reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© tugores34_dreamstime.com Technologie | 26 stycznia 2016

Generacja i analiza szerokopasmowych sygnałów na falach milimetrowych

Generacja szerokopasmowych sygnałów z modulacją cyfrową w paśmie V i wyższych jest trudnym wyzwaniem. Co więcej, zazwyczaj wymaga zestawu kilku przyrządów. Niniejszy artykuł przedstawia, w jaki sposób uprościć to zadanie, opisuje również metody analizy.
Najnowsze analizatory widma, takie jak model R&S FSW67, jako pierwsze na rynku umożliwiają pracę w paśmie V do 67 GHz bez zewnętrznych układów przemiany częstotliwości. Z użyciem rozszerzenia R&S FSW-B2000 możliwe jest pokrycie zakresu modulacji do 2 GHz.

1. Motywacja

Szerokie pasmo modulacji dochodzące do 2 GHz stanowi proponowane rozwiązanie w takich zastosowaniach, jak radar samochodowy lub komunikacja mobilna w standardzie 5G. Oprócz pasm poniżej 6 GHz i w obszarach 11 GHz, 28 GHz oraz 38 GHz, szeroki zakres pasma 5G jest dostępny w zakresie fal milimetrowych, które nie są licencjonowane lub licencja na nie jest łatwo dostępna. Bezprzewodowe sieci LAN zgodne ze standardem 802.11ad już wykorzystują częstotliwości w zakresie pasma V z pasmem modulacji 1,76 GHz (jedna częstotliwość nośna). Poniżej znajduje się tabela częstotliwości w zakresie fal milimetrowych, które już są używane w telekomunikacji i radarach samochodowych lub też mogą być interesujące jako nielicencjonowane lub łatwo dostępne pasma 5G.


Tabela 1-1.
Pasma w zakresie dla milimetrowych, które są już używane w telekomunikacji i radarach samochodowych, lub też są interesujące jako pasma nielicencjonowane / z łatwo dostępną licencją dla sieci 5G

Wykres 1-1 przedstawia dostępne zakresy częstotliwości w pasmach V, E oraz W, na które są dostępne licencje


Wykres 1-1
Nielicencjonowane lub z łatwo dostępną licencją zakresy częstotliwości w pasmach V, E oraz W

Generacja sygnałów w paśmie V z modulacją cyfrową w szerokim paśmie jest wymagającym zadaniem i zazwyczaj wymaga zestawu złożonego z wielu przyrządów. Najnowsze analizatory sygnału i widma, takie jak FSW67, pozwalają na pracę w paśmie V (67 GHz) bez dodatkowych układów przemiany częstotliwości. Wraz z rozszerzeniem FSW-B2000 możliwa jest demodulacja sygnałów o szerokości pasma do 2 GHz.

W tym artykule został opisany zestaw do generacji sygnału w modulacją szerokopasmową w paśmie V oraz wykorzystanie przyrządu FSW67 do analizy sygnałów szerokopasmowych w paśmie V.

2. Zestaw pomiarowy


Schemat 2-1.
Zestaw do generacji i analizy sygnału szerokopasmowego w zakresie fal milimetrowych

2.1. Generacja zmodulowanego sygnału częstotliwości pośredniej (IF) w zakresie od 4 do 16 GHz

Wektorowy generator sygnałów SMW200A (20 GHz) o paśmie modulacji do 2 GHz jest modulowany przez zewnętrzny generator arbitralny o odpowiednio szerokim paśmie, taki jak Tabor WX2182C. Sygnał częstotliwości pośredniej następnie trafia do mieszacza mikrofalowego pasma V.

2.2. Generacja sygnału lokalnego (LO) do przemiany częstotliwości

Drugi kanał generatora SMW200A (opcjonalnie odpowiednich modeli SMB100A lub SMF100A) wytwarza falę ciągłą (CW) o częstotliwości np. 13,25 GHz, który 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.

2.3. Przemiana częstotliwości

Mieszacz liniowo zmienia sygnał częstotliwości pośredniej do sygnału radiowego w zakresie fal milimetrowych zgodnie ze wzorem .

Wyjście mikrofalowe układu przemiany częstotliwości jest terminowane izolatorem, a następnie trafia na filtr górnoprzepustowy, który usuwa niższe harmoniczne oraz składową lokalną. Izolacja jest potrzebna, aby uzyskać niski poziom tętnień w paśmie przepustowym. Wykorzystywany górny zakres pasma jest wzmacniany i stanowi sygnał referencyjny do testów urządzeń pracujących w paśmie V, na przykład odbiornika czy elementów takich, jak wzmacniacz.

2.4. Analiza częstotliwości

Analiza sygnałów szerokopasmowych jest możliwa dzięki jednej z opcji:

- Analizator FSW67 z rozszerzeniem VSA FSW-K70 oraz rozszerzeniem FSW-B2000 (do 67 GHz) lub
- Odpowiedni mieszacz harmoniczny FS-Zxx oraz przyrząd FSW43 lub FSW50 z rozszerzeniem VSA FSW-K70 i rozszerzeniami „Łączenie z zewnętrznymi mieszaczami” (Connection to external mixers) 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 sygnału, włączając oscyloskop, jest skalibrowana. W celu uproszczenia pracy FSW zdalnie steruje oscyloskopem RTO.

3. Uwagi dotyczące zestawu do generacji fal milimetrowych

Użycie rekomendowanego zestawu do generacji i analizy fal milimetrowych jest stosunkowo proste. Jednak w zależności od ustawień częstotliwości, pojawiają się pewne niedogodności. W tym rozdziale zostały one omówione wraz z metodami na ich obejście.

3.1. Niepożądane harmoniczne produkty powielacza częstotliwości

Układ nominalnie zwiększający częstotliwość 4 razy generuje również inne niepożądane harmoniczne sygnału wejściowego. Typowe tłumienie tych harmonicznych to -30 dB w stosunku do pożądanej 4. harmonicznej. Dla częstotliwości lokalnej 53 GHz sygnał wejściowy ma częstotliwość 13,25 GHz. Piąta harmoniczna oznacza częstotliwość 66,25 GHz i leży najbliżej docelowego pasma między 57 a 64 GHz, ale nadal odległość od padma wynosi 2,25 GHz. Stanowi to zaletę zwiększania częstotliwości 4 razy zamiast 6 razy, co zostało zaproponowane w nocie aplikacyjnej 1MA217 "mm-Wave Signal Generation and Analysis".

Filtr pasmowo-przepustowy po powielaczu (rysunek 2-1) tłumi te harmoniczne do pomijalnego poziomu.

3.2. Niepożądane produkty mieszania

Niepożądane produkty w zakresie fal milimetrowych powstałe na skutek przemiany częstotliwości są opisane następującym wzorem:



Poza wielokrotnościami składowej , produkty pojawiają się pod postacią zmodulowanego cyfrowo sygnału częstotliwości pośredniej. Pasmo tych sygnałów jest n razy szersze of pasma na częstotliwości pośredniej .

Zazwyczaj produkty niższego rzędu, takie jak

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. Parametry modulacji, takie jak długość wektora błędu (EVM) sygnału użytecznego mogą w takim przypadku ulec znacznemu pogorszeniu.

Atrakcyjnym rozwiązaniem może wydać się wybór częstotliwości LO oraz IF zbliżonych do siebie, jednak w takiej sytuacji produkty niższego rzędu (silniejsze) będą wypadać z pobliżu sygnału użytecznego.

Przykład:

Chcąc wygenerować cyfrowo modulowany sygnał na częstotliwości 63 GHz w nielicencjonowanym paśmie ISM V od 57 do 64 GHz, wówczas używając częstotliwości pośredniej IF = 10 GHz i częstotliwości lokalnej = 53 GHz otrzymujemy:

2*53 GHz – 3*10 GHz = 76 GHz – silna 3. harmoniczna, jednak daleko poza pasmem
2*53 GHz – 4*10 GHz = 66 GHz. Nadal dzieli ją od pasma 2 GHz, na szczęście jej poziom jest niski (4. harmoniczna). Z pewnością należy wziąć ją pod uwagę.

3*53 GHz – 4*10 GHz = 119 GHz – daleko poza pasmem

Ogólne wskazówki:

- Wraz ze wzrostem częstotliwości pośredniej produkty stają się bardziej niebezpieczne
- Harmoniczne niższego rzędu dowolnej częstotliwości pośredniej są bardziej niebezpieczne
- Produkty ze składowymi 3*fLO lub 4*fLO i wyższymi, które trafiają w pasmo użyteczne, zawierają wyższe harmoniczne, zatem ich moc jest ogólnie niższa.

3.3. Niepożądane produkty mieszania harmonicznych

Przyrząd R&S FSW67 pozwala na pomiary do częstotliwości 67 GHz. Możliwe jest również użycie FSW do przeprowadzenia pomiarów widma poza nominalnym 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 atrakcyjne cenowo.

Używając mieszaczy harmonicznych z serii FS-Z, należy mieć na uwadze dodatkowe kwestie:

Mieszacze FS-Z mnożą częstotliwość sygnału wyjściowy lokalnego oscylatora w analizatorze widma i wybierają odpowiednią harmoniczną, aby obniżyć częstotliwość badanego sygnału do poziomu częstotliwości pośredniej analizatora. Jednak harmoniczne generowane przez mieszacz oraz sygnał wejściowy ze swymi własnymi harmonicznymi stanowią wiele składowych obecnych w widmie. Co więcej, zakres częstotliwości nie jest ograniczony, ponieważ brak jest preselektora.

Rodzina analizatorów sygnału i widma FSW z rozszerzeniem FSW-B21 (łącza LO/IF dla zewnętrznych mieszaczy) ma istotną przewagę w stosunku do konwencjonalnych przyrządów. Dzięki częstotliwości pośredniej 1,3 GHz (w trybie analizatora częstotliwości – w trybie wektorowego analizatora sygnałów częstotliwość pośrednia wynosi 2 GHz), analizatory FSW osiągają zakres częstotliwości bez obrazu lustrzanego równy 2,6 GHz. Pozwala to łatwo mierzyć sygnały o szerokim paśmie modulacji, nawet jeśli ich pasmo osiąga zakres gigaherca. W połączeniu z mieszaczami harmonicznymi Rohde & Schwarz ostatniej generacji, na przykład FS-Z90 (od 60 do 90 GHz) osiągalny zakres dynamiczny jest unikalny. Poziom strat przemiany mieszacza wynosi 23 dB na częstotliwości 80 GHz, dzięki czemu średni poziom szumów (DANL) wynosi około -150 dBm/Hz dla zestawu testowego złożonego z mieszacza i źródeł sygnału.


Wykres 3-1.
Pomiar sygnału o szerokości pasma 500 MHz w paśmie E z użyciem analizatora sygnału i widma FSW oraz mieszacza harmonicznego FS-Z90. Częstotliwość wejściowa oraz częstotliwość lustrzana są oddalone o 2,6 GHz. Pomiar maski widma lub analiza jakości modulacji sygnałów o znacznie szerszym paśmie są możliwe bez żadnych problemów.

4. Wyniki testów

W tym rozdziale zostały zademonstrowane i zweryfikowane typowe osiągi zarówno generatorów, jak i analizatorów sygnału R&S w zakresie fal milimetrowych omawianych w tej nocie. Należy pamiętać, że wszystkie 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 do 5 razy wyższe. Jednak dla typowych szerokopasmowych technik modulacji częstotliwości, takich jak OFDE (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.

4.1. Typowe osiągi przedstawionego zestawu testowego


Obrazek 4.1 przedstawia typowe wartości EVM osiągane przez zestaw testowy zaprezentowany na schemacie 2-1, 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%.


Obrazek 4-1.
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.

Obrazek 4-2 przedstawia inny przykład: możliwości zestawu testowego podczas generacji 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.


Obrazek 4-2.
Wynik pomiaru modulacji za pomocą FSW. Sygnał WiGig (IEEE 802.11ad) został wygenerowany za pomocą zestawu widocznego na schemacie 2-1.

4.2. Typowe zastosowania i wyniki testów

W tej części zostały przedstawione wyniki testów i konfiguracje z wykorzystaniem dwóch różnych urządzeń pomiarowych:

- Komercyjny nadajnik 802.11ad
- Komercyjny układ nadawczo-odbiorczy w paśmie V dla sieci typu backhaul

4.2.1. Test z użyciem komercyjnego nadajnika 802.11ad

Wykres 4-3. przedstawia maskę 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.


Wykres 4-3.
Pomiar widma z maską za pomocą FSW67. Sygnał został nadany przez urządzenie zgodne z IEEE 802.11ad nadające w kanale 2.

Obrazek 4-4. przedstawia pomiar modulacji urządzenia zgodnego z IEEE 802.11ad nadającego w paśmie 2, dokonany za pomocą modelu FSW67. Wyświetlany jest diagram konstelacji, podsumowanie wyników, moduł bufora rejestracji i błąd fazy.


Obrazek 4-4.
Pomiar modulacji urządzenia zgodnego z IEEE 802.11ad nadającego w paśmie 2, dokonany za pomocą modelu FSW67. Widoczny jest diagram konstelacji, podsumowanie wyników, moduł bufora rejestracji i błąd fazy.

4.2.2.Test nadajnika w paśmie V w zakresie 57 – 64 GHz dla sieci backhaul dostarczonego przez Infineon Technologies

W tej części zostały opisane testy części nadawczej i odbiorczej urządzenia pracującego w paśmie V. Dalej znajdują się wyniki pomiarów komercyjnego urządzenia nadawczo-odbiorczego pracującego w paśmie V dla sieci backhaul.

4.2.2.1. Część nadawcza

Schemat 4-5 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).

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 przez 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.


Schemat 4-5.
Możliwe konfiguracje testowe do badania części nadawczej układu nadawczo-odbiorczego pasma V z modulacją szerokopasmową.

Wykres 4-6. przedstawia 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.


Wykres 4-6.
Pomiar widma i mocy kanału komercyjnego układu nadawczo-odbiorczego pasma V dla sieci backhaul dokonane za pomocą FSW67

Obrazek 4-7. 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.


Obrazek 4-7.
Wyniki pomiaru modulacji komercyjnego układu nadawczo-odbiorczego dla sieci backhaul dokonane za pomocą FSW67

4.2.2.2. Część odbiorcza

Sygnał testowy dla odbiornika pasma V został wygenerowany w sposób opisany w rozdziale 2, który przedstawia schemat 4-8. Wzmacniacz umieszczony za filtrem górnoprzepustowym można pominąć, ponieważ odbiorniki są zazwyczaj testowane przy niskim poziomie sygnału wejściowego. Poziom sygnału wejściowego odbiornika jest zmieniany poprzez regulację poziomu wyjściowego SMW. Te zmiany są propagowane przez mieszacz RF 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 FSA z rozszerzeniem VSA - na przykład za pomocą pamięci USB. Tam odbywa się analiza modulacji zarejestrowanych danych.


Schemat 4-8.
Diagram zestawu testowego do badania części odbiornika urządzenia nadawczo-odbiorczego pasma V

Obrazek 4-9. stanowi zdjęcie konfiguracji użytej do testu odbiornika urządzenia nadawczo-odbiorczego fal milimetrowych. Sygnał testowy w paśmie V dociera z falowodu na wyjściu układu przemiany częstotliwości do wejścia odbiornika badanego urządzenia. Wyjścia kwadraturowe I oraz Q są dołączone do kanałów 1 i 2 RTO. Układ opisany jako „konwerter” zawiera elementy otoczone linią przerywaną na schemacie 4-8.


Obrazek 4-9.
Fotografia rzeczywistego stanowiska testowego do badania odbiornika układu nadawczo-odbiorczego pasma V (dostarczona przez Infineon Technologies AG)

Obrazek 4-10. przedstawia wyniki EVM zmierzona dla urządzenia przy poziomie mocy wejściowej -50 dBm. Użyty sygnał QPSK o szybkości 1,6 Gsymb/s został zarejestrowany w kanałach 1 oraz 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.


Obrazek 4-10.
Pomiary EVM na wyjściach kwadraturowych odbiornika pasma V. Poziom mocy wejściowej to -50 dBm. Parametry modulacji: QPSK 1,6 Gsymb/s.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © Rohde&Schwarz
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
November 29 2016 16:13 V7.6.2-2