Optimieren grundlegender Leistungsmessungen mit NI-Vektorsignalanalysatoren

Beginnen wir mit der Zeitbereichs-Leistungshüllkurve eines Standard-GSM-Bursts. GSM-Bursts verwenden ein GMSK-Modulationsschema, das sich gut für eine grundlegende Diskussion der Leistungsanalyse eignet, da ihre Leistungsprofile innerhalb der aktiven Periode des Bursts konstant sind.

Abbildung 1: Leistung vs. Zeit eines GSM-Signals

In Abbildung 1 ist der PvT-Plot keine vollständige Darstellung des GSM-Signals selbst, sondern eine Darstellung der Hüllkurvenleistung, die über einen Bandpassfilter über einen Zeitraum gemessen wurde. Für den GSM-Burst in Abbildung 1 beträgt die Leistung im aktiven Teil des Bursts -10 dBm.

Vergleichen Sie nun Abbildung 1 mit dem entsprechenden Spektrum, das demselben Signal in Abbildung 2 zugeordnet ist. Während die Leistung konstant ist, ähnlich wie bei einer kontinuierlichen Kurve (CW), belegt das Signal eine Bandbreite ungleich 0 in der Frequenz. Die Bandbreite des Signals wird üblicherweise als Prozentsatz der erfassten Gesamtleistung angegeben, da die Bandbreite des GSM-Signals technisch unendlich ist.

Abbildung 2: Spektrum eines GSM-Signals (10k RBW, Ref. Pegel -10dBm)

Wir werden später im Artikel auf Bandbreite zurückkommen. Kehren wir zum Verständnis der Leistungsanalyse im Zeit- und Frequenzbereich zurück. In Abbildung 1 sehen wir einige Einzelheiten zur Leistung des Signals. Auf hoher Ebene ist das Spektrum eine Frequenzbereichsdarstellung des vom Analysator über einen Zeitraum erfassten Signals. Sie zeigt, wie die Leistung für ein gegebenes Signal über einen Frequenzbereich verteilt wird. In Bezug auf Abbildung 1 sollte die Integration der Leistung über die Kanalbandbreite im Frequenzbereich zu dem gleichen -10 dBm-Leistungspegel führen, der beobachtet wurde, entgegen dem gängigen Fehler, den Spitzenwert des Spektralverlaufs (-20 dBm) als maximale Leistung des Signals zu deklarieren.

Um dies besser zu verstehen, betrachten Sie das einfache diskrete Spektrum in Abbildung 3. Jeder Punkt zeigt die Leistung über 1-MHz-Frequenzbänder an. Ein Spektrum ist einfach eine Reihe kleinerer Bandbreiten-Leistungsmessungen bei bestimmten Frequenzen, die zusammengefügt werden.

Abbildung 3. Einfaches Beispielspektrum mit diskreter Leistung in Frequenzklassen

Um die Gesamtleistung in diesem Frequenzbereich zu bestimmen, müssen wir die Leistung in jeder Bandbreite über den Bereich integrieren. Dazu können wir nicht einfach die Dezibelwerte addieren – wir müssen zuerst in lineare Einheiten, dann in Summe und dann wieder in Dezibel umwandeln. Die dBm-Umwandlungsgleichung lautet:

P(dBm) = 10*log(P(mw)/1mW)

Die Summe der Leistung in Watt aus der obigen Tabelle ergibt etwa 20 mW. Konvertieren Sie diese nun in dBm, wie unten dargestellt, mit Hilfe der obigen Gleichung. Die Leistung bei 893M und 896M ist -30dB von der Primärleistung bei 894M und 895M und trägt vernachlässigbar viel Leistung zum Gesamtsignal bei.

Grundeinstellungen für einfache Leistungsmessungen

In den folgenden Abschnitten wird dasselbe GSM-Signalverlaufsbeispiel verwendet, um Bezugspegel und Auflösungsbandbreite für RF-Leistungsmessungen mit einem VSA- oder Spektrumanalysator zu diskutieren.

Im NI-RFSA Treiber wird das VI Referenzpegel konfigurieren verwendet, um den Referenzpegel des VSA festzulegen. Dies muss vor dem Aufruf des VIs "niRFSA Initiate" festgelegt werden.

Abbildung 4: Screenshot des VIs "niRFSA Configure Reference Level.vi" aus der Dokumentation der NI-RFSA Help

Die Bezugspegeleinstellung teilt dem Analysator die erwartete Effektivleistung aller Signale mit, die in das Analysatorsignal eintreten. Dies ist aus mehreren Gründen eine wichtige Messeinstellung. Zunächst werden Verstärkungs- und Dämpfungsstufen im Signalweg angepasst, um die Komprimierung in den Verstärkungsstufen zu reduzieren und Schäden am Gerät zu vermeiden. Zweitens versucht der Treiber, seine Verstärkungs- und Dämpfungseinstellungen zu optimieren, um Rauschen in der Messung zu minimieren. Daher ist es wichtig, die Art des Eingangssignals zu verstehen und einen geeigneten Bezugspegel für das Gerät auszuwählen.

Der PvT-Graph in Abbildung 1 zeigt, dass die maximale Effektivleistung etwa -10 dBm betrug. In Abbildung 5 wird deutlich, dass der Bezugspegel auf oder über -10 dBm eingestellt werden sollte, um sicherzustellen, dass das Analysegerät innerhalb seines linearen Bereichs gut funktioniert.

Abbildung 5: Potenz vs. Zeitpunkt eines GSM-Signals mit dem Bezugspegel

Sehen Sie sich zum Vergleich den Bezugspegel an, da er sich auf das entsprechende Spektrum in Abbildung 6 bezieht. Beachten Sie, dass der Bezugspegel etwa 10 dB höher ist als der Spitzenwert entlang des Spektrumverlaufs. Dies liegt daran, dass das Spektrum Daten in der Frequenz getrennt von der tatsächlichen integrierten Leistung des gesamten Signals anzeigt, wie im vorherigen Abschnitt erläutert.

Abbildung 6: GSM-Spektrum mit Bezugspegel (10 kHz RBW, Ref. Pegel -10 dBm)

Bezugspegel zu hoch

Betrachten Sie die Auswirkungen im Zeitbereich. In Abbildung 7 sehen Sie ein GSM-Signal, das mit einem angemessenen Bezugspegel erfasst wurde. Beachten Sie, dass die Messung mit einem höheren Bezugspegel verrauschter ist. Das liegt daran, dass die RF-Dämpfung zu hoch ist und das Signal näher an den Rauschboden des Analysegeräts drängt und das Signal-Rausch-Verhältnis der Messung verringert.

Abbildung 7: Links: GSM mit entsprechendem Bezugspegel. Rechts: GSM mit zu hohem Bezugspegel.

Betrachten Sie nun den Frequenzbereich gemäß Abbildung 8. Die Erhöhung des Rauschuntergrunds ist noch deutlicher, wodurch es schwieriger wird, die vollständige Form des GSM-Kanals zu erkennen. Wenn der Signalpegel niedriger wäre, würde er durch den Rauschboden aufgrund übermäßiger RF-Dämpfung überwunden.

Abbildung 8: Links: GSM-Signal mit entsprechendem Bezugspegel. Rechts: GSM mit zu hohem Bezugspegel.

Bezugspegel zu niedrig

Sehen Sie sich Abbildung 9 an, in der Abbildung 1 neben demselben gemessenen Signal mit einem zu niedrigen Bezugspegel verglichen wird. Ein zu niedriger Bezugspegel verursacht eine Komprimierung, die im Zeitbereich sichtbar ist. Da bei gleichem Leistungssignal eine geringere RF-Dämpfung vorliegt, werden die Verstärker komprimiert.

Abbildung 9: Links: GSM-Signal Leistung vs. Zeit mit einem Bezugspegel von -10 dBm. Rechts: GSM-Signal Leistung vs. Zeit mit -40 dBm Bezugspegel.

Ein zu niedriger Bezugspegel kann zu Schäden am Gerät führen. Aus diesem Grund warnt der Treiber den Benutzer, wenn er eine zu hohe Leistung über dem erwarteten Bezugspegel erkennt, oder gibt einen Fehler aus, wenn dieser zu niedrig ist.

Nehmen Sie nun Abbildung 8 mit dem Frequenzbereich. Das Spektrum ist nun aufgrund der Komprimierung in den PvT-Plots aus Abbildung 7 verzerrt. Durch die Verzerrung wird zusätzlicher Frequenzinhalt erzeugt, der den Rauschpegel erhöht.

Abbildung 10: Links: GSM-Spektrum mit entsprechendem Bezugspegel. Rechts: GSM-Spektrum mit zu niedrigem Bezugspegel.

Nachteile

Oben haben wir besprochen, wie sich eine Anpassung des Bezugspegels auf eine Leistungsmessung auswirken kann. Es gibt noch andere Kompromisse zu beachten. Nehmen Sie beispielsweise ein Signal, dessen Leistung sehr nahe am Rauschboden liegt. Durch Mittelwertbildung mehrerer Erfassungen kann der angezeigte Rauschboden leicht abgesenkt werden, um das Signal aufzulösen. Dadurch kann das Signal zwar gemessen werden, aber es erhöht sich auch die Gesamtmesszeit aufgrund der zusätzlichen Erfassungen, die für die Mittelwertbildung erforderlich sind.

Im NI-RFSA Treiber wird die Auflösungsbandbreite mit dem VI niRFSA Configure Resolution Bandwidth festgelegt. Es muss vor dem Aufruf des VIs "niRFSA Initiate.vi" gesetzt werden.

Abbildung 11: Screenshot des VIs "niRFSA Configure Resolution Bandwidth" aus der Dokumentation der NI-RFSA Help

Es lohnt sich, die Auflösungsbandbreite kurz zu besprechen, da sie sich auf herkömmliche optimierte Spektrumanalysatoren bezieht. Bei wobbeloptimierten Analysatoren ist der RBW-Filter in Hardware implementiert, der ein Leistungssensor direkt nachgeschaltet ist. Je nach RBW und konfiguriertem Frequenzbereich wird das Signal in der Frequenz durch den Filter gestuft, um die durchschnittliche Leistung im Frequenzfenster zu erfassen. Die mittlere Leistung in jedem Schritt wird dann im Spektrum dargestellt. Aus diesem Grund dauert die Messung bei einer kleineren RBW länger, da das Signal mehrfach bewegt werden muss, um den gesamten konfigurierten Messbereich abzudecken. Außerdem muss das Signal in jedem Schritt lange genug warten, um die Verzögerung zu überwinden, die dem Filter innewohnt, was der Messung ebenfalls Zeit hinzufügt.

NI-Vektorsignalanalysatoren basieren auf FFT im Gegensatz zu den oben diskutierten Sweep-optimierten Analysatoren. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der RBW-Filter nicht auf Hardware angewiesen ist, um ein Signal für die frequenzselektive Leistungsanalyse durch einen Bandpass-RBW-Filter zu bewegen, sondern durch die schnelle Fourier-Transformation in Software implementiert wird. Ein wesentlicher Vorteil davon ist, dass die Analyse kleiner Frequenzbereiche schneller ist. Darüber hinaus können FFT-basierte Analysatoren auch Phasen messen, wodurch sie eine Demodulation durchführen können.

Am häufigsten wird RBW als eine Möglichkeit betrachtet, die Auflösung des Spektrums zu steuern. Dies ist jedoch nur die Hälfte der Geschichte. Beachten Sie die Auswirkungen im Zeitbereich, z. B. bei einer PvT-Messung. Erinnern Sie sich an Abbildung 1 und wie das PvT die durchschnittliche Leistung des Signals misst, die zu einem bestimmten Zeitpunkt mit einem Auflösungsbandbreitenfilter gemessen wurde. Mal sehen, was passiert, wenn wir die RBW auf die Spitze treiben und die Auswirkungen im Zeit- und Frequenzbereich besprechen.

Auflösungsbandbreite zu hoch

Eine höhere RBW bedeutet eine Erfassung mit einer größeren Anzahl von Punkten. Aus diesem Grund kann eine zu große RBW zu Systemerfassungsspeicherfehlern führen. Bei einer größeren Anzahl von Punkten erhöht sich dadurch die Signalverarbeitungszeit. Außerdem erhöht sich die Leistung des Rauschbodens, da der Filter breiter ist und mehr Rauschen durchlässt.

Abbildung 12: Links: GSM-Leistung vs. Zeit mit 1 MHz RBW. Rechts: GSM-Leistung vs. Zeit mit 80 MHz RBW.

Im Spektrum gibt es wenig bis keine Auflösung oder Definition für die Form des Signals. In diesem Fall ist es schwierig, die Kanalbandbreite vom Grundrauschen zu unterscheiden.

Abbildung 13: Links: GSM-Spektrum mit 10 kHz RBW erfasst. Rechts: GSM-Spektrum mit 1 MHz RBW erfasst.

Auflösungsbandbreite zu niedrig

Eine geringere RBW bedeutet eine längere Erfassungszeit mit weniger Punkten pro Schritt. Eine zu kleine RBW lässt daher möglicherweise wichtige Signaleigenschaften nicht durch, wodurch diese verpasst werden. Dies gilt insbesondere für Burst-Signale, die nur für eine kurze Zeit aktiv sind, wobei der interessierende Frequenzinhalt liegt.

Abbildung 14: Links: GSM-Leistung vs. Zeiterfassung mit 1 MHz RBW. Rechts: GSM-Leistung vs. Zeiterfassung mit 100 kHz RBW.

Beachten Sie, dass die Auflösung größer ist, wenn Sie sich das entsprechende Spektrum ansehen (siehe Abbildung 15). In diesem Fall ist die Bandbreite des GSM-Signals stärker ausgeprägt und leicht einsehbar. Die Leistung ist jedoch ungenau, da der RBW-Filter nicht breit genug ist, um die gesamte Bandbreite des Signals zu erfassen.

Abbildung 15. Links: GSM-Spektrum mit 10 kHz RBW erfasst. Rechts: GSM-Spektrum mit 100 Hz RBW erfasst.

Nachteile

Bei der Wahl der richtigen RBW kommt es auf die Messung und die Art des gemessenen Signals an. Bei Burst-Signalen muss die RBW hoch genug sein, um die gesamte Bandbreite des Signals zu erfassen, aber nicht so hoch, dass der Rauschboden zu groß wird.

RBW beeinflusst auch die Messzeit. Eine kleinere RBW erhöht die Messdauer aufgrund der erhöhten Anzahl von RBW-Punkten, die zur Vervollständigung des Spektrums benötigt werden.

In diesem Dokument erhalten Sie eine Einführung in die Auswahl eines geeigneten Bezugspegels und RBW und die Folgen der Wahl eines zu hohen oder zu niedrigen Werts für die Messung. Die Auswirkungen davon wurden anhand eines Beispiel-GSM-Signals veranschaulicht. Bezugspegel und RBW sind Grundeinstellungen, die einen spürbaren Einfluss auf eine Leistungsmessung haben können. Daher ist es wichtig, beim Konfigurieren und Analysieren von RF-Leistungsmessungen eine gewisse Intuition anzuwenden.

Während sich dieser Artikel auf NI-Vektorsignalanalysatoren konzentrierte, können die Konzepte auch auf andere VSAs angewendet werden. Dieser Artikel soll Ingenieure ermutigen, andere Konfigurationen zu untersuchen und wie sie Einfluss auf ihre RF-Messungen haben können.

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