NIベクトル信号アナライザで基本的な電力測定を最適化する
概要
内容
時間領域と周波数領域電力
まず、標準GSMバーストの時間領域パワー包絡線を見てみましょう。GSMバーストは、GMSK変調方式を使用します。これは、パワープロファイルがバーストのアクティブ周期内で一定であるため、パワー解析の基本的な説明に適しています。
図1.電力 vs.GSM信号の時間
図1では、PvTプロットがGSM信号そのものを完全に表しているのではなく、バンドパスフィルタで一定時間に測定された包絡線電力を表わしていることに注意してください。図1のGSMバーストでは、バーストのアクティブ部分の電力は-10 dBmです。
次に、図1を図2の同じ信号に関連付けられた対応するスペクトルと比較します。電力は連続波（CW）のように一定ですが、信号は周波数においてゼロ以外の帯域幅を占有します。GSM信号の帯域幅は技術的に無限であるため、信号の帯域幅は通常、集録された合計電力の割合として宣言されます。
図2.GSM信号のスペクトル (10k RBW、基準)レベル -10dBm)
帯域幅については、記事の後半で説明します。時間領域と周波数領域の両方のパワー解析について理解しましょう。図1を観察すると、信号の電力の詳細を見ることができます。高レベルでは、スペクトルはアナライザが一定期間に集録した信号の周波数領域表現です。特定の信号の周波数範囲にわたって電力がどのように分配されるかを示します。図1に関して、周波数領域でチャンネル帯域幅にかかる電力を統合すると、スペクトルトレースのピーク（-20dBm）を信号の最大電力として宣言するというよくある誤りとは逆に、-10 dBmの電力レベルが観測されます。
これをよりよく理解するために、図3の単純な離散スペクトルを考えてみましょう。各ポイントは、1MHz周波数帯域を超える電力を示します。スペクトルとは、特定の周波数における一連のより小さな帯域幅電力測定です。
図3.周波数ビンに離散化されたパワーを示す簡単なスペクトルサンプル
この周波数範囲の合計電力を求めるには、各帯域幅の電力をスパンで積分する必要があります。そのためには、デシベル値を単純に加算することはできません。まず線形単位に変換し、次に和を計算し、デシベルに変換し直す必要があります。dBm変換式を以下に示します。
P(dBm) = 10*log(P(mw)/1mW)
上記の表のワット単位の電力を加算すると、約20 mWになります。ここで、上の式を使用して、下の図のようにdBmに変換します。893Mおよび896Mの電力は、894Mおよび895Mのプライマリ電力から-30dBで、信号全体に対してごくわずかな電力しか供給しません。
基本的な電力測定の基本設定
以下のセクションでは、同じGSM波形サンプルを使用して、VSAまたはスペクトラムアナライザを使用したRF電力測定の基準レベルと分解能帯域幅について説明します。
基準レベル
NI-RFSAドライバでは、「Configure Reference Level」VIを使用してVSAの基準レベルを設定します。これは、「niRFSA開始」VIを呼び出す前に設定する必要があります。
図4.NI-RFSAヘルプドキュメントからの「niRFSA基準レベルを構成」VIのスクリーンショット
基準レベル設定は、アナライザに入力されるすべての信号の予想RMS電力をアナライザに伝えます。これは、いくつかの理由で重要な測定設定です。まず、信号パスのゲインおよび減衰ステージを調整して、増幅ステージでの圧縮を減らし、デバイスの破損を防ぎます。次に、ドライバは測定のノイズを最小限に抑えるためにゲインおよび減衰設定を最適化しようとします。したがって、入力信号の性質を理解し、計測器に適した基準レベルを選択することが重要です。
図1のPvTグラフから、最大RMS電力が約-10 dBmであったことを思い出してください。図5を見れば、アナライザが線形レンジ内で適切に動作するように、基準レベルを-10 dBm以上に設定する必要があります。
図5.電力 vs.基準レベルのGSM信号の時間
比較のために、図6に示す対応するスペクトルに関連する基準レベルに注目してください。基準レベルはスペクトルトレースのピークポイントより約10 dB高いことに注意してください。これは、前のセクションで説明したように、スペクトルは信号全体の実際の積分電力ではなく、周波数で区切られたデータを示すためです。
図6. 基準レベル（10 kHz RBW、Ref.レベル -10 dBm)
基準レベルが高すぎます
時間領域での影響を考慮します。以下の図7は、基準レベルが高い信号の隣に適切な基準レベルで集録されたGSM信号を示しています。基準レベルが高いほど測定がノイズを含むことに注目してください。これは、RF減衰が高すぎるため、信号がアナライザのノイズフロアに近づき、測定のSN比が低下するためです。
図7.左: 適切な基準レベルのGSM。右: 基準レベルが高すぎるGSMです。
図8に示されている周波数領域について考えてみます。ノイズフロアの増加はさらに顕著で、GSMチャンネルの完全な形状を把握することが難しくなります。信号レベルがこれより低い場合、過剰なRF減衰によるノイズフロアによって克服されます。
図8.左: 適切な基準レベルのGSM信号。右: 基準レベルが高すぎるGSMです。
基準レベルが低すぎます
下の図9は、低すぎる基準レベルで測定された同じ信号の隣にある図1を比較したものです。低すぎる基準レベルを設定すると、時間領域で圧縮が発生します。同じ電力信号に対してRF減衰が少ないため、アンプは圧縮されます。
図9.左:GSM信号電力 vs.-10 dBm基準レベルの時間です。右: GSM信号電力 vs.-40 dBm基準レベルの時間。
基準レベルを低すぎると、デバイスが破損する可能性があります。このため、ドライバは予測基準レベルを超える電力を検出するとユーザに警告し、低すぎる場合はエラーをスローします。
図8に周波数領域を示します。図7のPvTプロットで観測された圧縮によりスペクトルが歪むようになりました。歪みにより、ノイズフロアが増加する原因となる追加の周波数成分が生成されます。
図10.左: 適切な基準レベルのGSMスペクトルです。右: 基準レベルが低すぎます。
長所および短所
上で、基準レベルが高すぎるか低すぎるかを調整すると電力測定にどのような影響があるかを説明しました。他にも考慮すべきトレードオフがいくつかあります。たとえば、電力がノイズフロアに非常に近い信号があるとします。複数の集録を平均化すると、表示されたノイズフロアをわずかに下げて信号を解決することができます。これにより、信号の測定が可能になりますが、平均化に必要な追加集録のため、合計測定時間が長くなります。
分解能帯域幅（RBW）
NI-RFSAドライバでは、「niRFSA分解能帯域幅を構成」VIを使用して分解能帯域幅を設定します。「niRFSA開始」VIが呼び出される前に設定する必要があります。
図11:「niRFSA分解能帯域幅を構成」VIのスクリーンショット（NI-RFSAヘルプドキュメントより）
分解能帯域幅は、従来のスイープ調整済みスペクトラムアナライザに関連するため、簡単に説明する価値があります。スイープ同調アナライザでは、RBWフィルタはハードウェアに実装され、その直後にパワーセンサが続きます。構成されたRBWおよびスパンに応じて、信号は周波数フィルタを通過して周波数ウィンドウの平均電力を取り込みます。各ステップの平均電力がスペクトルにプロットされます。このため、RBWを小さくすると、信号が構成された測定範囲全体に渡って複数回移動する必要があるため、測定に時間がかかります。さらに、信号は各ステップでフィルタ特有の遅延を克服するのに十分な時間待機する必要があり、測定に時間が追加されます。
NIベクトル信号アナライザは、上記のスイープ調整アナライザとは異なり、FFTベースです。主な違いは、周波数選択電力解析で信号をバンドパスRBWフィルタを介して移動するハードウェアに依存する代わりに、RBWフィルタは高速フーリエ変換を介してソフトウェアで実装される点です。この方法の主な利点の1つは、小さな周波数スパンの解析が速いことです。さらに、FFTベースのアナライザには位相を測定する機能もあり、復調を実行できます。
通常、RBWはスペクトルの分解能を制御する方法として考えられています。しかし、これは物語の半分にすぎません。たとえば、PvT測定の場合、時間領域での影響を考慮します。図1と、PvTが分解能帯域幅（RBW）フィルタで測定した信号の平均電力を任意の時点で測定する方法を思い出してください。RBWを極限まで追い詰めると何が起こるか、時間領域と周波数領域の両方での影響について考えてみましょう。
分解能帯域幅が高すぎます
より高いRBWは、より多くのポイントを含む集録を意味します。このため、RBWが大きすぎると、システム集録メモリエラーが発生する可能性があります。ポイント数が多いほど、信号処理時間が長くなります。また、フィルタの幅が広く、より多くのノイズを透過させるため、ノイズフロアの電力が増加します。
図12. 左:GSM電力 vs.1 MHz RBWの時間。右: GSM電力 vs.80 MHz RBWの時間。
スペクトルでは、信号の形状に分解能や定義はほとんどありません。この場合、チャンネル帯域幅とノイズフロアを区別することは困難です。
図13.左: 10kHz RBWで集録されたGSMスペクトルです。右: 1 MHz RBWで集録されたGSMスペクトルです。
分解能帯域幅が低すぎます
低RBWは、ステップあたりのポイント数が少なく、集録時間が長くなることを意味します。そのため、RBWが小さすぎると、主要な信号特性が通過せず、見逃される可能性があります。これは、対象の周波数成分が存在する短時間のみアクティブになるバースト信号に特に当てはまります。
図14.左: GSM電力 vs.1 MHz RBWで集録された時間です。右: GSM電力 vs.100 kHz RBWで集録された時間。
図15に示されている対応するスペクトルを見ると、分解能がより高くなっています。この場合、GSM信号の帯域幅はより顕著で容易に確認できますが、RBWフィルタが信号の帯域幅全体を集録するには広すぎるため、電力は不正確です。
図15.左:10 kHz RBWで集録されたGSMスペクトルです。右: 100 Hz RBWで集録されたGSMスペクトルです。
長所および短所
適切なRBWの選択は、測定と測定する信号のタイプによって異なります。バースト信号では、RBWは信号の帯域幅全体を集録できるほど高くなければなりませんが、ノイズフロアが大きくなりすぎるほど高くありません。
RBWは測定時間にも影響します。RBWを小さくすると、スペクトルの完了に必要なRBWポイント数が増えるため、測定時間が長くなります。
まとめ
このドキュメントでは、適切な基準レベルとRBWの選択方法、および測定に対して高すぎる値または低すぎる値を選択した場合の結果について説明します。この影響は、GSM信号の例で示されています。基準レベルとRBWは、電力測定に顕著な影響を与える可能性がある基本的な設定であり、RF電力測定を構成および解析する際に直感的に判断できることが重要です。
この記事ではNIベクトル信号アナライザに焦点を当てましたが、この概念は他のVSAにも適用できる場合があります。この記事は、エンジニアが他の構成、およびRF測定にどのように影響するかを調査することを促すものです。