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.