Optimización de medidas de potencia básicas en analizadores vectoriales de señales NI

Comencemos por ver la envolvente de potencia en el dominio del tiempo de una ráfaga GSM estándar. Las ráfagas GSM emplean un esquema de modulación GMSK, que se prestan bien a una discusión básica del análisis de potencia ya que sus perfiles de potencia son constantes dentro del período activo de la ráfaga.

Figura 1. Potencia frente al tiempo de una señal GSM

En la Figura 1, observe que el gráfico de PvT no es una representación completa de la señal GSM en sí, sino una representación de la potencia envolvente medida a través de un filtro paso banda a través de un período de tiempo. Para la ráfaga GSM en la Figura 1, la potencia en la parte activa de la ráfaga es de -10 dBm.

Ahora compare la Figura 1 con el espectro correspondiente asociado con la misma señal en la Figura 2. Mientras que la potencia es constante, al igual que una onda continua (CW), la señal ocupa cierto ancho de banda distinto de cero en frecuencia. El ancho de banda de la señal suele declararse como porcentaje de la potencia total adquirida, ya que el ancho de banda de la señal GSM es técnicamente infinito.

Figura 2. Espectro de una señal GSM (10k RBW, Ref. Nivel -10dBm)

Volveremos al ancho de banda más adelante en el artículo. Volvamos a entender el análisis de la potencia tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia. Podemos ver algunos detalles de la potencia de la señal observando la Figura 1. En un nivel alto, el espectro es una representación en el dominio de la frecuencia de la señal adquirida por el analizador durante un período de tiempo. Muestra cómo se distribuye la potencia en un intervalo de frecuencia para una señal dada. En lo que respecta a la figura 1, la integración de la potencia sobre el ancho de banda del canal en el dominio de la frecuencia debe dar lugar al mismo nivel de potencia de -10 dBm observado, contrariamente al error común de declarar el pico de la traza espectral (-20 dBm) como la potencia máxima de la señal.

Para entender esto mejor, considere el espectro discreto simple en la Figura 3. Cada punto muestra la potencia en bandas de frecuencia de 1MHz. Un espectro es simplemente una serie de mediciones de potencia de ancho de banda más pequeño a frecuencias específicas unidas.

Figura 3. Espectro de ejemplo simple que muestra la potencia discretizada en intervalos de frecuencia

Para determinar la potencia total en este rango de frecuencia, necesitamos integrar la potencia en cada ancho de banda en el lapso. Para hacer esto, no podemos simplemente sumar los valores de los decibelios: primero debemos convertir a unidades lineales, luego sumar y luego volver a convertir a decibelios. La ecuación de conversión de dBm está a continuación como referencia:

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

La suma de la potencia en vatios de la tabla anterior da aproximadamente 20 mW. Ahora convierte eso a dBm como se muestra a continuación usando la ecuación anterior. La potencia a 893M y 896M es de -30dB de la potencia primaria a 894M y 895M, y contribuyen con una cantidad insignificante de potencia a la señal general.

Ajustes fundamentales para las mediciones básicas de potencia

Las siguientes secciones usarán el mismo ejemplo de forma de onda GSM para discutir el nivel de referencia y el ancho de banda de resolución para mediciones de potencia de RF usando un VSA o un analizador de espectro.

En el controlador NI-RFSA, el Configurar nivel de referencia VI se utiliza para establecer el nivel de referencia del VSA. Esto debe establecerse antes de llamar al Iniciado VI de niRFSA.

Figura 4. Captura de pantalla de niRFSA Configurar el Nivel de Referencia VI de la documentación de Ayuda NI-RFSA

La configuración del nivel de referencia indica al analizador la potencia RMS esperada de todas las señales que entran en el analizador. Este es un ajuste de medición importante por un par de razones. En primer lugar, ajusta las etapas de ganancia y atenuación en la trayectoria de la señal para reducir la compresión en las etapas de amplificación y evitar daños al dispositivo. En segundo lugar, el conductor intenta optimizar sus ajustes de ganancia y atenuación para minimizar el ruido en la medición. Por lo tanto, es importante entender la naturaleza de la señal de entrada y elegir un nivel de referencia apropiado para el instrumento.

Recordemos en el gráfico PvT de la Figura 1 que la potencia máxima RMS era de alrededor de -10 dBm. Observando la Figura 5, queda claro que el nivel de referencia debe establecerse en o por encima de -10 dBm para garantizar que el analizador funcione bien dentro de su rango lineal.

Figura 5. Poder vs. Tiempo de una señal GSM con el nivel de referencia

Para comparar, observe el nivel de referencia en relación con el espectro correspondiente que se muestra en la Figura 6. Tenga en cuenta que el nivel de referencia es aproximadamente 10 dB más alto que el punto máximo a lo largo de la traza del espectro. Esto se debe al hecho de que el espectro muestra datos separados en frecuencia en oposición a la potencia integrada real de toda la señal en sí, como se discutió en la sección anterior.

Figura 6. Espectro GSM con nivel de referencia (10 kHz RBW, Ref. Nivel -10 dBm)

Nivel de referencia demasiado alto

Considere las implicaciones en el dominio del tiempo. Véase la figura 7 siguiente, que muestra una señal GSM adquirida con un nivel de referencia apropiado junto a la misma señal medida con un nivel de referencia más alto. Observe que la medición es más ruidosa con un nivel de referencia más alto. Esto se debe a que la atenuación de RF es demasiado alta y empuja la señal más cerca del piso de ruido del analizador y disminuye la relación señal/ruido de la medición.

Figura 7. Izquierda: GSM con un nivel de referencia adecuado. Derecha: GSM con un nivel de referencia demasiado alto.

Ahora considere el dominio de frecuencia mostrado en la Figura 8. El aumento en el suelo de ruido es aún más evidente, haciendo más difícil ver la forma completa del canal GSM. Si el nivel de señal fuera más bajo, sería superado por el ruido del suelo debido a una excesiva atenuación de RF.

Figura 8. Izquierda: Señal GSM con el nivel de referencia adecuado. Derecha: GSM con nivel de referencia demasiado alto.

Nivel de referencia demasiado bajo

Considere la Figura 9 a continuación, que compara la Figura 1 junto a la misma señal medida con un nivel de referencia demasiado bajo. Un nivel de referencia demasiado bajo causa compresión que se puede ver en el dominio del tiempo. Dado que hay menos atenuación de RF para la misma señal de potencia, los amplificadores se comprimen.

Figura 9. Izquierda: Señal GSM Potencia vs. Tiempo con un nivel de referencia de -10 dBm. Derecha: Señal GSM Potencia vs. Tiempo con nivel de referencia de -40 dBm.

Establecer el nivel de referencia demasiado bajo puede dañar el dispositivo. Por esta razón, el conductor advertirá al usuario si detecta una potencia demasiado alta por encima del nivel de referencia esperado, o lanzará un error si es demasiado baja.

Ahora considere la Figura 8 que muestra el dominio de la frecuencia. El espectro ahora se distorsiona debido a la compresión observada en los gráficos de PvT de la Figura 7. La distorsión crea un contenido de frecuencia adicional que hace que aumente el nivel de ruido.

Figura 10. Izquierda: espectro GSM con un nivel de referencia adecuado. Derecha: Espectro GSM con un nivel de referencia demasiado bajo.

Compensaciones

Más arriba, discutimos cómo ajustar el nivel de referencia demasiado alto o demasiado bajo puede afectar una medición de potencia. Hay algunas otras compensaciones a considerar. Por ejemplo, considere una señal cuya potencia está muy cerca del piso de ruido. El promedio de múltiples adquisiciones se puede utilizar para reducir ligeramente el nivel de ruido mostrado para resolver la señal. Si bien esto permite medir la señal, también aumenta el tiempo total de medición debido a las adquisiciones adicionales requeridas para el promedio.

En el controlador NI-RFSA, el ancho de banda de resolución se establece utilizando el niRFSA Configure Resolution Bandwidth VI. Debe establecerse antes de que se llame al Iniciado VI de niRFSA.

Figura 11. Captura de pantalla de niRFSA Configurar el ancho de banda de resolución VI tomado de la documentación de ayuda NI-RFSA

Vale la pena discutir brevemente el ancho de banda de resolución en lo que se refiere a los analizadores de espectro con ajuste de barrido tradicionales. En los analizadores de barrido, el filtro RBW se implementa en hardware con un sensor de potencia que lo sigue directamente. Dependiendo del RBW y el lapso que se configure, la señal se pasa por el filtro en frecuencia para capturar la potencia promedio en la ventana de frecuencia. La potencia media en cada paso se representa en el espectro. Por esta razón, un RBW más pequeño hace que la medición tome más tiempo, ya que la señal debe moverse varias veces para cubrir todo el lapso de medición configurado. Además, la señal debe esperar en cada paso el tiempo suficiente para superar el retardo inherente al filtro, lo que también agrega tiempo a la medición.

Los Analizadores de Señal Vectorial NI están basados en FFT en oposición a los analizadores sintonizados por barrido discutidos anteriormente. La principal diferencia es que en lugar de depender del hardware para mover una señal a través de un filtro RBW de paso de banda para el análisis de potencia selectivo de frecuencia, el filtro RBW se implementa en software a través de la Transformada Rápida de Fourier. Un beneficio clave para esto es que analizar intervalos de frecuencia pequeños es más rápido. Además, los analizadores basados en FFT también tienen la capacidad de medir la fase, lo que les permite realizar la demodulación.

Lo más común es que RBW se considere como una forma de controlar la resolución del espectro. Sin embargo, esto es solo la mitad de la historia. Considere las implicaciones en el dominio del tiempo, digamos para una medición de PvT. Recordemos la Figura 1 y cómo el PvT mide la potencia media de la señal medida a través de un filtro de ancho de banda de resolución (RBW) en un punto dado en el tiempo. Veamos qué sucede cuando llevamos el RBW a los extremos y discutimos las implicaciones tanto en el dominio del tiempo como en el de la frecuencia.

Ancho de banda de resolución demasiado alto

Un RBW más alto implica una adquisición con un mayor número de puntos. Por esta razón, un RBW demasiado grande puede causar errores de memoria de adquisición del sistema. Con un mayor número de puntos, esto aumenta el tiempo de procesamiento de la señal. Además, la potencia del suelo de ruido aumenta, ya que el filtro es más ancho y deja pasar más ruido.

Figura 12. Izquierda: Potencia GSM vs. Tiempo con 1 MHz RBW. Derecha: Potencia GSM vs. Tiempo con 80 MHz RBW.

En el espectro, hay poca o ninguna resolución o definición de la forma de la señal. En este caso, es difícil distinguir el ancho de banda del canal del nivel mínimo de ruido.

Figura 13. Izquierda: Espectro GSM adquirido con 10 kHz RBW. Derecha: Espectro GSM adquirido con 1 MHz RBW.

Ancho de banda de resolución demasiado bajo

Un RBW más bajo implica un tiempo de adquisición más largo con menos puntos por paso. Como tal, un RBW demasiado pequeño puede no permitir que las características clave de la señal pasen a través, lo que hace que se pierdan. Esto es especialmente cierto para señales de ráfaga que solo están activas durante un corto período de tiempo en el que se encuentra el contenido de frecuencia de interés.

Figura 14. Izquierda: Potencia GSM vs. Tiempo adquirido con 1 MHz RBW. Derecha: Potencia GSM vs. Tiempo adquirido con 100 kHz RBW.

Observe cómo hay más resolución al observar el espectro correspondiente que se muestra en la Figura 15. En este caso, el ancho de banda de la señal GSM es más pronunciado y se ve fácilmente, sin embargo, la potencia es inexacta debido a que el filtro RBW no es lo suficientemente ancho como para capturar todo el ancho de banda de la señal.

Figura 15. Izquierda: Espectro GSM adquirido con 10 kHz RBW. Derecha: Espectro GSM adquirido con 100 Hz RBW.

Compensaciones

Cuando se trata de elegir el RBW correcto, depende de la medición y el tipo de señal que se está midiendo. Para señales en ráfaga, el RBW debe ser lo suficientemente alto como para capturar todo el ancho de banda de la señal, pero no tan alto como para que el piso de ruido se vuelva demasiado grande.

RBW también afecta el tiempo de medición. Un RBW más pequeño aumenta el tiempo de medición debido al mayor número de puntos RBW necesarios para completar el espectro.

Este documento proporcionaba una introducción sobre cómo elegir un nivel de referencia y un RBW adecuados y las consecuencias de elegir un valor demasiado alto o demasiado bajo para la medición. Las implicaciones de esto se ilustraron con una señal GSM de ejemplo. El nivel de referencia y el RBW son configuraciones básicas que pueden tener un impacto notable en una medición de potencia, y es importante poder aplicar cierta intuición al configurar y analizar mediciones de potencia de RF.

Si bien este artículo se centró en los analizadores de señales vectoriales NI, los conceptos también pueden aplicarse a otros VSA. Este artículo debe alentar a los ingenieros a investigar otras configuraciones y cómo pueden tener un efecto en sus mediciones de RF.

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