной выборки, характеризующие форму сигнала, средние значения, отображаемые с пониженным уровнем шумов, а также минимальные и максимальные значения. Вся информация отображается в реальном времени, без задержек на дополнительную обработку (рис. 2). Отображение средних значений возможно при измерении даже очень низких мощностей.
Одно из преимуществ нового датчика заключается в возможности анализировать сигналы мощностью вплоть до -47 дБм, в то время как обычные измерители пиковой мощности не способны детально анализировать сигналы с уровнем ниже -30 дБм. Эта возможность обусловлена наличием коммутатора, переключение которого происходит синхронно с изменением полярности детектированного сигнала. Таким образом, снижается дрейф нуля и уменьшается его смещение, а уменьшение уровня шумов производится практически при любых уровнях сигнала путем усреднения нескольких кривых.
Рис. 2. Огибающая мощности сигнала GSM EDGE, измеренная с помощью R&SNRP-Z81. На дисплее отображаются три характеристики: 1 - средние значения, 2 - значения случайной выборки, 3 - пиковые значения
При работе осциллографа с датчиком возможно использовать различные виды запуска: внутренний или внешний запуск от одиночных или повторяющихся событий, а также возможность выбора способов запуска. К ним относятся как обычное задание задержки запуска, так и задание гистерезиса запуска или порога запуска по минимальному значению. В последнем случае запуск происходит, когда уровень сигнала опускается ниже порога даже на самое короткое время. Если событие запуска происходит позднее участка сигнала, который требуется записать, то можно выбрать запуск с опережением. Начало измерения можно сместить к более ранней точке на расстояние до 4096 столбцов пикселей - на время, кратное продолжительности отображаемого на дисплее участка сигнала. Видеополоса может быть уменьшена до 5; 1,5 МГц и 300 кГц для увеличения чувствительности запуска и ограничения шумов.
Подробнее о широкополосном датчике мощности
Стандартные диодные датчики мощности обычно не способны отслеживать быстрые изменения огибающей и поэтому непригодны для анализа радиочастотных сигналов с широким спектром. По выходному сигналу диодного детектора невозможно правильно восстановить форму исходного сигнала. Дело усугубляется нелинейными искажениями вне пределов квадратичного участка характеристики детекторного диода, приводящими к невозможности измерения даже средней мощности.
Исходя из этого, тракт обработки сигнала широкополосного датчика мощности начинается с диодного детектора, построенного так, что время нарастания и время спада его характеристики значительно меньше соответствующих параметров измеряемого сигнала. В датчике R&SNRP-Z81 (рис. 3, 4) после детектора расположен коммутатор, периодически изменяющий полярность детектированного сигнала при переходе через ноль, когда требуется усреднить несколько результатов измерений. Подобный процесс можно рассматривать как ограничение по амплитуде. Он помогает минимизировать дрейф нуля и изменить спектральный состав отображаемого шума так, чтобы его можно было уменьшить в необходимой степени с помощью усреднения. В обычных измерителях пиковой мощности без коммутатора шум можно уменьшить только на определенную величину из-за наличия составляющей шума 1/f. Это означает, что для них измерения с высоким разрешением невозможны.
Рис. 3. Датчик мощности R&SNRP-Z81
В датчике реализована высокопроизводительная цифровая обработка сигнала. Частота выборки составляет 80 миллионов выборок в секунду. R&SNRP-Z81 вычисляет эквивалентную мгновенную мощность для каждой выборки в зависимости от установленной РЧ - несущей, текущей температуры датчика (температурная компенсация погрешности) и измеренной амплитуды сигнала. Расчеты основываются на расширенном наборе калибровочных данных, индивидуальных для каждого датчика. Данные настолько точны и дифференцированы, что позволяют приблизить характеристику детектора к идеальной. Поскольку поправочные данные сохраняются в памяти датчика в течение всего срока службы, повторная калибровка производится обычными средствами калибровки мощности.
Рис. 4. Структурная схема датчика мощности R&SNRP-Z81
Расчет мгновенной мощности является основным в обработке сигнала. Он включает в себя правильный выбор временных соотношений в случае стробируе-мых измерений, преобразование выборок в графическую информацию или численные значения средней мощности, исключение чрезвычайно высоких значений и статистический анализ. Все эти задачи выполняет многофункциональная программируемая матричная БИС последнего поколения.
В отличие от аналогов, датчик мощности R&SNRP-Z81 является функционально и конструктивно законченным изделием: весь тракт цифровой обработки сигнала, начиная с высокочастотного входа и заканчивая выходом, заключен в единый компактный корпус. Преимущество подобной конструкции - стойкость к внешним помехам.
Статистический анализ
Все чаще и чаще высокочастотные сигналы модулируются так, что огибающая мощности имеет стохастический характер, вследствие чего отображение ее в виде временной зависимости малоинформативно и поэтому вместо него следует произвести статистический анализ. Данный метод обычно применяется, например, для расчета комплементарной интегральной функции распределения (CCDF), характеризующей возможность появления пиковых значений, превышающих заданный порог мощности сигнала.
Подобные расчеты требуют значительного быстродействия, что до настоящего времени являлось проблемой. Датчик мощности R&SNRP-Z81 способен производить расчеты практически в реальном масштабе времени - менее чем за 25 мс, в течение которых он записывает и анализирует один миллион выборок. Это позволяет отслеживать изменения в составе сигнала практически без задержки.
Рис. 5. Компоненты сигнала WiBro (сверху) и соответствующие им комплементарные интегральные функции распределения (CCDF), измеренные с помощью R&SNRP-Z81
Уменьшение числа выборок (например, вполне достаточно и 100 тыс. отсчетов) приводит к соответствующему возрастанию скорости обработки. В этом случае ширина видеополосы может быть уменьшена, а измерения могут производиться синхронно с сигналом. Таким образом, статистическому анализу будет подвергаться определенный участок сигнала, расположение и продолжительность которого могут быть заданы точно (рис. 5). Результаты статистического анализа могут отображаться в графическом виде. Диапазоны по уровню и количество точек кривой могут задаваться пользователем в широких пределах, разрешение по мощности может быть установлено в диапазоне до 0,006 дБ на пиксел. Вместо CCDF, результаты могут быть отображены в виде функции плотности вероятности (PDF).
Измерение средней мощности
В R&SNRP-Z81 возможны следующие режимы измерения средней мощности:
- Cont Av - долговременная средняя мощность;
- Timeslot Av - средняя мощность в измерительном окне, синхронизированном с сигналом;
- Burst Av - средняя мощность пакета.
Во всех режимах средняя мощность рассчитывается за определенный временной интервал. В режиме Cont Av его продолжительность не имеет никакого отношения к сигналу, аналогично тому, как это происходит в тепловом измерителе мощности. В режиме Burst Av начало и конец измерения автоматически соответствуют первому переднему и последнему заднему фронту пакета, что идеально подходит для измерения мощности импульсных сигналов, поскольку требует минимального числа настроек. Для них можно задать продолжительность периодов исключения в начале и конце интервала измерения. Режим Timeslot Av предусматривает измерения, синхронизированные с сигналом, и располагает более широкими возможностями.
Пределы задания продолжительности окна измерения подразделяются на шесть порядков: от 50 не до 100 мс. Периоды исключения можно задавать не только в начале и конце, но и внутри окна измерения.
Рис. 6. Увеличенное изображение зависимости мощности от времени и новые программные клавиши: переработанный ин-ерфейс пользователя R&SNRP в режиме Trace/Gate
Их положение и продолжительность определяются пользователем самостоятельно. В зависимости от структуры временных слотов, к ним могут быть привязаны до 16 окон измерения. Это позволяет определять мощность во всех слотах сигнала TDMA за одно измерение. Отличительная черта R&SNRP-Z81 - широкий динамический диапазон во всех режимах измерения средней мощности. Например, для измерения долговременной средней мощности он составляет от -60 до +20 дБм, и не только для не-модулированных сигналов, но и для сигналов с любыми видами модуляции. Подобное отличие логически обусловлено передовой концепцией широкополосного датчика.
Преемственность
Разумеется, новые датчики располагают всеми проверенными и испытанными возможностями датчиков мощности R&SNRP-Zx, уже представленных на рынке:
- режим фиксированного шума при автоматической фильтрации;
- гамма-коррекция для повышения точности измерений при значительных рассогласованиях источника (тестируемого устройства);
- коррекция S-параметров - учет влияния на результат измерения включенных между датчиком и тестируемым устройством аттенюаторов, направленных ответвителей и усилителей.
При непрерывном выводе результатов измерений скорость потока данных следует ограничить, чтобы не допустить перегрузки главного процессора. Подобное часто происходило, когда датчики R&S0NRP выводили данные на предельной скорости, например, при использовании окон измерений минимальной длительности или при скользящем усреднении. В настоящее время возможность ограничения скорости потока данных доступна для всех выпускаемых датчиков мощности. Эта функция входит в обновленную версию встроенного программного обеспечения, имеющуюся в свободном доступе.
Управление и отображение результатов
Управление новым датчиком, как и другими датчиками R&SNRP, можно легко осуществлять с ПК, базового блока R&SNRP или другого прибора Rohde& Schwarz. Датчик поставляется с драйверами, обеспечивающими управление всеми его функциями. Интерфейс пользователя базового блока R&SNRP был полностью переработан (рис. 6):
- увеличен экран отображения формы сигнала;
- упрощено масштабирование и позиционирование изображения прямым нажатием клавиш;
- расширены функции, непосредственно управляемые программными клавишами;
- разделены функции временной селекции и задания маркеров, введено отображение пиковой мощности и отношения пиковой и средней мощности.
Усовершенствование базового блока расширяет возможности выпускаемых датчиков, поэтому рекомендуется скачать последнюю версию встроенного программного обеспечения R&SNRP через Интернет.