Анализаторы сигналов с быстрым свипированием: невидимая технология, которая работает

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Пара преимуществ, которые не скроешь

Хотя мы редко об этом задумываемся, но измерения сигналов, например, низкоуровневых паразитных составляющих, включают сбор большого объёма информации и поэтому могут быть очень медленными. Я уже описывал, как иногда нам помогают законы физики, но этот удачный случай даёт лишь умеренные преимущества.

Появившиеся несколько лет назад в анализаторах сигналов цифровые фильтры ПЧ дали определённый выигрыш по скорости и характеристикам. Улучшенный коэффициент формы и согласованная полоса пропускания повышают точность, а предсказуемая динамическая характеристика позволяет повысить скорость свипирования от двух до четырёх раз. Эффекты быстрого свипирования можно корректировать в режиме реального времени, если только скорость выросла не слишком сильно.
Идея коррекции более быстрых скоростей свипирования была многообещающей, а открывающиеся перспективы выглядели ещё более привлекательными на фоне ужесточения требований к уровню паразитных составляющих, гармоник и другим характеристикам. Чтобы удовлетворить эти требования, в анализаторах спектра и сигналов используется специальная техника снижения шумов, которая заключается в сужении полосы фильтра ПЧ (RBW), причём уровень шумов снижается на 10 дБ при сужении RBW в 10 раз.
К сожалению, время свипирования растёт пропорционально квадрату уменьшения RBW. Расплата 100-кратным увеличением времени измерения за улучшение отношения сигнала к шуму на 10 дБ – слишком дорогое удовольствие.
Как уже бывало в прошлом, для улучшения измерений и облегчения жизни радиоинженеров можно использовать специальные алгоритмы и высокоскоростную цифровую обработку сигнала:

Эти два измерения охватывают один и тот же диапазон частот и выполнены с одинаковой полосой измерительного фильтра. Опция FS1 для анализаторов сигналов Keysight серии X (снизу) повышает скорость измерения примерно в 50 раз.

Быстродействующая специализированная ИС в анализаторе сигналов выполняет частотную и амплитудную коррекцию и коррекцию полосы измерительных фильтров при скоростях свипирования, до 50 раз превышающих традиционную скорость, с минимальными ошибками. Это улучшение относится к свипирующим (не БПФ) измерениям и даёт максимальный эффект, когда полоса измерительного фильтра составляет примерно 10 кГц или больше.

Выигрыш по скорости тут очевиден, но другое преимущество может быть не столь заметным: возможность использования более узкого фильтра ПЧ для улучшения воспроизводимости результатов при сохранении того же времени свипирования.

На этом графике сравнивается воспроизводимость (по вертикальной оси) быстрого и традиционного свипирования. Более низкий уровень и менее крутой спад синей кривой демонстрирует улучшенную воспроизводимость и меньшую зависимость от времени свипирования.

Степень роста скорости зависит от особенностей измерения и конфигурации анализатора, но она достигается автоматически и без ухудшения характеристик. Если медленные измерения вас уже утомили, поищите информацию об этом методе в наших рекомендациях по применению быстрого свипирования.

Риск болтающейся гайки

Бен Зарлинго

Как избежать повреждения СВЧ разъёма

Некоторые неприятности подстерегают нас в самых неожиданных местах, несмотря на разнообразные меры безопасности. Одним из примеров являются механические повреждения разъёмов высокочастотных кабелей и переходников, особенно при использовании разъёмов SMA и прецизионных разъёмов 3,5 мм в измерительных схемах, где также используются разъёмы 2,4 мм и 1,85 мм. И как всегда, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать:


Изображение переходника с 3,5 мм на 2,4 мм вверху в центре отлично всё поясняет. Обратите внимание, что резьба с левой и правой стороны переходника имеет разную длину нарезки, и шаг резьбы тоже отличается. Это гарантирует, что при использовании несоответствующих разъёмов накидная гайка не позволит их соединить. Пока всё хорошо.
Опасность становится более очевидной, если рассмотреть гнёзда (центральные контакты розетки) с обоих сторон переходника, на рисунке они показаны вверху слева и вверху справа. Обратите внимание на разную толщину стенок и диаметр отверстия центральных контактов этих двух разъёмов. Если показанный внизу слева центральный контакт разъёма SMA (совместимый с прецизионным разъёмом 3,5 мм) вставить в гнездо 2,4 мм, показанное вверху справа, то разъём 2,4 мм будет повреждён. Также разъём будет повреждён, если использовать вилку 3,5 мм.
Но ведь накидная гайка не даёт этого сделать. Или даёт?
Меры безопасности, реализованные за счёт разных размеров разъёмов и разного шага резьбы (как описано выше) работают лишь в том случае, если накидная гайка вилки не может сдвинуться с разъёма назад в сторону кабеля. Как видно на нижнем правом рисунке, к этому полужёсткому коаксиальному кабелю с разъёмом SMA это не относится. Габариты сочленяемых частей разъёмов совместимы, и с небольшим усилием разъём SMA может завершить свою разрушительную миссию.
К счастью для инженеров, розетки 2,4 мм и 1,85 мм на передней панели приборов обычно не устанавливаются. Вместо этого используются вилки, поэтому повреждаются обычно только переходники и кабели. Сами по себе они достаточно дороги, но обходятся значительно дешевле замены разъёмов передней панели прибора и последующей перекалибровки.
Ход накидной гайки разъёмов 3,5 мм практически всегда ограничен, но на дешёвых разъёмах SMA это правило соблюдается не всегда. И, конечно, ограничители (в качестве которых часто используются пружинные кольца) могут сдвинуться почти на любом разъёме.
Таким образом, эта опасность присутствует в любой измерительной схеме, где используются разъёмы 2,4 мм или 1,85 мм, включая большинство приложений миллиметрового диапазона и некоторые СВЧ приложения.
Вы получите дополнительные шансы предотвратить опасность, если заметите слегка выступающий или изогнутый центральный контакт разъёма SMA, как на нижнем левом рисунке.

Высокочастотное оборудование стоит дорого и требует бережного обращения, поэтому даже не очень заметное повреждение разъёма может сказаться на его характеристиках. А с ростом рабочих частот оборудование становится ещё дороже и ещё чувствительнее, так что будьте осторожны!

Почему на передней панели СВЧ приборов установлены вилки?

Росс Ван Ворт

Как говорили родители: «Для твоей же пользы!»

Многие инженеры любят хорошие головоломки, и всем нам приходилось встречать устройства или технические решения, заставляющие чесать затылки. Если мы заметили что-то странное, но не видим для этого очевидных объяснений, то у нас, как у собак Павлова, начинает выделяться слюна познания. Мы теряемся в догадках, что же за этим кроется – может, тут несколько объяснений – и начинаем подозревать, что всё это следствие какого-то тяжело доставшегося опыта, за который кому-то пришлось заплатить очень дорогой ценой.

Одну такую маленькую загадку можно найти на передней панели многих СВЧ генераторов и анализаторов. Вместо традиционной розетки – типа N, 3,5 мм, 2,4 мм и т.п. – вы часто встретите здесь вилку с огромным рифлёным фланцем, который позволяет плотно затягивать соединение руками (см. ниже).

Хотя типичным разъёмом передней панели является розетка, в приборах СВЧ диапазона (от 30 до 300 ГГц) часто используются разъёмы противоположного типа. Это объясняется тем, что вилка обеспечивает защиту от некоторых серьёзных повреждений.

Поскольку в большинстве кабелей используются вилки, должна существовать хотя бы одна веская причина такого отступления от традиции. И такая причина есть, кратко её можно сформулировать словами «защита разъёма». Ниже показаны два примера и некоторые номера деталей по каталогу.

	Защитные переходы для подключения к вилке 2,4 мм на передней панели
	Соединение с	Номер детали по каталогу
	розеткой 2,4 мм	11900B
	розеткой 2,92 мм	11904B
	розеткой 3,5 мм	11901B
	розеткой типа K	11904B
	розеткой SMA	(используйте 3,5 мм 11901B)
	розеткой типа N	11903B

«Защитные переходы» – это коаксиальные переходники, включаемые между разъёмами передней панели прибора и кабелями или исследуемыми устройствами. В случае повреждения или износа они легко заменяются.

Две другие основные причины описываются словами «расходный» и «сменный». Разъёмы СВЧ диапазона по определению малы и требуют весьма аккуратного обращения, а замена разъёма на передней панели прибора обходится достаточно дорого. Кроме того, после такой замены, как правило, требуется калибровка, а это может вывести прибор из эксплуатации на целый день, а то и на более длительный срок.

В ситуациях, требующих частых переподключений, имеет смысл держать рабочий переходник, постоянно подключенный к разъёму передней панели прибора. Если такой переходник ломается или изнашивается, его можно легко и без особых затрат заменить. Другими словами, даже самый дорогой  переходник метрологического класса стоит дешевле, чем ремонт и последующая перекалибровка прибора.

А теперь давайте вернёмся к повреждению и износу. Разъёмы передней панели подвержены нескольким типам повреждений, и применение вилки и защитного перехода защищает их несколькими способами. Во-первых, вилка стимулирует применение защитного перехода. Оператор, не обученный правильному обращению с разъёмами, не сможет подключить большинство кабелей (с вилками на обоих концах) прямо к передней панели и поэтому, скорее всего, не сможет случайно повредить разъём передней панели.

Во-вторых, вилка, как правило, имеет большую механическую прочность по сравнению с розеткой. Самый распространённый тип повреждений – это повреждение гнездового контакта розетки штыревым контактом вилки, который может быть изогнутым или иметь несоответствующий размер. Вилка на передней панели переносит центр разрушений на более дешёвые детали.

Таким образом, такой выбор типа разъёма существенно сокращает число циклов сочленения приборного разъёма. Даже при аккуратном обращении износ и повреждения неизбежны, и лучше перенести влияние этих факторов на расходные детали.

Полезный совет №1. Как определить тип разъёма (вилка или розетка) с различными конструкциями корпуса? Запомните, что тип коаксиального разъёма определяется по его центральному контакту, независимо от наличия и формы накидных гаек, резьбовых деталей или байонетных фиксаторов.

Полезный совет №2. Лыски, проточенные в цилиндрических деталях защитных переходов, предназначены не только для динамометрических ключей. Они позволяют использовать обычные рожковые ключи, чтобы удерживать разъём от поворота во время затяжки гайки. Следует избегать поворотов разъёма, поскольку это приводит к его износу, и особенно это касается чувствительных СВЧ разъёмов.

Полезный совет №3. Некоторые приборы используют специальные адаптеры, которые могут выступать в роли защитного перехода. Эти специальные адаптеры являются сменной частью приборного разъёма передней панели и могут иметь разные типы ответной части с внешней стороны. Такой подход может физически укорачивать соединение и до некоторой степени повышает механическую прочность благодаря компактной конфигурации. Однако недостаток заключается в том, что специальный адаптер может повредиться, а замены под рукой не окажется.

САПР Keysight. Видеоролики из цикла «Как это сделать»

Коллекция видеороликов Keysight EEsof из цикла «Как это сделать» помогает решить множество технических проблем, связанных с проектированием ВЧ и СВЧ устройств, измерением целостности сигналов, моделированием устройств и обработкой сигналов. Для каждого видеоролика мы подготовили файлы проектов, которые помогут вам в практическом освоении соответствующей темы. Все файлы можно загрузить с нашего веб-сайта. Видеоролики "Как это сделать" вы найдете по ссылке

http://www.keysight.com/find/eesof-how-to-videos

В коллекцию включены следующие видеоролики:

• «Как спроектировать ВЧ усилитель»

        Включая: «Основы проектирования», «Усилители класса A, AB и B»,
        «Усилители класса E», «Усилители класса F», «Усилители класса J»

• «Как использовать отслеживание огибающей для повышения КПД усилителей мощности»
• «Как прогнозировать влияние корпуса и соединительных перемычек на параметры ВЧ модуля»
• «Как оптимизировать характеристики ВЧ топологии»
• «Как проектировать согласующие цепи ВЧ и СВЧ диапазона»
• «Как компенсировать влияние тестовой оснастки для обеспечения совпадения результатов измерений и моделирования целостности сигналов»
• «Как характеризовать и оптимизировать соединение плат и разъёмов»
• «Как применить ЭМ калибровку порта для повышения точности моделирования Методом Моментов (MoM)»
• «Как использовать «Планирование экспериментов» для создания надежных схем с высоким процентом выхода годной продукции»
• «Как настроить и запустить моделирование схемы с произвольным импедансом нагрузки: основы»
• «Как создать модель SRAM»
• «Как выполнить точные автоматизированные ВЧ измерения на полупроводниковых пластинах»
• «Что такое 5G: формы сигналов»
• «Как проектировать схемы с учётом качества электропитания: поиск проблем, связанных с шумами в цепях питания»
• «Как эффективно согласовать ВЧ импеданс путём оптимального выбора компонентов для поверхностного монтажа»
• «Как проектировать преобразователи постоянного тока (DC/DC)»
• «Как моделировать биполярный транзистор»

Генераторы сигналов и достоверность малых величин

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Достичь высокой точности в малом значительно труднее, чем в большом

Недавно я занимался измерением чувствительности и обнаружил, что работать со слабыми сигналами очень трудно. Эта проблема весьма интересна, и я решил, что будет полезно поделиться с вами некоторыми интересными соображениями относительно декларируемых и реальных характеристик.
Я сразу признаю, что технические описания и детальные технические характеристики могут быть очень скучными. Перелопачивание всей этой информации может быть весьма утомительным, но именно из неё можно узнать, на какие значение технических характеристик можно рассчитывать, а некоторые из этих параметров являются основным критерием покупки контрольно-измерительного оборудования. Кроме того, подробные технические характеристики лучше чем неполные.

Измерение на пороге чувствительности демонстрирует роль и преимущества хорошего технического описания, которое помогает вам выполнять сложные измерения. Допустим, что вы хотите достичь чувствительности 1 мкВ, и вам нужен сигнал именно такого уровня с погрешностью не более ±1 дБ. В 50-омной системе один микровольт равен −107 дБм, а разница в 1 дБ означает всего 10 нВ.

В спецификации генератора СВЧ сигналов MXG серии X компании Keysight указана погрешность ±1,6 дБ и уровень выходной мощности до −90 дБм, чего для решения вышеописанной задачи явно недостаточно. Однако не следует забывать, что гарантируемые значения технических характеристик, указанные в спецификации, охватывают широкий диапазон условий эксплуатации, значительно шире того, с которым вы столкнётесь в данном случае.

Рис. 1. Зависимость погрешности уровня выходного сигнала генератора MXG от частоты (ГГц)

На этом рисунке показаны результаты измерения выходной мощности и статистическое распределение для нескольких СВЧ генераторов MXG в диапазоне 20 ГГц. Условия эксплуатации в этом случае очень щадящие по сравнению с условиями, для которых составляется спецификация.
Характеристики, которые вытекают из этого графика, весьма впечатляющи, – они значительно превосходят спецификацию в очень широком диапазоне частот и применимы к малым выходным уровням, которые как раз и нужны для измерения чувствительности. Погрешность почти всегда меньше ±0,1 дБ, что значительно лучше значения, указанного в спецификациях.
Кроме того, на графике показана статистическая информация, непосредственно относящаяся к нашим измерениям. Граничные значения параметров приведены для ±одного стандартного отклонения, а это даёт доверительный интервал 68 %, если считать распределение нормальным (гауссовским). Если я правильно понимаю математику, то погрешность ±0,2 дБ будет соответствовать двум стандартным отклонениям и доверительному интервалу больше 95 %. Достоверность, нужная вам для выполнения ваших измерений, может отличаться, но принцип будет тем же.
Вы можете измерить фактические характеристики контрольно-измерительного оборудования самостоятельно, и, зная их, решить Вашу измерительную задачу с помощью уже имеющегося приборов.

Динамический диапазон и обработка цифровых изображений

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Сигналы и шум в оптической области

Возможно, не только я веду упорную борьбу с шумом, а последние достижения цифровой фотографии и вовсе вынудили меня ненадолго отвлечься от традиционной сферы интересов – ВЧ технологий.
Но я отвлекся не так уж сильно, поскольку цифровую фотографию можно представить как двумерный анализ сигналов. Неудивительно, что многие инженеры-электронщики, с которыми я лично знаком, увлекаются фотографией, а для некоторых она стала даже больше чем хобби. Инженерные знания помогают глубже понять технические аспекты, связанные с повышением качества изображений. В этой публикации я хочу подробно остановиться на последних достижениях цифровой фотографии, связанных с повышением чувствительности цифровых фотоаппаратов.
Погоня за увеличением числа мегапикселей, в которую были вовлечены участники рынка цифровой фотографии, практически прекратилась. Вероятно, это связано с тем, что очень высокое разрешение современных датчиков опережает возможности оптических систем и систем автофокусировки. На мой взгляд, в таком развитии есть и положительный момент, поскольку разработчики начинают уделять больше внимания чувствительности цифровых фотоаппаратов или их работе при низкой освещенности. Чувствительность важна так же, как и разрешение в тех случаях, когда освещенность недостаточна, а увеличение экспозиции не дает желаемого результата из-за дрожания камеры в процессе съемки или движения объекта съемки.
Чувствительность современной цифровой камеры, как и пленочного фотоаппарата, измеряют в единицах ISO. В пленочном фотоаппарате повышенная чувствительность фотоплёнки позволяет снимать при меньших выдержках, однако это приводит к увеличению зернистости изображения. В цифровом фотоаппарате чувствительность, в первую очередь, связана с коэффициентом усилением сигнала, снимаемого с выхода датчика изображения. Интересно, что чем выше настройка ISO в цифровом фотоаппарате, тем больше шум в изображениях, что соответствует крупнозернистой высокочувствительной фотоплёнке.
Такая зависимость шума от усиления хорошо знакома многим инженерам и мне интересно вынести на суд специалистов некоторые соображения по поводу коэффициента шума.
Сегодня лучшие цифровые фотоаппараты имеют великолепную чувствительность, и на первый план выходит параметр, который близок и дорог каждому из нас, – динамический диапазон. Значительное расширение динамического диапазона привело к тому, что камеры стали инвариантны к ISO, то есть шум считывания камеры, который оценивается по величине флуктуации сигнала матрицы относительно среднего значения сигнала, практически не изменяется при увеличении ISO. Это дает большие преимущества фотографам.
Ниже я привожу обобщенное графическое представление этой ситуации

Большое затенение         Средняя яркость   Высокая яркость
Исходная сцена
Изображение, захваченное датчиком
Файл необработанных данных
Файл JPEG

На этой диаграмме яркости цифрового изображения показано, как сцена с широким динамическим диапазоном может быть ограничена и сжата в процессе захвата данных изображения и преобразования их в файл JPEG. Повернув диаграмму на 90 градусов влево, можно увидеть, что яркость аналогична измеренному уровню амплитуды ВЧ сигнала.
Радиоинженеры давно освоили эту область знаний. Разумеется, расширение динамического диапазона в измерительном приборе всегда хорошо, а порой просто необходимо.
Воспользоваться преимуществами ISO-инвариантности просто, но для полного понимания этих преимуществ советуем подробно ознакомиться с режимами работы цифрового фотоаппарата. Вместо установки режима с нормальной экспозицией для сложной сцены, можно выполнить захват требуемых ярких участков, а необработанный выходной сигнал датчика выдать в виде файла в несжатом формате, в отличие от JPEG. При этом некоторые части сцены могут быть недоэкспонированы, но в файле такого формата сохраняются данные, которые соответствуют всему динамическому диапазону датчика, поэтому конечный результат может быть получен на основе яркостей всех пикселей изображения. В цифровом фотоаппарате, обладающем инвариантностью к ISO, участки с большим затенением можно ограничить с помощью диафрагмы без значительного увеличения шума.
Это легче продемонстрировать, чем объяснить: в статьях на сайте dpreview.com вы найдете необходимую информацию с примерами. Инженеры, предоставляющие информацию для этого сайта, консультировались даже у профессора Эрика Фоссума (Eric Fossum), разработчика современных КМОП-датчиков для цифровых фотоаппаратов.

В других статьях обсуждаются вопросы, связанные с источниками шума при формировании цифровых изображений, поскольку при разработке цифровых фотоаппаратов большое внимание уделяется вопросам снижения шума. Мне кажется, что и здесь не обойтись без постоянной Больцмана, определяющей связь между температурой и энергией.

Пример из практики №1 Тестовый сигнал для смесителя

"Для тестирования смесителей необходимо сформировать синусоидальный сигнал на частотах порядка десятков-сотен кГц с задаваемым уровнем гармонических составляющих и постоянного смещения. И попроще, чтобы не получилось так, что с ПО будем разбираться дольше, чем сами испытания проводить. Амплитуда - несколько вольт, с разрешением несколько милливольт" - такую задачу на днях сформулировал один из наших заказчиков.

Сразу же отметается ВЧ генератор или генератор сигналов стандартной формы. Генератор сигналов произвольной формы (arbitrary waveform generator) - наш выбор! Но остается вопрос об использовании ПО для формирования файлов формы волны (waveform file). Здесь остановлюсь поподробней. Обычное решение в отрасли - внешнее ПО, устанавливаемое на компьютер. В нем формируется файл формы волны и затем загружается в прибор. Но не все так радужно - вместе с дружественным интерфейсом ПО для Windows Вы получаете лишнюю статью расходов и трату времени на то, чтобы разобраться с особенностями работы в программе, подключения прибора к ПК и установкой лицензионного ключа.

К счастью, нашлось решение, удовлетворяющее всем требованиям поставленной задачи. У генераторов сигналов стандартной и произвольной формы серий 33500 и 33600 имеется встроенный редактор сигналов произвольной формы.

Он позволяет формировать любую комбинацию сигналов стандартов формы и шума: сумма сигналов, разность, умножение, последовательность...

В качестве тестового был сформирован сигнал, состоящий из основной гармоники 100 кГц с заданным пиковым напряжением 0,5 В и третьей гармоники с уровнем 5 мВ. Результат измерения спектра этого сигнала приведен ниже на картинке.

Как можно видеть, уровень третьей гармоники составляет приблизительно -40 дБ относительно основной, при этом не наблюдается паразитных сигналов в диапазоне 60 дБ (шум на экране обусловлен чувствительностью анализатора спектра).

После сохранения сигнала непосредственно из основного меню прибора можно регулировать смещение, амплитуду и частоту сэмплирования с помощью ручки на передней панели. Задача решена!

Кстати, мы, при наличии такой возможности, предоставляем демонстрационное оборудование во временное пользование.

Узнайте больше о генераторах сигналов стандартной и произвольной формы Keysight на нашем сайте.

Отслеживание огибающей и слежение за усилением

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Выжать из усилителя максимум

Когда я впервые услышал термин «отслеживание огибающей», то первая ассоциация была связана с детективным сюжетом, когда кто-то за кем-то следит.
Узнав немного больше, я быстро понял, что к детективам это не имеет никакого отношения, но, как и детективы, данный термин имеет очень давнюю историю. «Слежение за усилением» – это ручной процесс, который многие десятилетия использовался в звукозаписи и других приложениях, где приходилось сталкиваться с широким динамическим диапазоном. Он использовался при записи виниловых дисков, хотя я впервые столкнулся с ним, когда работал ведущим новостных программ на радио.
Когда я следил за усилением, я вручную крутил ручку, пытаясь ограничить входной динамический диапазон до значения, которое мог переварить наш небольшой АМ передатчик. Я выступал в роли грубой системы обратной связи, склонной к ошибкам и перерегулировке, что, я думаю, подтвердят мои слушатели.
В наши дни отслеживание огибающей является ещё одним примером того, как цифровая обработка помогает решать аналоговые проблемы. В данном случае, это конфликт между КПД усилителя и широкими вариациями огибающей ВЧ сигнала с цифровой модуляцией. Если источник питания ВЧ усилителя может динамически перестраиваться в соответствии с потребностями модуляции, то он в каждый момент времени может работать с максимальной эффективностью.

В режиме отслеживания огибающей ВЧ усилитель мощности постоянно подстраивается в соответствии с изменением огибающей модулированного входного сигнала. При этом усилитель поддерживает максимальный КПД при минимальном тепловыделении, экономя заряд аккумулятора и потенциально создавая меньше помех в соседнем канале.

Высокая эффективность всегда была приоритетной в мобильной связи, и её важность продолжает расти. Размеры и масса аккумуляторных батарей ограничены значениями, комфортными для пользователей с точки зрения эргономики. Современные сигнальные процессоры отличаются малой потребляемой мощностью и высоким быстродействием, достаточным для расчёта огибающей ВЧ мощности в режиме реального времени. Значение огибающей подаётся на источник питания, обладающий достаточной полосой пропускания или скоростью отклика для соответствующего регулирования питания ВЧ усилителя мощности.

Усилитель мощности с отслеживанием огибающей динамически выбирает оптимальный КПД, отслеживая необходимую мощность по огибающей ВЧ сигнала. Отслеживание базируется на расчётах огибающей сигнала I/Q, изменяемого по таблице формирования.

Всё это кажется достаточно простым, но, конечно, таковым не является. Время расчета и отклика должны быть достаточно малыми, кроме того требуется высокая точность синхронизации по времени. Источники питания должны очень быстро реагировать на управление и при этом обладать очень высокой эффективностью. Сигнальный процессор должен быть очень экономичным, чтобы не свести на нет все выгоды от управления мощностью.
Отслеживание огибающей является следующим решением для оптимизации КПД усилителей мощности, используемым после таких методов, как снижение пик-фактора и цифровые предыскажения. В значительной мере все эти методы полагаются на сложные алгоритмы, реализованные в высокоскоростных сигнальных процессорах.
Вот здесь-то и вступают в игру контрольно-измерительные приборы и средства проектирования компании Keysight. Серию рекомендаций по применению и другую информацию можно найти на странице www.keysight.com/find/ET.

Теперь с помощью отслеживания огибающей можно выжать из усилителя всё что можно и в нужный момент, и при этом проработать от аккумулятора целый день.

Методы укрощения OFDM

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Недавно я объяснил, почему модуляция OFDM получила столь широкое распространение в беспроводных приложениях, но почти ничего не сказал о её недостатках. Как радиоинженер, вы, наверное, догадываетесь, что их будет немало, и они создают проблемы при практической реализации изделий и при измерениях. Настало время взглянуть на парочку из них.
Близко расположенные поднесущие требуют малых фазовых шумов в процессе преобразования частоты, а широкая полоса сигналов означает, что важную роль играет АЧХ системы и канала передачи. К счастью, можно пожертвовать несколькими поднесущими, используемыми для передачи опорных и пилот-сигналов, и использовать их для непрерывной компенсации, в том числе фазового шума, АЧХ и погрешностей синхронизации.

Усилитель OFDM сигнала

Однако отслеживание пилот-сигнала не повышает линейности усилителя, которая очень важна в системах OFDM. Из центральной предельной теоремы следует, что большое число независимо модулируемых поднесущих OFDM создаёт результирующий сигнал, очень похожий на белый гауссовский шум, который в радиочастотном мире славится своей «непокорностью».
Стандартной мерой «непокорности» ВЧ сигналов является отношение пиковой мощности к средней (PAPR или PAR). Значение PAPR сигналов OFDM приближается к его значению для белого шума, которое равно примерно 10-12 дБ. Это значительно больше, чем для большинства сигналов с одной несущей, поэтому большая стоимость и низкий КПД высоколинейных усилителей, которые нужны, чтобы справиться с этой проблемой, могут свести на нет все преимущества OFDM.
Для снижения PAPR и реабилитации OFDM применялись разные методы, которые получили общее название «снижение пик-фактора» (CFR). Эти методы простираются от простого ограничения пиков, селективного сжатия и масштабирования до методов, требующих значительных вычислительных ресурсов, таких как активное расширение сигнального созвездия и резервирование тональных сигналов. Эффективность применения этих методов для снижения PAPR лучше всего демонстрируется комплементарной интегральной функцией распределения (CCDF):

Комплементарная интегральная функция распределения сигнала LTE-Advanced с полосой 20 МГц до и после применения алгоритма CFR. Сдвиг кривой влево снижает требования к линейности усилителя мощности LTE.

Ограничение пиков и сжатие особого успеха не имеют, поскольку являются нелинейными преобразованиями. Их врожденная нелинейность может создать те же проблемы, которые мы пытаемся преодолеть.
Как можно предположить, лучшее снижение PAPR без чрезмерного снижения качества модуляции или вредного влияния на соседние каналы обеспечивается методами, требующими более тщательной обработки цифрового сигнала. Это ещё один пример применения мощных современных сигнальных процессоров для повышения эффективности аналоговых схем, которые сами по себе прогрессируют значительно медленнее.
В методе резервирования тонального сигнала, подгруппа информационных поднесущих OFDM приносится в жертву или резервируется для CFR. Эти тональные сигналы модулируются индивидуально, но не данными. Вместо этого на лету рассчитываются соответствующие значения I/Q для подавления максимальных отклонений I/Q (пиковых значений ВЧ мощности), вызванных добавлением других поднесущих.
Поскольку все поднесущие по определению ортогональны, можно свободно манипулировать резервными поднесущими, не оказывая влияния на пилотные или информационные поднесущие. Таким образом, за CFR приходится расплачиваться в первую очередь вычислительной мощностью, а также потерей информационной ёмкости канала за счет принесения в жертву нескольких поднесущих.
На практике полная картина компромиссов более сложна, но один из примеров обсуждается в документе IEEE: “Пожертвовав для резервирования 11 из 256 тональных сигналов OFDM (4,3%), можно снизить аналоговый PAR беспроводных систем более чем на 3 дБ”. ^[1]
Это достаточно выгодная, но не единственно доступная сделка. Выше я упоминал активное расширение сигнального созвездия. Другие подходы включают селективное распределение и цифровые предыскажения. Все они имеют свои достоинства и недостатки, и я рассмотрю их в будущих публикациях.

^[1] Применение метода активного набора для снижения PAR в OFDM путём резервирования тональных сигналов, документ доступен на сайте IEEE.org.

Всюду OFDM. Почему?

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Одна транспортная схема используется повсюду, она просто «вездесущая»!
Работая в начале 1990-х с первыми векторными анализаторами сигналов, я из первых рядов наблюдал выход на сцену цифровых схем модуляции. Цифровая модуляция была не нова, но с пришествием второго поколения сотовых стандартов, таких как GSM, NADC, CDMA/IS-95 и PDC, она стала использоваться массово.
Целое десятилетие продолжалось непрерывное внедрение инноваций: телевидение стало цифровым, затем третье поколение сотовых стандартов потребовало огромных затрат и умственных усилий.
Шли годы, я поражался обилию типов модуляции, транспортных схем и кажущемуся бесконечным числу их комбинаций и улучшений. Всё это требовало столь же постоянного потока новых решений для изучения, анализа, оптимизации и диагностики.
С некоторым недовольством я спрашивал своих коллег: “До каких же пор будет продолжаться эта постоянная раскрутка разных типов модуляции и транспортных схем”? И все отвечали примерно одинаково: “Ну, ещё какое-то время”.
Они были правы, но в конце десятилетия появилась новая важная тенденция. Одна транспортная схема вышла вперёд и доминировала всё последующее десятилетие и далее: мультиплексирование с ортогональным делением частот или OFDM. Сегодня эта технология применяется и в сотовой связи, и в некоторых стандартах спецсвязи, и совершенно неожиданно в счетчиках электроэнергии для передачи показаний по силовых сетям.

Некоторые физические особенности OFDM.

Ключ кроется в первом слове сокращения OFDM: главной особенностью этой схемы является ортогональность большого числа поднесущих. Являясь скорее транспортной схемой, а не типом модуляции, OFDM может использовать несколько разных модуляций и, как правило, одновременно. Ортогональность поднесущих иллюстрируется приведённым ниже рисунком.

Рис. 1. Спектр трёх перекрывающихся поднесущих OFDM, в котором центр каждой поднесущей соответствует спектральным нулям всех других поднесущих. Такое беспомеховое наложение обеспечивает ортогональность, позволяющую независимо модулировать каждую несущую.

Ортогональность и независимость поднесущих в OFDM не означает, что поднесущие не перекрываются. На самом деле они сильно перекрываются, и центральные частоты расположены близко друг к другу, но спектральный пик каждой поднесущей располагается на частоте, где все другие поднесущие обращаются в ноль.
В связи с независимостью поднесущих, OFDM можно рассматривать как мультиплексирование или метод множественного доступа, чем-то напоминающий CDMA. Он не повышает теоретическую ёмкость канала, но позволяет системам работать ближе к их теоретической ёмкости в реальных условиях:

• Высокий уровень эксплуатационной гибкости за счёт управления распределением поднесущих, символов и схем кодирования сигнала, что обеспечивает поддержку разных задач с различными требованиями к скорости данных, задержкам, приоритету и многим другим аспектам.
• Множественный доступ (OFDMA) для одновременной поддержки нескольких пользователей (радиостанций) за счёт гибкого и эффективного распределения поднесущих.
• Высокая целостность символов и данных за счёт передачи их с относительно низкой символьной скоростью, смягчающей эффект многолучевого распространения и снижающей влияние импульсных помех, а также за счёт распределения потоков данных по нескольким поднесущим с символьным кодированием и упреждающей коррекцией ошибок.
• Высокая скорость передачи данных за счёт одновременной передачи по нескольким сотням и даже тысячам поднесущих с применением соответствующего кодирования сигнала.
• Надёжная работа в условиях сильных помех благодаря структуре распределённого спектра и способности компенсировать потерю некоторых групп поднесущих.
• Высокая эффективность использования спектра за счёт плотного расположения множества поднесущих и такого их распределения, что они не влияют друг на друга и позволяют отдельно модулировать каждую поднесущую.
• Высокая пространственная эффективность за счёт совместимости с методами пространственного мультиплексирования, такими как передача с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO).

Потенциальные преимущества OFDM были понятны уже давно, но практическое применение этой технологии началось лишь тогда, когда для мобильных терминалов стали широко доступны большие вычислительные мощности. За последние 15 лет, по мере оптимизации отношения цены к производительности, OFDM закрепила своё господство и стала основной технологией.

Дополнительную информацию об этой технологии можно найти в недавних ознакомительных рекомендациях по применению OFDM, а в будущих статьях я опишу некоторые особенности реализации и тестирования.

Запрос программных лицензий Keysight

Добрый день, уважаемые коллеги.

Эта статья продолжает цикл статей-инструкций и сегодня я рассмотрю еще одну крайне необходимую операцию - это запрос и перенос программных лицензий Keysight с помощью Keysight Software Manager. Статья представляет собой пошаговую инструкцию с поясняющими изображениями, которые помогут Вам быстро и без проблем получить лицензионный ключ для разблокирования программной опции Вашего прибора.

Тайна разъёма анализатора сигналов

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Что не так на этой картинке?

Многие интригующие меня вещи среднестатистическим человеком воспринимаются совсем иначе. Но вы ведь не среднестатистический человек – иначе вы не читали бы этот блог. Поэтому, надеюсь, вы найдёте следующую картинку и пояснения столь же интересными и полезными, как это показалось мне. Внимательно взгляните на этот анализатор сигналов Keysight серии X и на те детали, которые я выделил:

Диапазон частот этого анализатора сигналов MXA простирается до 26,5 ГГц, но он оснащен входным разъёмом типа N. Поскольку верхняя граничная частота для разъёмов типа N обычно составляет 11 или 18 ГГц, то у нас, кажется, проблема.

Честно говоря, я наблюдал такую комбинацию частотного диапазона и входного разъёма много лет, прежде чем обратил внимание на это странное несоответствие. Я смутно припомнил, что разъёмы типа N предназначались для меньших частот и, наконец, нашёл время решить этот вопрос.
Объяснение оказалось достаточно сложным, учитыващим некоторые инженерные приёмы для оптимизации компромиссов, но с ним стоит разобраться. Как всегда, когда речь заходит о СВЧ сигналах и разъёмах, важную роль играют материалы, точность и геометрия.

Почему же разъем типа N?

Зачем же вообще применять разъём типа N в приборе с диапазоном частот 26 ГГц? Почему бы не поставить приборный разъём 3,5 мм, который легко соединяется и с обычными разъёмами SMA?

1. Надежность

Основная причина кроется в прочности и надёжности разъёма N в отношении ударов, скручивания и частых подключений, которые должно выдерживать контрольно-измерительное оборудование, сохраняя при этом номинальные характеристики. Прецизионные разъёмы типа N сочетают надёжность с хорошими характеристиками, непревзойдёнными в мире ВЧ/СВЧ оборудования. Кроме того, они легко подключаются и обычно затягиваются рукой.

2. Специальная конструкция позволяет расширить частотный диапазон

Стандартные разъёмы типа N рассчитаны на частоту 11 ГГц, а прецизионные на 18 ГГц. Выше 18 ГГц размер проводников и геометрия корпуса могут порождать амплитудные и фазовые ошибки, вызванные возникновением паразитных мод колебаний в кабеле. Решение этой проблемы заключается в изменении конструкции приборных разъёмов. Разъёмы типа N, используемые в приборах Keysight с диапазоном частот до 26 ГГц, имеют специальную конструкцию. Такой специальный разъём содержит внутренний бесщелевой экран, изолятор центрального контакта из специального материала и обладает более точной конструкцией. В результате резонансы можно устранить или снизить до столь малого уровня, что разъём типа N становится лучшим вариантом для контрольно-измерительного прибора в этом частотном диапазоне. 

3. Прецизионные адаптеры обеспечивают работу до 26.5 ГГц

Если вы работаете выше 18 ГГц и используете соответствующие переходники, аналогичные тем, что входят в состав набора переходников 11878, вы можете уверенно выполнять измерения. Просто подключите к передней панели прибора переходник с N на 3,5 мм и используйте кабели с разъёмами 3,5 мм или SMA.

Keysight Technologies гарантирует качество своей продукции

Примечание на странице 34 спецификации анализатора сигналов MXA гласит

Signal frequencies above 18 GHz are prone to response errors due to modes in the Type-N connector used. With the use of Type-N to APC 3.5 mm adapter part number 1250-1744, there are nominally six such modes. The effect of these modes with this connector are included within these specifications.

КСВ и другие важнейшие характеристики, указанные в спецификации, уже учитывают все возможные эффекты, связанные с возникновением паразитных мод колебаний. В результате практические преимущества разъёма типа N сочетаются с полным диапазоном частот 26,5 ГГц без ухудшения характеристик. В этом руководстве по применению Вы можете найти дополнительные подсказки для эффективного проведения СВЧ измерений.