Gdy liczy się czas – mierniki mocy RF w pomiarach sygnałów szybkozmiennych

Pomiary mocy RF

Nowoczesne technologie transmisji danych czy to w wersji przewodowej lub bezprzewodowej stanowią duże wyzwanie dla inżynierów oraz twórców urządzeń i systemów komunikacyjnych. Urządzenia służące do pomiarów mocy RF nie tylko muszą zaspokajać dzisiejsze potrzeby klientów, ale też wymaga się, by były one zaawansowane technologicznie tak, by móc spełnić przyszłościowo nowe wymagania technologii. Wysoka prędkość akwizycji danych oraz ich przetwarzania jest w dzisiejszych czasach bezwzględnie wymagana od miernika mocy RF, aby umożliwić dokładne pomiary złożonych sygnałów RF. W niniejszym artykule opisane zostały więc metody wykonywania szybkich pomiarów mocy RF, aby sprostać wymaganiom dzisiejszego świata.

Od początku – wyzwalanie sygnału

Nowoczesne urządzenia służące do pomiaru szczytowej mocy RF mogą mierzyć praktycznie wszystkie rodzaje sygnałów impulsowych i CW (z ang. Continous Wave). Aby osiągnąć ten cel, stosuje się zaawansowane techniki oraz metody wyzwalania sygnałów. Warunkiem początkowym każdego pomiaru jest jego synchronizacja ze zdarzeniem. Sygnał wejściowy, który nas interesuje, musi być więc najpierw zidentyfikowany. Wyzwalanie w odpowiednim momencie niejako nastawia urządzenie do jego „synchronizacji z badanych sygnałem”, co zapewnia poprawny, szczegółowy i dokładny pomiar (jego reprezentację na ekranie monitora).

By móc „spojrzeć w przyszłość”, czyli odpowiednio wyzwolić pomiar instrumenty tej klasy stosują nowoczesne techniki akwizycji danych takie jak przykładowo kołowe bufory danych. Mierniki szczytowej mocy RF zapewniają wewnętrzne i zewnętrzne możliwości wyzwalania pomiaru. Wyzwalanie wewnętrzne wykorzystuje obwiednie rzeczywistego przychodzącego sygnału RF, podczas gdy wyzwalanie zewnętrzne wykorzystuje sygnał wyzwalający z innego urządzenia.

Jak odpowiednio pozyskać wymagane dane?

Systemy akwizycji danych dla szybkozmiennych sygnałów analogowych budowany jest z bloków, w których skład wchodzi zazwyczaj układ próbkujący, układ pamiętający (S&H), przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), procesor sygnałowy (DSP), układ FPGA oraz jednostka przetwarzająca zgromadzone dane. Każdy z tych bloków potrzebuje skończonego czasu na przetworzenie lub konwersję danych. Powstają więc niekorzystne opóźnienia. Jednak zastosowanie inteligentnych metod akwizycji danych takich jak przykładowo buforowanie mogą skrócić czas pozyskiwania danych.

Analogowo-cyfrowa konwersja sygnałów ciągłych daje w rezultacie strumień dyskretnych punktów. Punkty te zawierają jednak tylko pewną dozę informacji. Jest to zazwyczaj pozycja próbki w czasie (kolejność), jej pozycja w pamięci urządzenia oraz jej wartość. W przypadku pomiarów mocy każdy punkt reprezentuje tylko wycinek oryginalnego sygnału, a takie fragmenty nie są wystarczające do dogłębnej analizy i dokładnych pomiarów. Zbadajmy więc różne metody, by zniwelować te ograniczenie.

Interpolacja danych jako jeden ze sposobów radzenia sobie z małą częstotliwością próbkowania

Interpolacja jest jedną z metod, którą można wykorzystać do rekonstrukcji kształtu fali w oparciu o ograniczoną ilość próbek. Najprostszą metodą interpolacji jest interpolacja liniowa. Trudno jest jednak z niej uzyskać dokładne wyniki, chyba że częstotliwość próbkowania jest bardzo wysoka. Niestety metoda ta powoduje, że potrzebna jest większa moc obliczeniowa, a co za tym idzie droższy sprzęt.

Zastosowanie szybkiej transformacji Fouriera (FFT) i procesora sygnałowego pozwala na odtworzenie spróbowanych sygnałów. Joseph Fourier udowodnił, że każdy kształt fali może być zrekonstruowany w oparciu o funkcje sinusoidalne, z czego jedna o częstotliwości bazowej i kolejne jej wielokrotności (harmonicznych). Dlatego też zastosowanie interpolacji dyskretnych punktów danych poprzez funkcję sin(x)/x zapewnia znacznie bardziej wyrafinowaną interpolację przebiegu z większym podobieństwem do sygnału wejściowego (Rysunek 1).

Rysunek 1: Interpolacja przebiegu za pomocą funkcji sin(x)/x. Częstotliwość próbkowania jest 3 razy większa od częstotliwości Nyquista częstotliwości bazowej sygnału wejściowego, co jednak wiąże się z wysoką zawartością harmonicznych.

Ważną kwestią, jaką należy tez przeanalizować, jest twierdzenie Nyquista. Mówi ono, że minimalna częstotliwość próbkowania nie może być mniejsza niż dwukrotność maksymalnej częstotliwości sygnału w celu pełnej rekonstrukcji przebiegu jako już dane zdyskretyzowane. Dla przykładu sygnał o szerokości pasma 5 MHz wymagałby częstotliwości próbkowania wynoszącej nieco więcej niż 10 MHz, aby zapewnić wystarczającą ilość próbek potrzebnych do rekonstrukcji sygnału (teoretycznie). Pamiętajmy jednak, że twierdzenie te to tylko równanie i oparte jest przy założeniach idealnych warunków pomiarowych. Twierdzenie te zakłada też, że próbki muszą być dostarczane nieprzerwanie i w konkretnej kolejności co często jest niewykonalne.

Sygnały rzeczywiste mają jeszcze jedną typową cechę. Ich amplituda może się znacznie zmienić w bardzo krótkim czasie. Szybkie zmiany wysokości sygnałów generują dodatkowe harmoniczne.

Znamiennym przykładem może być sygnał prostokątny, który składa się z nieskończonej ilości sinusoidalnych wielokrotności częstotliwości bazowej. Ponieważ twierdzenie Nyquista nie pozwala na stosowanie wyższych częstotliwości niż połowa częstotliwości próbkowania, harmoniczne te muszą być wytłumiane. Choć dzisiejsza technologia filtrowania jest zaawansowana, to nie jest jednak możliwe wykonanie filtra o charakterystyce kwadratowej, która stłumiłaby całkowicie energię sygnału umożliwiając akwizycję 100% rzeczywistego sygnału.

Tłumienie harmonicznych przed procesem próbkowania zmienia też kształt fali. W zależności od badanego kształtu sygnału proces ten może być niezbyt istotny, ale jeśli odcięta zostanie jednak zbyt duża ilość energii, zrekonstruowany sygnał będzie zdegradowany w porównaniu do sygnału oryginalnego, co zmniejszy jakość pomiarów. Ponieważ odfiltrowanie wyższych harmonicznych sygnału usuwa część jej całkowitej mocy, to nie tylko mierzony kształt fali będzie niepoprawny, ale i również całkowita mierzona moc RF.

Jeśli elementy sygnału o wyższych częstotliwościach nie zostaną odfiltrowane i będą próbkowane przez ADC (z ang. Analog to Discrete Converter) to punkty, które otrzymamy w ich wyniku, będą nierozróżnialne w porównaniu do wartości pożądanych i niepożądanych. Całkowita mierzona moc sygnału choć będzie prawidłowa to rekonstrukcja sygnału może okazać się niemożliwa, co spowodować może występowanie zjawiska aliasingu, tworząc Jitter (zakłócenie). Częstotliwość próbkowania w mierniku mocy RF musi być więc znacznie większa niż dwukrotna częstotliwość Nyquista. Bardziej powszechnym podejściem jest więc stosowanie wyższych częstotliwości próbkowania wraz z filtrami niższego rzędu.

Cykliczne próbkowanie losowe

Cykliczne pobieranie próbek w żadnym wypadki nie należy mylić z ich uśrednianiem. Tak jak pokazano na rysunku drugim, zastosowana technika pozwala miernikom mocy na narysowanie i zarejestrowanie pełnego obrazu sygnału CW poprzez uchwycenie ich „najmniejszych” elementów na kilku powtórzeniach (iteracjach pomiaru). Osiągane jest to dzięki wykorzystaniu wewnętrznego zegara, który działa asynchronicznie do faktycznego wyzwalacza sygnału. Miernik mocy pobiera próbki niezależnie od zdarzeń wyzwalacza. Choć są one pobierane sekwencyjnie w czasie, to zawsze są one losowo rejestrowane w odniesieniu do sygnału wyzwalającego. Punkty te są ciągle dodawane przy każdej iteracji (cyklu/okresu sygnału) do rysowanego wykresu. Zrzuty ekranu przedstawione na rysunku 3 ilustrują ideę dodatkowych punktów próbkowania na jednym z przebiegów.

Rysunek 2: Cykliczne próbkowanie losowe z małymi przyrostami czasu odbudowuje przebieg bardzo zbliżony do przebiegu oryginalnego

Rysunek 3: Niniejsze cztery zrzuty z ekranu miernika mocy pokazują, w jaki sposób kształt przebiegu jest generowany za pomocą techniki cyklicznego próbkowania losowego. Pierwszy zrzut pokazuje początkowy zestaw trzech punktów danych oddalonych od siebie o równo 20 ns. Pozostałe trzy pokazują 10, 50 i 200 zestawów dodatkowych punktów.

Metoda cyklicznego próbkowania losowego jest ograniczona najmniejszym przyrostem (krokiem) czasu, jaki miernik mocy jest w stanie osiągnąć. Nie należy tego parametru mylić z częstotliwością próbkowania, która może, ale nie musi być zależna od przyrostu czasu urządzenia. Ogólna zasada brzmi: im mniejsze są przyrosty, tym dokładniejsze będzie odwzorowanie przebiegu.

Okres przebiegu sygnału CW określa więc czas jaki jest potrzebny do zrekonstruowania kształtu fali. W nowoczesnych miernikach mocy szczytowej, czas do osiągnięcia pełnej reprezentacji jest często podyktowany częstotliwością powtarzania się rzeczywistego sygnału, a nie tyle wydajnością instrumentu. Pełny obraz przebiegu uzyskuje się w nowoczesnych rozwiązaniach w ciągu milisekund dla typowych okresów sygnałów badanych.

Metoda ta eliminuje lub zmniejsza potrzebę stosowania filtrów antyaliasingowych. Dla przykładu, jeśli częstotliwość próbkowania wynosi 5 GSampli/s to filtr pierwszego rzędu przy 200 MHz będzie wystarczający, aby zredukować powstające artefakty próbkowania, a jednocześnie będzie miał minimalny wpływy na sygnały o harmonicznych na poziomie 100 MHz lub wyższych.

Cykliczne próbkowanie losowe może zwiększyć rozdzielczość wyświetlania kształtu fali o rząd wielkości. W tabeli poniżej przedstawiono porównanie, jak przyrosty czasu wpływają na maksymalną rozdzielczość. Przeanalizujmy więc dwa mierniki mocy szczytowej, które nazwiemy PM1 i PM2 (przykładowo model Boonton RTP5000) mierzące cyklicznie powtarzający się 50 ns impuls. Jednostka PM1 oferuje przyrost czasu na poziomie 10 ns, a jednostka PM2 pracuje wydajniej przy przyrostach 100 ps. Urządzenie PM1 uzyskało by więc tylko 5 próbek impulsu, natomiast model PM2 byłby w stanie przechwycić ich aż 500. PM2 zapewnia więc rozdzielczość 100-krotnie większą, co pozwala na bardziej szczegółową analizę sygnału. Tak wysoka rozdzielczość jest szczególnie istotna w przypadku konieczności analizy sygnałów typu rampa, Pre-Shoot burst, Over-Shoot burst oraz przy analizie charakterystyki filtra lub badania zachowania wyjścia wzmacniacza RF o dużym wzmocnieniu.

Tabela 1 Porównanie rozdzielczości rysowanych sygnałów w zależności od przyrostu czasu miernika mocy

Stosowanie mierników mocy - wnioski końcowe

Stosowanie mierników mocy posiadających dużą częstotliwość próbkowania jest wręcz konieczne podczas pracy z sygnałami o dużej częstotliwości. Rozwiązania te znajdą więc swoje zastosowanie w laboratoriach EMC, badaniach systemów radarowych oraz działach R&D zajmujących się komunikacją bezprzewodową.

Firma Boonton oferuje stacjonarne oraz przenośne (USB) mierniki szczytowej mocy RF o dużej częstotliwości próbkowania. Dzięki tym rozwiązaniom żadny mierzony sygnał mocy RF nie zostanie przekłamany. Zapraszamy więc od zapoznania się z ofertą firmy Boonton oraz do kontaktu z Product Managerami firmy Astat.

Oferta firmy Boonton