Николай Шакуров, технический специалист, отдел продаж Keysight IDR
ShakurovNA@dipaul.ru
Технологии, используемые в процессе разработки и производства ВЧ/СВЧ-систем, достигли уровня, о котором ранее можно было только мечтать. Разработка средств беспроводной связи, как правило, отличается жестким графиком проектирования. Инженеры должны быстро ориентироваться в вопросах выбора приборов для измерения мощности, обеспечивая точность и воспроизводимость результатов измерений для новейших форматов модуляции. Новые беспроводные технологии для широкополосной передачи данных требуют приборов и первичных преобразователей мощности, способных измерять не только среднюю мощность, но и профили пиковой мощности и мощности в заданном временном интервале, а также отношение пиковой мощности к средней. При этом все измерения должны выполняться с высокой скоростью.
Обычно первичные преобразователи мощности рассчитаны на работу с определенными сигналами и видами модуляций. Измерители мощности создаются с учетом пожеланий пользователя к представлению результатов измерений.
Обзор технологий преобразователей
Термисторные преобразователи
Преобразователи на термисторах построены по принципу сбалансированного моста Уитстона. СВЧ-мощность рассеивается на согласованном резисторе, и полученное тепло изменяет сопротивление термистора, установленного в одно из плеч согласованного моста. Это изменение сопротивления приводит к рассогласованию моста и создает дифференциальный входной сигнал для усилителя. Недостаток таких типов преобразователей состоит в их чувствительности к изменениям температуры. Данную проблему решает добавление второго термистора для коррекции результатов измерения в зависимости от температуры окружающей среды. Эта давняя, зарекомендовавшая себя технология в настоящее время используется почти исключительно для стандартизации и обеспечения единства измерений.
Преобразователи на основе термопары
Работа термопары основана на том, что при соединении двух проводников из разнородных металлов и нагреве одного из соединений — «горячего» спая — между ними возникает напряжение. За счет поглощения ВЧ/СВЧ-сигнала нагревается «горячий» спай термопары преобразователя. В результате корректно определяется средняя мощность для сигналов всех типов — от немодулированных синусоидальных до импульсных со сложными видами цифровой модуляции, независимо от наличия гармоник, формы или искажений сигнала. Именно это и сделало преобразователи мощности на основе термопар предпочтительным типом преобразователя для систем со сложными видами модуляции, так как инженеры-испытатели могут быть уверены, что преобразователь реагирует на полную суммарную мощность сигналов во всем динамическом диапазоне. Пиковая импульсная мощность РЛС часто вычисляется на основе средней мощности и учета скважности сигнала. Однако типовой динамический диапазон преобразователей на основе термопары составляет лишь 50 дБ, от –30 дБм (1 мкВт) до +20 дБм (100 мВт). Обычно для беспроводных систем проводится «тихое» тестирование, при котором выход усилителя мощности отключен. Преобразователи на термопаре, пригодные для измерения мощности усилителя, недостаточно чувствительны для измерений при «тихом» тестировании, когда мощность не превышает –55 дБм. Измерение столь низких уровней мощности невозможно преобразователем с ограниченным динамическим диапазоном, поэтому приходится выполнять длительную и сложную процедуру, включающую замену преобразователей на основе термопары на диодные преобразователи и последующую перекалибровку измерительных трактов. Даже измерения у нижней границы динамического диапазона термопарных преобразователей (как правило от –25 до –30 дБм) требуют большого количества усреднений для получения точного и стабильного показания.
Диодные преобразователи
Диоды преобразуют ВЧ-энергию в постоянный ток за счет эффекта выпрямления, обусловленного их нелинейной вольт-амперной характеристикой. Традиционно диодные преобразователи мощности использовались для измерения мощности в диапазоне от –70 до –20 дБм, что делает их более предпочтительным типом преобразователей для приложений, в которых требуются такие высокочувствительные измерения, как проверка входных уровней при тестировании чувствительности приемника. В приложениях, предусматривающих высокую скорость измерений, диодные преобразователи предпочтительнее термопарных из-за их быстрой реакции на изменения входной мощности. При необходимости тестирования в диапазоне от –70 до +20 дБм (это все более частая ситуация), традиционный подход заключается в применении диодных преобразователей для перекрытия нижнего диапазона и преобразователей на основе термопары для верхнего диапазона измерений. В условиях больших объемов производства такой двойной набор преобразователей приводит к серьезному ограничению времени тестирования, особенно если должна быть сохранена оптимальная точность.
Измерение мощности сигналов с аналоговыми модуляциями
Традиционные измерители уровня мощности непрерывных сигналов предназначены для измерения немодулированных сигналов или непрерывных сигналов, однако при определенных условиях они также могут применяться для измерения модулированных сигналов, что значительно расширяет диапазон их применения. С точки зрения измерителя мощности любой сигнал с постоянной огибающей является непрерывным сигналом, то есть всегда могут выполняться точные измерения сигналов с частотной (FM) или фазовой (PM) модуляцией. Но при использовании любого типа амплитудной модуляции возникает ряд проблем.
Измерители мощности с диодными преобразователями, работающие в области квадратичного детектирования, могут использоваться для вывода истинного значения среднего уровня мощности огибающей модулированного сигнала, что достаточно для большинства радиоинженеров. Однако эти датчики характеризуются ограниченным динамическим диапазоном, что препятствует измерению комплексных сигналов. Когда диодный детектор используется для модулированных сигналов с уровнями мощности выше области квадратичного детектирования, измеритель мощности непрерывных сигналов переходит в нелинейный и непредсказуемый режим.
Решением данной проблемы становится применение диодных измерителей мощности с несколькими диодами внутри, работающими в области квадратичного детектирования.
Это выполняется с помощью интегрированного делителя мощности и переменных аттенюаторов для того, чтобы каждый диодный детектор работал в своей «области наилучшего функционирования» общего динамического диапазона датчика. Если диапазоны перекрываются, то измеритель мощности может объединить выходы этих детекторов для вывода точного результата измерения среднего уровня мощности в относительно широком динамическом диапазоне.
Измерение мощности сигналов с импульсной модуляцией
Измерение мощности импульсно-модулированного сигнала измерителем средней мощности
Измеритель средней мощности может использоваться для получения данных о средней мощности и среднем значении мощности импульса, если коэффициент заполнения сигнала известен. У данного метода есть свои преимущества, но необходимо учитывать некоторые моменты.
Среднее или максимальное значение мощности в импульсе, демонстрируемое измерителем средней мощности, рассчитывается на основе значений измерений средней мощности и известного коэффициента заполнения. Результат точен для идеального или близкого к идеальному импульсного сигнала, но он не отражает искажения из-за неквадратичной формы импульса и не обнаруживает максимальный размах, который может возникнуть из-за проявлений так называемого звона или выброса. Главное преимущество измерителей средней мощности состоит в том, что они являются самым недорогим решением для измерений мощности. Стоимость альтернативных измерителей пиковой мощности и преобразователей выше. Измерители средней мощности также способны выполнять измерения в более широком динамическом и частотном диапазоне и полосе пропускания, они определяют сигнал независимо от того, насколько мало время нарастания или длительность импульса. На рис. 1 приведен пример измерений среднего значения мощности импульса и средней мощности с использованием измерителя средней мощности и учетом известного коэффициента заполнения. В примере использован простой импульс длительностью 10 мкс с периодом повторения 40 мкс. Импульсный сигнал установлен с уровнем мощности приблизительно 0 дБм. Средняя мощность в результате составляет –6,79 дБм. Поскольку коэффициент заполнения известен (10 мкс, поделенные на 40 мкс, или 25%), перед измерением его значение может быть введено в интерфейс измерителя мощности для получения действующего значения мощности импульса, которое определяется величиной –0,77 дБм.
Рис 1. Использование измерителя средней мощности для получения действующего значения мощности импульса
В реальной ситуации, как упоминалось ранее, импульс может быть не чисто прямоугольным, поскольку имеются связанные с ним длительности фронта и спада, так же как и возможен выброс на сигнале. Комбинация этих эффектов создает погрешность в вычисленном результате.
Измерение мощности импульсно-модулированного сигнала измерителем пиковой мощности
Преимущество измерителя пиковой мощности с датчиком в том, что он демонстрирует не пересчеты, а непосредственное измерение максимальной мощности и действующего значения мощности. Это особенно важно для сформированных или модулированных импульсов, у которых измеренное действующее значение мощности импульса из средней мощности может быть неточным.
На рис. 2 приведен пример измерения максимальной мощности и действующего значения мощности импульса с помощью измерителя пиковой мощности Keysight P-серии. Его преимущество состоит в том, что он имеет индикатор с разверткой, позволяющий рассмотреть огибающую измеряемого импульсного сигнала. Измеритель пиковой мощности работает путем непрерывных выборок сигнала дискретизатором с частотой 100 млн выборок/с, буферизации данных и вычисления результата. Это обеспечивает гибкость измерений, включая гибкий запуск, временную селекцию многочисленными стробирующими импульсами и способность получать короткие однократные измерения.
Рис. 2. Использование измерителя пиковой мощности Keysight P-серии для измерения максимальной мощности, стробированного действующего значения мощности импульса и отношения максимальной мощности к средней мощности. Благодаря режиму просмотра огибающей импульса видно, что максимальная мощность на 1,39 дБ выше действующего значения мощности импульса
На рис. 3 показан временной селектор, установленный для возможности измерения более одного импульса. Устройство способно одновременно сообщать результаты измерения максимальной мощности, средней мощности и отношения максимальной мощности к средней мощности в пределах времени селекции. В приведенном случае полученный результат средней мощности –0,09 дБм равен действующему значению мощности импульса, так как время селекции установлено, в частности, для измерения одного импульса. Максимальная мощность незначительно выше 0,24 дБм, вероятно, в результате некоторого выброса (сигнала). Отношение максимальной мощности к средней мощности 0,32 дБ является разницей между двумя значениями.
Рис. 3. Благодаря автоматической установке стробирующего сигнала на импульс измеритель мощности Keysight P-серии обладает способностью измерять действующее значение мощности импульса непосредственно (без сопутствующих пересчетов)
Измеритель пиковой мощности P-серии отличается и другими преимуществами, удобными при измерении радиолокационных сигналов. На рис. 4 проиллюстрирована способность прибора автоматически измерять характеристики импульса: длительность импульса, период повторения импульса, длительность фронта и спада. Способность автоматически настраивать время стробирования по длительности импульса, используя бесконечную установку, показана на рис. 3. Данный функционал упрощает процедуру измерения действующего значения мощности импульса, не требуя знания значения длительности импульса. Это особенно удобно при эксплуатации радиолокаторов, имеющих динамическую длительность импульса.
Рис. 4. Измеритель пиковой мощности Р-серии автоматически измеряет характеристики импульса, включая длительность фронта, спада, импульса, а также период повторения импульсов
У измерителей пиковой мощности есть и свои ограничения. Одно из них — перекрытие по частоте. Например, для преобразователей пиковой мощности P-серии максимальный диапазон составляет 40 ГГц (110 ГГц — для преобразователя средней мощности). Измерители пиковой мощности с преобразователями обычно также имеют ограничения на диапазон мощности. Диапазон преобразователей мощности P-серии составляет приблизительно от –35 дБм до +20 дБм, тогда как преобразователи средней мощности E9300 охватывают диапазон от –60 дБм до +20дБм. Измерители пиковой мощности имеют также ограничения на время установления, длительности импульсов и полосы частот модуляции сигнала, который они могут измерить. Этими ограничениями можно частично управлять с помощью установки полосы частот видеосигнала.
Измерения мощности сигналов со сложными видами модуляции для беспроводной связи
Проведение измерений ВЧ-мощности новых сигналов со сложными видами фазовой/амплитудной модуляции вызвано необходимостью тщательного анализа тестовых сигналов. Создание технологии беспроводной связи ускорило переход от аналогового к цифровому типу модуляции. Вскоре появилось множество цифровых форматов модуляции: BPSK, QPSK, 8-PSK, 16QAM, 64 QAM и т. д. Затем были разработаны более сложные виды модуляции, такие как pi/4-DQPSK. Во многих системах для передачи потоков данных использовалась технология TDMA (множественный доступ с временным разделением каналов), например в стандарте GSM. Другие разработчики систем стали конкурировать, применяя формат CDMA с кодовым разделением каналов (например, IS-95A). Конструирование преобразователей как для базовых станций, так и для абонентских терминалов требует от специалистов немалых усилий для того, чтобы уложиться в заданную ширину спектра и снизить потребляемую мощность. Используется ли система TDMA, которая передает несколько несущих через общий выходной усилитель, или система CDMA, кодирующая несколько потоков данных в одну несущую с псевдослучайным кодом, в результате передается спектр мощности, очень похожий на спектр белого шума. Средняя мощность передаваемого сигнала является лишь одним из важных параметров, так же как и в случае белого шума. Из-за статистического характера сигнала в системах с несколькими несущими отношение пиковой мощности сигнала к средней мощности имеет решающее значение, поскольку мгновенная пиковая мощность может превышать среднюю мощность в 10–30 раз в зависимости от видов модуляции и фильтрации.
Такие высокие значения отношения пиковой мощности к средней могут ввести усилители мощности в опасный режим насыщения. Когда происходит насыщение, не хватает места для размещения крайних символов, что приводит к появлению битовых ошибок и нестабильному действию системы. Разработчики решают эту проблему с помощью выбора усилителя с запасом по мощности. Это гарантирует, что даже при пиковой мощности сигнала усилитель всегда будет функционировать в линейном режиме. Таким образом, для всех этих технологий требуется точное измерение импульсной выходной мощности усилителей, в том числе значения отношения пиковой мощности к средней, и стробируемая оценка параметров для определения профиля импульсных сигналов с целью обеспечения соответствия установленным предельным значениям.
Статистический анализ сигналов современных систем связи
В самых современных форматах беспроводной связи, подобных DVB, WiMax, WLAN и LTE, используются схемы модуляции OFDM с несколькими несущими для передачи цифровой информации. OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов) представляет собой схему модуляции с несколькими несущими с высоким коэффициентом амплитуды для передачи больших объемов данных. Введение этой технологии привело к необходимости использования пиков мощности, превышающих среднюю мощность на 20 дБ. Для обработки ожидаемых пиков напряжения и предотвращения возникновения повреждений или дугового разряда ВЧ-компоненты должны быть указаны соответствующим образом. Для корректного указания этих компонентов следует определить коэффициент амплитуды (или пик-фактор), то есть отношение пикового к среднему значению или к среднеквадратичному значению. Пиковая мощность нескольких сопряженных передатчиков может превышать уровень тепловой или средней мощности в 100 и более раз. Выбор ВЧ-компонентов для системы передачи (антенные комбинаторы, коаксиальные линии и антенны) не может выполняться исключительно на основе уровня тепловой или средней мощности.
Редко возникающие кратковременные выбросы напряжения являются критическими при определении требуемого размера и возможности обработки мощности ВЧ-компонентов. Измерения коэффициента амплитуды выше 12 дБ (Ppep/Рavg) трудно выполнять с повторяемыми результатами. Для надлежащего определения столь высоких коэффициентов амплитуды одного измерения пикового значения недостаточно, и необходимо использовать статистический анализ. Сигналы систем связи низкой амплитуды с высоким коэффициентом амплитуды хотя и важны при учете коэффициента битовых ошибок (ВЕR), имеют большее значение с точки зрения их содействия повреждению системы. Высокое напряжение, ассоциированное с большими пиками мощности, может привести к возникновению дугового разряда в системе передатчиков и повредить компоненты оборудования. Статистика служит важным инструментом для анализа этих редких случаев с точки зрения предотвращения травм обслуживающего персонала и повреждения оборудования. Поскольку мгновенные значения уровня мощности сортируются по амплитуде, а не по их времени возникновения, они подсчитываются и не усредняются. Этот процесс может выполняться в течение длительного времени и ограничиваться только размером доступной памяти, либо может работать бесконечно долго при применении прореживания. Такой процесс не имеет никакой ценности для характеризации событий, поскольку максимальная пиковая мощность сигнала OFDM может возникнуть один раз в день. Получение импульсных данных с использованием статистики дает дополнительное понимание редких событий при сборе результатов измерений амплитуды в зависимости от времени.
Рис. 5. CCDF синусоидального сигнала (с частотой несущей), сигнал огибающей OFDM и белый шум
На рис. 5 представлена реальная картина комплементарной интегральной функции распределения (CCDF) сигнала HDTV (телевидение высокой четкости) с модуляцией OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением сигналов). Кривая А показывает синусоидальный сигнал со 100%-ной амплитудной модуляцией, которая характеризуется «прямоугольной» функцией CCDF, указывающей отношение пикового к среднему уровню мощности 3 дБ как с низкой, так и высокой вероятностью. Подобный характер кривой обусловлен периодической формой сигнала с высокой степенью предсказуемости. Сигнал OFDM (кривая В) имеет отношение пикового к среднему уровню мощности около 15 дБ и характеризуется шаблоном рэлеевского распределения. Кривая С для справки указывает белый гауссовский шум, который имеет теоретически бесконечно большое отношение пикового к среднему уровню мощности, составляющее около 17 дБ с уровнем вероятности 1012.
Заключение
Точные измерения мощности очень важны для обеспечения необходимых характеристик и для проверки на соответствие стандартам современных телекоммуникационных и радиолокационных систем. И хотя эти измерения могут выполняться множеством разных способов, каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Решение, которое выберет инженер, зависит от конкретной измерительной задачи и от того, какие преимущества он рассчитывает получить и на какие компромиссы готов пойти.
Источники
- Choosing the Right Power Meter and Sensor — Product Note. Keysight Technologies, 2007–2017. Published in USA, December 1, 2017 5968-7150E. www.literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5968-7150E.pdf
- Radar Measurements — Application Note. Keysight Technologies, 2014 Published in USA, August 22, 2014. www.literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5989-7575EN.pdf.
- Principles of power measurement. Wireless Telecom Group, 2015 B/REFGUIDE/0815/EN. www.boonton.com/resource-library/principles-of-power-measurement-guide.
