Испытания приемо-передающих модулей

T/R модули

Радиолокационные станции (РЛС), спутники и системы радиоэлектронной борьбы (РЭБ) используют множество приемо-передающих модулей (T/R модули). Приемо-передающие модули выпускаются в больших количествах для использования в системах РЛС с фазированной антенной решёткой, одна из которых показана на рисунке 1. Они устанавливаются за каждым антенным элементом в фазированной решётке; поэтому потенциально требуются сотни или тысячи модулей для одной РЛС.

Рисунок 1 – Современные РЛС с фазированной антенной

Рисунок 2 - T/R модуль

Приемо-передающие модули являются либо частью антенны, либо устройствами, ближайшими к антенне. В результате они оказывают основное влияние на ВЧ характеристики РЛС. В процессе передачи выходной ВЧ импульс усиливается модулем, определяя тем самым максимальную излучаемую мощность РЛС. В процессе приёма малошумящий усилитель на входе модуля определяет коэффициент шума системы и, следовательно, минимальный уровень обнаруживаемого сигнала.

Оптимизация времени испытаний

При разработке современных систем испытания приемо-передающих модулей особое внимание обращается на скорость измерений. Компания Keysight совместно со своими партнёрами разработала и предлагает законченные технические решения, позволяющие оптимизировать производительность.
В зависимости от числа каналов в модуле доминирующим фактором при производственных испытаниях является время, требуемое для установки и снятия нагрузки испытуемого устройства. Это время можно минимизировать с помощью решения Keysight Technologies, которое позволяет нагружать следующее устройство, пока испытывается предыдущее.

Рисунок 3 - Измерительный комплекс на основе оборудования Keysight Technologies

Подробнее узнать об оптимизации времени испытаний приемо-передающих модулей Вы можете в руководстве по применению на русском на языке Оптимизация производительности при испытаниях передающих/приёмных модулей.

Адаптивная частотная коррекция: будьте осторожны с выравниванием

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Эквалайзер может сделать характеристику канала “плоской”, но это ли вам нужно на самом деле?

Теоретически адаптивная частотная коррекция позволяет приёмнику полностью скорректировать погрешности частотной характеристики канала и приёмопередающего оборудования, и обеспечить равномерность амплитудной характеристики и групповой задержки.

Прекрасно! Идеально скорректированные сигналы для демодуляции! Увы, это слишком хорошо, чтобы быть правдой, и если бы вселенная была устроена именно так, вам бы не пришлось столько работать. 

Если речь идёт о реальном канале и обучающей последовательности, восстановленной на приёмной стороне, то можно найти веские причины против идеальной коррекции.
Например, давайте начнём с сигнала OFDM 802.11a, который я захватил, используя в качестве антенны канцелярскую скрепку, вставленную в переходник BNC^*. Использовав стробирование, я выделил обучающую последовательность в том виде, в каком её восстановил приёмник.

Стробированное измерение спектра обучающей последовательности канала (вверху) показывает частотную характеристику ВЧ канала на частоте 5,8 ГГц в условиях офиса. Вертикальный масштаб равен 5 дБ/дел, и частотная характеристика меняется в пределах от 12 до 15 дБ.

Частотная характеристика канала на частоте 5,8 ГГц состоит из пиков поднесущих, которые можно использовать для коррекции амплитуды/фазы или I/Q. Однако существуют ограничения на применение обучающей последовательности, и в основном они связаны с шумами.
Во-первых, заметьте, что частотная характеристика канала меняется примерно от 12 до 15 дБ. Если в качестве опорной использовать поднесущую с максимальным уровнем, то поднесущие с минимальным уровнем возрастут с 12 до 15 дБ, и на столько же увеличится связанный с ними шум. Поскольку эти слабые поднесущие относительно близки к уровню шума, эквалайзер существенно увеличит мощность шума. А если в результате многолучевого распространения некоторые поднесущие обратятся в ноль, что иногда и происходит, то эквалайзер поднимет шум на этих частотах ещё больше, в сущности, заменяя модулированные поднесущие шумом.
Шум также вносит неопределённость в проектирование выравнивающего фильтра. Каждая принятая поднесущая обучающей последовательности содержит малую долю общей энергии, полученную в очень короткое время, поэтому построение хорошего выравнивающего фильтра по столь ограниченной информации может оказаться весьма непростой задачей. Ошибки, вызванные плохой коррекцией, могут породить ошибки демодуляции.
Эти проблемы можно смягчить несколькими способами, включая интеллектуальное и динамическое ограничение усиления фильтров эквалайзера. Фильтры можно обучать последовательно по нескольким пакетам, реализовав некоторое подобие усредняющей функции, постоянная времени которой зависит от скорости, с которой предположительно может изменяться канал. Кроме того, в отделении несущих от шума может помочь правильный выбор алгоритмов фильтрации.
Поскольку в описанной ситуации энергия и информация связаны между собой, больше информации можно получить, обучая эквалайзер не только на обучающей последовательности, но и на полезном сигнале. Такая комбинация потребует большей вычислительной мощности, но для современных приёмников это не проблема.
Эквалайзеры, сколь бы продвинутыми они ни были, и как бы их ни обучали, не могут исправить все поднесущие. При возникновении ошибки модуляции на одной или нескольких поднесущих, на помощь может прийти кодирование, позволяющее восстановить потерянные данные по другим поднесущим. Система может даже изменять схемы кодирования на лету в соответствии с динамическим состоянием канала.
Кроме того, частотная коррекция может помочь в диагностике. В таких инструментах, как программное обеспечение 89600 VSA, для сигналов OFDM можно выбирать разные методы обучения. Фильтр эквалайзера можно создать на основе одной только обучающей последовательности или на основе обучающей последовательности и принимаемых данных, причём фильтр может контролироваться непосредственно. Переключение между этими технологиями при одновременном контроле амплитуды вектора ошибок (EVM) и фильтра эквалайзера может дать представление о паразитных воздействиях на канал и о характеристиках системы.
^* Не смейтесь. Обрезанная до нужной длины канцелярская скрепка отлично работает в качестве антенны на 5,8 ГГц, а применение недорогого переходника на BNC уберегло от повреждения входной разъём моего анализатора.

Фазовый шум и OFDM: добавление нужного значения в нужное место

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Испытательные сигналы не всегда должны быть идеальными

Минимизация шумов так часто важна для улучшения измерений, что легко прийти к выводу, что максимальное отношение С/Ш всегда соответствует наилучшим условиям. В этой статье и парочке будущих статей я приведу некоторые примеры и дам практические советы для случаев, в которых некоторый уровень шума – конечно, точно заданное значение – упростит задачу проектирования и тестирования, делая результаты более достоверными.
Как известно читателям этого блога, я не любитель шумов. Они вносят беспорядок, энтропию, ухудшают характеристики и в некотором смысле их можно считать инженерной ошибкой или просто неудачей. Чрезмерный шум воспринимается радиоинженерами, как личное оскорбление, и большинство из нас предпочло бы иметь дело с чистой синусоидой или хорошо сконструированным сигналом с цифровой модуляцией, каким бы сложным он ни был. Конечно, многие сложные сигналы с цифровой модуляцией похожи на шум с ограниченной полосой, но в данном случае – это признак успеха.
Давайте же сосредоточимся на желательном шуме в виде контролируемого фазового шума в испытательных сигналах для систем OFDM (мультиплексирование с ортогональным делением частот). Системы OFDM чувствительны к фазовому шуму, потому что он заставляет влиять друг на друга близко расположенные поднесущие и тем самым уменьшает ортогональность, которая очень важна для нормального функционирования.
При создании испытательных сигналов OFDM достаточно очевидным кажется стремление снизить уровень фазовых шумов до нуля. Однако в реальных условиях это непрактично, да и не нужно. Это непрактично, потому что создание сигналов с очень малым фазовым шумом обходится очень дорого. Это не нужно, потому что демодуляторы OFDM непрерывно отслеживают известные пилотные поднесущие и символы в передаваемых сигналах, и это отслеживание может частично компенсировать фазовый шум. Какой же уровень фазового шума допустим? При каких отстройках от несущих? Ба, да это же ни что иное, как сложности генерации сигналов, и инженер получает шанс блеснуть знаниями. Цель заключается в определении максимально допустимого уровня фазового шума и оптимизации характеристик (и стоимости) системы за счёт генерации испытательных сигналов, близких этому предельному значению.

Итак, существуют два важных аспекта испытаний, позволяющих оптимизировать параметры фазового шума в системах OFDM. Во-первых, это генерация сигналов с соответствующим уровнем и распределением фазового шума. Во-вторых, это понимание того, какой уровень фазового шума может повлиять на показатели качества модуляции, например, на амплитуду вектора ошибки (EVM).

Для создания сигналов OFDM со строго дозированным уровнем фазового шума генераторы сигналов серии Keysight N5182B MXG серии X используют обработку модулирующего сигнала в режиме реального времени, предлагая возможность «инжекции фазового шума». Пользователю нужно только указать величину пьедестала фазового шума и указать граничные частоты, соответствующие началу и концу этого пьедестала. Приведённый ниже рисунок показывает соответствующий экран настройки генератора с результирующей кривой и соответствующее измерение, выполненное анализатором сигналов Keysight серии X с приложением для измерения фазового шума.

Экран настройки фазового шума генератора сигналов Keysight N5182B MXG показан слева, он содержит прогнозируемую кривую фазового шума. Соответствующее измерение результирующего фазового шума анализатором сигналов показано справа.

Как видите, генератор ВЧ сигналов прекрасно справляется с проблемой добавления реалистичного фазового шума с заданными отстройками от несущих. Другой важный момент тестирования и оптимизации системы заключается в проверке влияния этого фазового шума на качество модуляции в том виде, в котором её видит приёмник.
Для оценки качества сигнала широко применяется параметр EVM, и для оптимизации фазового шума полезно предположить, что качество сигнала определяется в основном фазовым шумом. Затем можно смело применить простое правило, согласно которому отслеживание пилотных поднесущих эффективно устраняет фазовый шум при отстройке до 10 % от величины разнесения поднесущих OFDM. В данном примере WLAN это соответствует 31 кГц при разнесении поднесущих на 312,5 кГц.
Теперь можно оценить EVM, интегрируя мощность фазового шума в одной боковой полосе (SSB) при отстройках, больших 10 % от разнесения несущих, но меньших ширины канала, и добавляя 3 дБ для преобразования мощности SSB в полную мощность в двух боковых полосах (DSB). На приведённом выше рисунке интегрирование мощности выполняется диапазонными маркёрами измерительного приложения, и после добавления 3 дБ к показаниям маркёра -29,35 дБн мы получаем результат -26,35 дБн.
Простое правило «10 % от разнесения несущих» может показаться несколько консервативным, но последующее измерение векторным анализатором сигналов его подтверждает, давая значение EVM всего на долю децибела лучше, чем предсказано.

Повышение чувствительности измерений за счёт вычитания мощности шума

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Если проблему создаёт мощность шума, то чем его уровень меньше – тем лучше

При проведении любых измерений мощность шума складывается с мощностью сигнала, внося тем самым погрешность в измерения. В связи с высокой точностью современных анализаторов сигналов, эта погрешность может быть весьма существенной, даже для сигналов, значительно превышающих уровень шумов.
К счастью, во многих измерениях этот аддитивный процесс можно компенсировать, повысив и точность измерения, и эффективную чувствительность. Такое улучшение характеристик особенно важно при измерении слабых сигналов в присутствии сильных. То есть, когда чувствительность нельзя улучшить, снижая ослабление или увеличивая усиление.
Ключом к этим улучшениям является знание добавленной мощности шума, и в большинстве случаев она соответствует уровню собственных шумов анализатора сигналов. Чтобы скорректировать типовое измерение спектра мощности, средняя мощность собственных шумов селективного фильтра анализатора вычитается в каждой точке из измеренного спектра мощности. Пример такого процесса показан на приведённом ниже рисунке.

Здесь показаны два спектральных измерения семитонального сигнала малой мощности. Каждый тон отличается от соседнего на 3 дБ, и масштаб равен 3 дБ/дел. Голубая кривая демонстрирует преимущества вычитания шума анализатора с помощью функции снижения собственных шумов (NFE) компании Keysight.

Вычитание мощности шумов анализатора выполняется с помощью простой математической функции для обработки кривых, применяемой к мощности (а не к уровню в дБ), но вот точно определить эту мощность не так уж и просто.
Прямой подход заключается в том, чтобы отключить исследуемый сигнал, выполнить измерения собственных шумов с большим усреднением, снова подключить сигнал и измерить его, вычитая шум. Это подход точен и эффективен, но может оказаться очень медленным. Кроме того, измерение собственных шумов нужно повторять при изменении схемы или условий измерения, особенно при изменении температуры.
Более совершенный метод включает точное моделирование собственных шумов анализатора сигналов во всех измерительных конфигурациях и условиях работы, а затем в применении этой информации для динамической коррекции измеренного сигнала. Этот метод не столь эффективен, как отдельное измерение собственных шумов, но значительно быстрее и удобнее. Кроме того, он не требует участия пользователя, не снижает скорости измерений, и, как показано выше, может повысить чувствительность анализатора сигналов Keysight PXA на 12 дБ.
Функция снижения собственных шумов (NFE) реализована в качестве стандартной в анализаторе сигналов PXA уже несколько лет назад, а теперь предлагается в виде опции для анализатора сигналов MXA. В MXA эта опция включается вводом лицензионного ключа и доступна для всех моделей. Для того, чтобы функция начала работать, нужно выполнить автокалибровку, которая занимает около 30 минут.
Опция NFE даёт улучшение во всём частотном диапазоне MXA, как показано ниже.

Собственный шум анализатора сигналов MXA показан в диапазоне от 10 МГц до 26 ГГц с функцией вычитания шума NFE и без неё. Эффективная чувствительность улучшилась в широком диапазоне частот примерно на 9 дБ без снижения скорости измерений и без отдельного измерения собственных шумов.

До сих пор наши рассуждения касались в основном чувствительности и связанных с нею последствий. Однако следует заметить, что при необходимости можно пожертвовать чувствительностью ради других преимуществ, таких как скорость измерения – при уменьшении разрешения по частоте скорость измерения увеличивается.
Подробную информацию об NFE и соответствующих улучшениях измерений можно найти в рекомендациях по применению Применение снижения собственных шумов в анализаторе сигналов PXA или на странице опции NFE для MXA.

Поправка, калибровка, настройка. Зачем вам это нужно?

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Как получить точность, за которую вы заплатили

Возможно, вы уже сталкивались с такой ситуацией, работая с одним из наших анализаторов сигналов. Прибор на некоторое время приостанавливает выполняемую операцию – на несколько секунд, может на минуту или даже больше – и как будто начинает жить своей жизнью. Начинают щёлкать реле, а на экране появляется сообщение о том, что выполняется настройка каких-то компонентов, о существовании которых вы даже не подозревали. Что происходит? Это важно? Может как-то можно избежать этого неудобства?
Ответ прост: анализатор решил, что пришло время измериться, провериться и настроиться, чтобы гарантировать вам обещанную точность.
Звучит вполне убедительно. В конце концов, вы купили прецизионный измерительный прибор (спасибо!), чтобы получить достоверные результаты и выполнить свою работу: применить ВЧ/СВЧ технологию для решения тех или иных, очень важных задач. И меньше всего вам нужны недостоверные измерения.
Но это ещё не всё. Ваше время тоже стоит недёшево, поэтому нужно понимать важность этих операций и знать, можно ли помешать им прерывать вашу работу.
И ещё один простой ответ: иногда автоматические операции важны, но не критичны (как правило). Во избежание неудобств можно проделать несколько простых вещей, но сначала неплохо бы разобраться в некоторых терминах:

• Калибровка

– это тесты, регулировки и проверки, которые прибор проходит раз в один–три года. Как правило, прибор отсылают в специализированную лабораторию, где выполняется его калибровка с помощью другого контрольно-измерительного оборудования.

• Настройка

– это периодические проверки и настройки по месту эксплуатации, которые анализатор выполняет сам без помощи другого оборудования и без участия пользователя. Калибровка и настройка гарантируют, что анализатор соответствует заявленным характеристикам.

• Поправка

– это математические операции, которые анализатор применяет к результатам измерения для компенсации известных погрешностей. Эти погрешности выявляются во время калибровки и настройки.

Увы, эта терминология не универсальна. Например, если подать команду «*Cal?», то анализатор сообщит вам, что он недавно (и соответствующим образом) настроен, но ничего не скажет о периодической калибровке. И всё же эти термины могут пригодиться для выполнения достоверных измерений и исключения неудобств.
Для начала можно воспользоваться стандартным автоматическим режимом. Разработчики прибора сами решают, какая цепь нуждается в настройке, как часто и в каком температурном диапазоне. К сожалению, это может прерывать работу и создавать проблемы, мешая наблюдению сигналов или явлений, которые вы пытаетесь понять. Это особенно неприятно, если вы подготовились к измерениям и обнаружили, что анализатор перешёл в режим философских размышлений.
Отключение автоматической настройки гарантирует, что прибор всегда будет готов к измерениям и будет уведомлять вас о необходимости настройки. Теперь вы сами решаете, когда выполнять настройки, хотя это может создать риск нарушения регулировки в момент выполнения критически важных измерений.
Вы можете сами определить график настройки и сказать прибору, чтобы он напоминал о нем ежедневно или еженедельно. Если прибор работает в условиях стабильной температуры, то такой подход сравнительно безопасен. Тем не менее, учитывая ваши интересы, анализатор выведет следующее сообщение:

Отключение автоматической настройки создаёт небольшой риск ухудшения характеристик и генерирует это всплывающее сообщение.

В стандартном режиме настройка выполняется по истечении некоторого времени и при изменении температуры, причём мой опыт показывает, что изменению температуры предаётся большее значение. Однажды я взял анализатор, который пролежал всю ночь в машине на холоде, и после включения обнаружил, что в первые полчаса температура нарастала так быстро, то настройка выполнялась почти непрерывно.
Если вы хотите оптимизировать настройку в соответствии со своими условиями, просто воспользуйтесь встроенной справочной системой анализатора сигналов серии X. Можно даже войти в интернет, загрузить файл справки для анализатора спектра и открыть его в компьютере.

Использование внешнего смесителя с анализатором сигналов

Бен Зарлинго (Ben Zarlingo)

Где должен стоять первый смеситель при выполнении высокочастотных измерений?

Когда я работал с более низкими частотами, я знал о возможности использования внешнего смесителя, но всегда считал это несколько экзотичным и неоправданно сложным методом. На самом же деле это простой подход, дающий существенные преимущества, и современное оборудование улучшило и упростило его применение.

Также я понял, что уже давно использую внешний смеситель, но дома – в приёмной головке моей спутниковой тарелки. Спутниковые приёмники используют внешние смесители по тем же причинам, что и инженеры в лаборатории.

Для спутниковых приёмников и анализаторов сигнала очень важно, где расположен первый смеситель. При анализе сигналов СВЧ и КВЧ диапазона первым обрабатывающим сигнал элементом (кроме предусилителя или аттенюатора) обычно является смеситель, который понижает частоту сигнала до значительно меньшего значения.

Никаких особых требований к тому, чтобы смеситель располагался внутри самого анализатора, не существует. В некоторых случаях вынесение смесителя за пределы анализатора и расположение его в непосредственной близости от точки снятия исследуемого сигнала (как показано на приведённом ниже рисунке) даёт определённые преимущества.

Схема подключения внешнего смесителя к анализатору сигналов серии PXA.

На внешний смеситель подаётся сигнал гетеродина от анализатора, и гармоники этого сигнала используются смесителем для понижения частоты, поступающей на его входной волновод. Результирующий сигнал передаётся в анализатор, как сигнал промежуточной частоты, который обрабатывается обычным ПЧ каскадом анализатора.

Внешний смеситель обладает целым рядом преимуществ:

• Гибкая и с малыми потерями подача сигнала от источника на анализатор. Основной преобразующий частоту элемент можно расположить в непосредственной близости от источника сигнала, имеющего, как правило, волноводный разъём. Анализатор можно установить в любом удобном месте, не беспокоясь о потерях сигнала, возникающих при передаче высоких частот на большие расстояния.
• Частотный диапазон. Внешние смесители пассивного и активного типа выпускаются для частот от 10 ГГц до терагерцового диапазона.
• Цена. Анализ сигнала может выполняться лишь в ограниченной области СВЧ или КВЧ диапазона, и диапазонные внешние смесители могут расширить диапазон анализатора ВЧ сигналов на эти частоты.
• Характеристики. Повышение чувствительности измерения и снижение фазового шума за счёт меньших потерь на соединение и за счёт применения высокочастотных и высокостабильных выходов гетеродина анализатора сигналов.

Некоторые недавние усовершенствования упростили работу с внешними смесителями и улучшили их характеристики. В таких интеллектуальных смесителях имеется интерфейс USB для соединения с анализатором сигналов, что обеспечивает автоматическую настройку и калибровку мощности. Кроме USB нужно подключить только комбинированный разъём выхода гетеродина/входа ПЧ, как показано ниже.

Схема подключения внешнего интеллектуального смесителя.

Волноводные гармонические смесители Keysight M1970 имеют функции автоматической настройки и калибровки, а для их подключения к анализаторам сигналов Keysight Technologies используются только разъёмы USB и SMA.

Новые смесители просты в обращении и поддерживают автоматическую загрузку коэффициентов потерь преобразования для коррекции амплитуды. Тем не менее они уступают по удобству и частотному диапазону одноприборным решениям со встроенным смесителем, непосредственно охватывающим СВЧ и КВЧ диапазоны. И поскольку внешние смесители не имеют фильтра предварительной селекции, приходится использовать различные функции идентификации сигнала для выделения и подавления сигналов, генерируемых модой (гармоникой гетеродина или модой смесителя), отличной от той, на которую откалиброван дисплей (подробней я расскажу об этом в следующей статье).
В настоящее время опция внешнего смесителя поддерживается в анализаторах сигналов Keysight UXA, PXA, MXA и EXA.