Optimisation des mesures de puissance de base sur les analyseurs de signaux vectoriels NI

Commençons par examiner l’enveloppe de puissance du domaine temporel d’une rafale GSM standard. Les rafales GSM utilisent un schéma de modulation GMSK, qui se prête bien à une discussion de base sur l’analyse de puissance puisque leurs profils de puissance sont constants pendant la période active de la rafale.

Figure 1. Puissance vs. Temps d'un signal GSM

Dans la figure 1, notez que le tracé PvT n’est pas une représentation complète du signal GSM lui-même, mais une représentation de la puissance d’enveloppe telle que mesurée à travers un filtre passe-bande sur une période de temps. Pour la rafale GSM de la figure 1, la puissance dans la partie active de la rafale est de -10 dBm.

Comparez maintenant la figure 1 avec le spectre correspondant associé au même signal de la figure 2. Alors que la puissance est constante, un peu comme une onde continue (CW), le signal occupe une certaine bande passante non nulle en fréquence. La bande passante du signal est généralement déclarée en pourcentage de la puissance totale acquise, car la bande passante du signal GSM est techniquement infinie.

Figure 2. Spectre d'un signal GSM (10k RBW, Réf. Niveau -10dBm)

Nous reviendrons sur la bande passante plus loin dans l’article. Revenons à comprendre l’analyse de la puissance dans les domaines temporel et fréquentiel. Nous pouvons voir certains détails de la puissance du signal en observant la figure 1. À un niveau élevé, le spectre est une représentation du domaine fréquentiel du signal acquis par l'analyseur sur une période de temps. Il montre comment la puissance est distribuée sur une plage de fréquence pour un signal donné. En ce qui concerne la figure 1, l’intégration de la puissance sur la bande passante du canal dans le domaine fréquentiel devrait conduire au même niveau de puissance de -10 dBm observé, contrairement à l’erreur courante de déclarer le pic de la trace spectrale (-20dBm) comme puissance maximale du signal.

Pour mieux comprendre cela, considérez le spectre discret simple de la figure 3. Chaque point montre la puissance sur des bandes de fréquence de 1 MHz. Un spectre est simplement une série de mesures de puissance de bande passante plus petite à des fréquences spécifiques cousues ensemble.

Figure 3. Exemple de spectre simple montrant la puissance discrétisée en intervalles de fréquence

Pour déterminer la puissance totale dans cette gamme de fréquences, nous devons intégrer la puissance dans chaque bande passante sur l’étendue. Pour ce faire, nous ne pouvons pas simplement additionner les valeurs en décibels - nous devons d'abord convertir en unités linéaires, puis faire la somme, puis reconvertir en décibels. L'équation de conversion dBm est ci-dessous pour référence :

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

En additionnant la puissance en Watts du tableau ci-dessus, on obtient environ 20 mW. Convertissez maintenant cela en dBm comme indiqué ci-dessous en utilisant l'équation ci-dessus. Les puissances à 893M et 896M sont à -30dB de la puissance primaire à 894M et 895M, et contribuent une quantité négligeable de puissance au signal global.

Paramètres fondamentaux des mesures de puissance de base

Les sections suivantes utiliseront le même exemple de waveform GSM pour discuter du niveau de référence et de la bande passante de résolution pour les mesures de puissance RF utilisant un VSA ou un analyseur de spectre.

Dans le driver NI-RFSA, le VI Configure Reference Level est utilisé pour définir le niveau de référence du VSA. Ceci doit être défini avant d'appeler le VI niRFSA Initiate.

Figure 4. Capture d'écran du VI niRFSA Configure Reference Level de la documentation d'aide NI-RFSA

Le paramètre de niveau de référence indique à l'analyseur la puissance efficace attendue de tous les signaux entrant dans l'analyseur. C'est un paramètre de mesure important pour plusieurs raisons. Tout d’abord, il ajuste les étages de gain et d’atténuation dans le chemin du signal pour réduire la compression dans les étages d’amplification et éviter d’endommager le périphérique. Ensuite, le driver tente d’optimiser ses paramètres de gain et d’atténuation afin de minimiser le bruit dans la mesure. Il est donc important de comprendre la nature du signal en entrée et de choisir un niveau de référence approprié pour l’instrument.

Rappelez-vous du graphe PvT de la figure 1 que la puissance efficace maximale était d’environ -10 dBm. En observant la figure 5, il est clair que le niveau de référence doit être défini à -10 dBm ou plus pour garantir que l’analyseur fonctionne bien dans sa gamme linéaire.

Figure 5. Puissance vs. Temps d'un signal GSM avec le niveau de référence

À titre de comparaison, observez le niveau de référence par rapport au spectre correspondant illustré à la figure 6. Notez que le niveau de référence est supérieur d'environ 10 dB au point de pic le long de la trace spectrale. Cela est dû au fait que le spectre montre des données séparées en fréquence par opposition à la puissance intégrée réelle du signal lui-même, comme discuté dans la section précédente.

Figure 6. Spectre GSM avec niveau de référence (10 kHz RBW, Réf. Niveau -10 dBm)

Niveau de référence trop élevé

Tenez compte des implications dans le domaine temporel. Voir la figure 7 ci-dessous, montrant un signal GSM acquis avec un niveau de référence approprié à côté du même signal mesuré avec un niveau de référence plus élevé. Remarquez que la mesure est plus bruyante avec un niveau de référence plus élevé. En effet, l’atténuation RF est trop élevée et pousse le signal plus près du bruit de fond de l’analyseur et diminue le rapport signal/bruit de la mesure.

Figure 7. Gauche : GSM avec un niveau de référence approprié. Droite : GSM avec un niveau de référence trop élevé.

Considérons maintenant le domaine fréquentiel illustré à la figure 8. L’augmentation du bruit de fond est encore plus apparente, ce qui rend plus difficile de voir la forme complète de la voie GSM. Si le niveau du signal était inférieur, il serait surmonté par le bruit de fond en raison d'une atténuation RF excessive.

Figure 8. Gauche : Signal GSM avec niveau de référence approprié. Droite : GSM avec niveau de référence trop élevé.

Niveau de référence trop bas

Prenons la figure 9 ci-dessous, qui compare la figure 1 à côté du même signal mesuré avec un niveau de référence trop bas. Un niveau de référence défini trop bas provoque une compression visible dans le domaine temporel. Comme il y a moins d’atténuation RF pour le même signal de puissance, les amplificateurs sont entraînés en compression.

Figure 9. Gauche : Puissance du signal GSM vs. Temps avec un niveau de référence de -10 dBm. Droite : Puissance du signal GSM vs. Temps avec un niveau de référence de -40 dBm.

Définir le niveau de référence trop bas peut endommager le périphérique. Pour cette raison, le driver avertira l'utilisateur s'il détecte une puissance trop élevée au-dessus du niveau de référence attendu ou renverra une erreur si elle est trop basse.

Considérons maintenant la figure 8 montrant le domaine fréquentiel. Le spectre est maintenant déformé en raison de la compression observée dans les tracés PvT de la figure 7. La distorsion crée un contenu de fréquence supplémentaire qui provoque une augmentation du bruit de fond.

Figure 10. Gauche : spectre GSM avec un niveau de référence approprié. Droite : Spectre GSM avec un niveau de référence défini trop bas.

Compromis

Nous avons vu ci-dessus comment l’ajustement du niveau de référence trop élevé ou trop bas peut affecter une mesure de puissance. Il y a d'autres compromis à envisager. Par exemple, considérons un signal dont la puissance est très proche du bruit de fond. Le moyennage de plusieurs acquisitions peut être utilisé pour réduire légèrement le bruit de fond affiché afin de résoudre le signal. Bien que cela permette de mesurer le signal, cela augmente également le temps de mesure total en raison des acquisitions supplémentaires requises pour le moyennage.

Dans le driver NI-RFSA, la bande passante de résolution est définie à l'aide du VI niRFSA Configure Resolution Bandwidth. Elle doit être définie avant l'appel du VI niRFSA Initiate.

Figure 11. Capture d'écran du VI niRFSA Configure Resolution Bandwidth extraite de la documentation d'aide NI-RFSA

Il convient de discuter brièvement de la bande passante de résolution en ce qui concerne les analyseurs de spectre à balayage traditionnels. Dans les analyseurs réglés par balayage, le filtre RBW est implémenté dans le matériel avec un capteur de puissance qui le suit directement. En fonction de la RBW et de la gamme configurées, le signal est passé par le filtre en fréquence pour capturer la puissance moyenne dans la fenêtre de fréquence. La puissance moyenne de chaque étape est ensuite tracée sur le spectre. Pour cette raison, une RBW plus petite rend la mesure plus longue car le signal doit être déplacé plusieurs fois pour couvrir toute la gamme de mesure configurée. De plus, le signal doit attendre dans chaque étape suffisamment longtemps pour surmonter le délai inhérent au filtre, ce qui ajoute également du temps à la mesure.

Les analyseurs de signaux vectoriels NI sont basés sur la FFT par opposition aux analyseurs réglés par balayage discutés ci-dessus. La principale différence est qu’au lieu de dépendre du matériel pour déplacer un signal à travers un filtre RBW passe-bande pour l’analyse de puissance sélective en fréquence, le filtre RBW est implémenté dans le logiciel via la transformée de Fourier rapide. L’un des principaux avantages est que l’analyse de petites gammes de fréquence est plus rapide. De plus, les analyseurs basés sur la FFT ont également la capacité de mesurer la phase, ce qui leur permet d’effectuer une démodulation.

Le plus souvent, la RBW est considérée comme un moyen de contrôler la résolution du spectre. Ce n'est cependant que la moitié de l'histoire. Considérez les implications dans le domaine temporel, disons pour une mesure PvT. Rappelez-vous la Figure 1 et comment le PvT mesure la puissance moyenne du signal telle que mesurée à travers un filtre de bande passante de résolution (RBW) à un moment donné. Voyons ce qui se passe lorsque nous poussons la RBW à l’extrême et discutons des implications dans les domaines temporel et fréquentiel.

Bande passante de résolution trop élevée

Un RBW plus élevé implique une acquisition avec un plus grand nombre de points. Pour cette raison, une RBW trop grande peut provoquer des erreurs de mémoire d'acquisition de système. Avec un plus grand nombre de points, cela augmente le temps de traitement du signal. De plus, la puissance du bruit de fond augmente puisque le filtre est plus large et laisse passer plus de bruit.

Figure 12. Gauche : Puissance GSM vs. Temps avec 1 MHz RBW. Droite : Puissance GSM vs. Temps avec RBW 80 MHz.

Dans le spectre, il y a peu ou pas de résolution ou de définition de la forme du signal. Dans ce cas, il est difficile de distinguer la bande passante de la voie du bruit de fond.

Figure 13. Gauche : Spectre GSM acquis avec RBW 10kHz. Droite : Spectre GSM acquis avec RBW 1 MHz.

Bande passante de résolution trop faible

Une RBW plus faible implique un temps d'acquisition plus long avec moins de points par incrément. Par conséquent, une RBW trop petite risque de ne pas laisser passer les caractéristiques clés du signal, ce qui les fait manquer. Ceci est particulièrement vrai pour les signaux en rafale qui ne sont actifs que pendant une courte période où le contenu fréquentiel d'intérêt est situé.

Figure 14. Gauche : Puissance GSM vs. Temps acquis avec RBW 1 MHz. Droite : Puissance GSM vs. Temps acquis avec RBW 100 kHz.

Remarquez comment il y a plus de résolution lorsque vous regardez le spectre correspondant illustré à la figure 15. Dans ce cas, la bande passante du signal GSM est plus prononcée et plus facile à voir, mais la puissance est imprécise car le filtre RBW n'est pas assez large pour capturer toute la bande passante du signal.

Figure 15. Gauche : Spectre GSM acquis avec RBW 10 kHz. Droite : Spectre GSM acquis avec RBW 100 Hz.

Compromis

Lorsqu’il s’agit de choisir le bon RBW, cela dépend de la mesure et du type de signal mesuré. Pour les signaux en rafale, la RBW doit être suffisamment élevée pour capturer toute la bande passante du signal, mais pas au point que le bruit de fond devienne trop important.

RBW affecte également le temps de mesure. Une RBW plus petite augmente le temps de mesure en raison du nombre accru de points RBW nécessaires pour compléter le spectre.

Ce document a fourni une introduction à la façon de choisir un niveau de référence et une RBW appropriés et aux conséquences du choix d'une valeur trop élevée ou trop basse pour la mesure. Les implications de ceci ont été illustrées avec un exemple de signal GSM. Le niveau de référence et la RBW sont des paramètres de base qui peuvent avoir un impact notable sur une mesure de puissance, et il est important de pouvoir appliquer une certaine intuition lors de la configuration et de l’analyse des mesures de puissance RF.

Bien que cet article soit axé sur les analyseurs de signaux vectoriels NI, les concepts peuvent également s’appliquer à d’autres VSA. Cet article devrait encourager les ingénieurs à étudier d’autres configurations et comment elles peuvent avoir un effet sur leurs mesures RF.

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