Основные специфицируемые параметры радиочастотных систем

В статье описаны основные специфицируемые параметры, характеризующие радиочастотные генераторы, анализаторы сигнала и прочие средства тестирования электронных устройств. Для измерения параметров радиосигнала приходится использовать большое количество специализированных приборов: анализаторы спектра, измерительные приемники, генераторы сигналов, анализаторы модуляции и т.д. Рассмотрим их основные характеристики и параметры, чтобы избежать ошибок при выборе того или иного прибора.

ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН
Частотный диапазон является наиболее важной характеристикой радиочастотного устройства, независимо от его назначения. Например, модуль для тестирования Wi-Fi-сети должен работать в диапазоне до 2,5 ГГц. Максимальная частота рабочего диапазона задается такими компонентами как смесители, входные фильтры, гетеродин. Настройка прибора на определенную частоту производится с помощью гетеродина.

Сигнал гетеродина смешивается с входным радиочастотным сигналом, в результате чего частота информационного сигнала понижается до промежуточной (ПЧ). Синтез частоты выполняется либо генератором, управляемым напряжением (ГУН), либо резонатором на железоиттриевом гранате (ЖИГ). Исторически в качестве источника сигнала гетеродина используется ЖИГ-резонатор. По сути, это генератор, управляемый током. Он имеет малый фазовый шум и широкий частотный диапазон — до 20 ГГц и больше. Недостатками ЖИГ-резонаторов являются высокое потребление и высокая стоимость.

Переключение ЖИГ с одной частоты на другую занимает больше времени, чем в генераторах другого типа. Именно поэтому гетеродины на основе ГУН получили более широкое распространение. Частотный диапазон ГУНа уже, чем у резонатора на основе ЖИГ, однако время настройки гораздо меньше.

ПОЛОСА ЧАСТОТ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
Мгновенная ширина полосы частот, или полоса частот в реальном масштабе времени, — это наиболее широкий диапазон частот сигнала, который анализатор может выдать на отображающее или запоминающее устройство без нарушения непрерывности анализа входной информации.

Для многоканальных анализаторов при оценке полосы частот в реальном времени должна использоваться конфигурация канала с наибольшим значением данного параметра. Например, векторный генератор может генерировать сигналы с центральной частотой 2,45 ГГц, но мгновенная полоса пропускания может составлять при этом лишь 20 МГц. Это означает, что максимальная полоса, которую может пройти прибор без перенастройки гетеродина, равна 20 МГц.

Для практических целей удобно воспользоваться другим определением: это полоса частот, в которой уровень мощности выходного сигнала изменяется в пределах 3 дБ без подстройки основных рабочих параметров.

Мгновенная полоса в большей степени определяется входным каскадом системы. Мгновенная ширина полосы определяется двумя компонентами: параметрами фильтров, а также частотой дискретизации и полосой пропускания АЦП.

Значение мгновенной ширины полосы частот зависит от назначения устройства. Так, для генератора узкополосного FM-сигнала требуется мгновенная полоса 200 кГц, а для генерирования или анализа широкополосных сигналов, например, Wi-Fi, мгновенная полоса не должна быть уже 20 МГц. Некоторые задачи, например, тестирование масок, выполняются быстрее, если мгновенная ширина полосы значительно превосходит полосу интересующего сигнала.

Если прибор обеспечивает недостаточную мгновенную ширину полосы, его следует перевести в режим порционного получения информации о частоте.

ВРЕМЯ УСТАНОВЛЕНИЯ
Время установления — это скорость перестройки центральной частоты гетеродина на новое значение с заданной точностью. Чаще всего скорость перестройки есть функция величины, на которую отличается новое значение частоты. Чем сильнее необходимо изменить частоту, тем дольше это происходит.

Время установления является важным параметром в таких приложениях как испытания приемопередатчиков 802.11 g. Стандартом предусмотрено 14 каналов в диапазоне 2,4.2,48 ГГц, и работа оборудования должна быть проверена во всех каналах. Чем быстрее тестовый сигнал переходит с одной станции на другую, тем быстрее происходит тестирование приемника.

ФАЗОВЫЙ ШУМ
Фазовый шум характеризует краткосрочную частотную стабильность генератора. Фазовый шум проявляется в виде ненулевых составляющих сигнала на соседних с несущей частотах.

Для определения фазового шума измеряется амплитуда сигнала на нескольких частотах вблизи несущей. На графике справа фазовый шум на частоте, отстоящей на 1 кГц от несущей, составляет -95 дБс, а на частоте, отстоящей на 10 кГц, он составляет -146 дБс.

Фазовым шумом нельзя пренебрегать при детектировании слабых блокирующих сигналов, которые близки к несущей. Фазовый шум приводит к увеличению вектора ошибки прибора. При измерении вероятности ошибки (BER) из-за фазового шума будет получено завышенное значение. Если гетеродин вносит сильный шум, то фазовый шум усиливается и проникает в результирующий сигнал.

Оценить фазовый шум можно с помощью диаграммы состояний сигнала. При наличии сильного шума она периодически смещается.

КОЭФФИЦИЕНТ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) характеризует отражения сигнала, вызванные рассогласованием импеданса на линии передачи. Чем шире полоса частот прибора, тем большее значение имеет данный параметр.

В идеальном случае выходной импеданс прибора согласован с импедансом кабеля и входным импедансом тестируемого устройства. Однако в силу тех или иных причин (асимметрия пути прохождения сигнала, погрешность компонентов, допуски импедансов и т.д.), возникают отражения, которые приводят к уменьшению амплитуды и уходу фазы полезного сигнала. Амплитуда отраженного сигнала зависит от свойств среды передачи и частотного диапазона.

При полном согласовании импе-дансов КСВН равен 1. Вследствие отражений амплитуда полезного сигнала может как уменьшиться, так и увеличиться — все зависит от фазы отраженного сигнала. Если отраженный сигнал находится в про-тивофазе со входным, то входной сигнал гасится. Для уменьшения КСВН применяется встроенный или внешний аттенюатор. В качестве примера внутренней атте-нюации можно привести повышение опорных уровней.

ДОПУСТИМОЕ ОТКЛОНЕНИЕ ЧАСТОТЫ
Допустимое отклонение частоты характеризует точность установления частоты на заданном уровне. Определяющим фактором для данного параметра является погрешность гетеродина и промежуточного каскада. В некоторых случаях частотное разрешение имеет большее значение, чем абсолютная погрешность установления частоты, поскольку последнюю можно скорректировать методами цифровой обработки сигнала.

Разрешение определяет точность установки задания на формирование выходной частоты, а не собственно точность выходной частоты. Это именно шаг приращения частоты при ее изменении. В значительной мере разрешение по частоте определяется разрешением гетеродина.

ТОЧНОСТЬ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА
Эта величина характеризует погрешность амплитуды генератора в широком диапазоне частот. Точность выходного сигнала, или точность задания уровня, обычно выражается в дБ и характеризует отклонение полученного сигнала от желаемого. Она зависит от нескольких компонентов: ЦАП, смесителя, усилителя, гетеродина. Поскольку погрешность этих компонентов предсказуема, можно повысить точность выходного сигнала с помощью калибровки. Точность выходного сигнала особенно важна в широкополосных системах.

ДИАПАЗОН ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ
Диапазон выходной мощности — это разброс мощностей, которые может вырабатывать генератор. Выходная мощность выражается в дБм и не учитывает потерь в линии передачи, т.е. измеряется на выходе генератора до того, как сигнал попадает в линию передачи.

Нижняя граница диапазона определяется порогом шума прибора и помехами, воздействующими на малый сигнал. Например, если шумовой порог равен -140 дБм/Гц, то эффективный динамический диапазон не может превышать 80 дБ при сигнале -60 дБм и больше. Верхняя граница определяется линейностью усилителя. Поскольку искажения, вносимые усилителем, увеличиваются по мере того, как усилитель приближается к насыщению, максимальную мощность выходного сигнала необходимо рассчитывать с учетом искажений.

В зависимости от поставленной задачи диапазон мощности выходного сигнала может быть разным. Например, для тестирования маломощных приемопередатчиков серии 433 (мощность передаваемого сигнала равна 10 мВт) достаточно -20 дБм. Для идентификационных меток с мощностью передачи 1 Вт потребуется 30 дБм. Поскольку большинство векторных генераторов не обеспечивает такой диапазон, прибегают к дополнительному усилению.

ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫЕ ИСКАЖЕНИЯ
Интермодуляционные искажения характеризуют линейность прибора. Как правило, измеряются гармоники третьего порядка, поскольку они располагаются близко к несущей. В основном искажения вносят смесители и усилители. Наиболее простым способом измерения искажений третьего порядка является двутональное тестирование. На вход подаются два сигнала равной амплитуды с близкими частотами. На выходе устройства производят измерение составляющих второго (f2 ± f1), третьего (2f1 — f2 и 2f2 — f1) и пятого порядков.

ШИРИНА ПОЛОСЫ МОДУЛЯЦИИ
Ширина полосы модуляции определяется максимальной частотой выборки и задается протоколом передачи. Для Wi-Fi (IEEE 802.11g) она не превышает 20 МГц, для W-CDMA — 5 МГц. Полоса модуляции должна быть значительно шире полосы генерируемого сигнала.

Полосу модуляции можно увеличить с помощью цифровых методов обработки сигналов. Кроме того, векторные генераторы сигналов имеют входы для подключения внешних сигналов I и Q.

ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН
Динамический диапазон характеризует максимальную и минимальную амплитуду сигнала, которые можно измерить одновременно. Максимальный уровень определяется только коэффициентом ослабления сигнала. На минимальную амплитуду сигнала влияет множество факторов: шум усилителя, разрешение АЦП, нелинейность компонентов, гармонические искажения сигнала, утечка сигнала.

Аналитически динамический диапазон вычисляется как отношение максимального сигнала, который можно измерить, к наибольшей мощности шума, наводки или гармонической составляющей. Данный параметр особенно важен при измерении слабых сигналов. Он показывает минимальный сигнал, который может уловить прибор в присутствии мощного сигнала. Чем больше динамический диапазон, тем лучше.

TRIAL NEWS