Удаленное измерение коэффициента усиления и групповой задержки с помощью векторного генератора и анализатора сигналов

Введение

Измерения коэффициента усиления и групповой задержки обычно выполняются с помощью векторного анализатора цепей (ВАЦ). ВАЦ подает на тестируемое устройство (ТУ) свипирующий синусоидальный сигнал и принимает выходной сигнал ТУ. Рассматриваемый в этой статье альтернативный подход предусматривает применение широкополосного сигнала с несколькими несущими. Схема измерения состоит из векторного генератора сигналов (ВГС), создающего широкополосный воздействующий сигнал, и векторного анализатора сигналов (ВАС), принимающего выходной сигнал ТУ. Применение двух приборов позволяет размещать источник и приемник сигналов в разных местах, что может оказаться полезным в таких приложениях, как антенные поля.

На больших антенных полях передатчик и приемник могут располагаться в разных местах. В традиционном векторном анализаторе цепей источник и приемник сигнала находятся внутри одного прибора. Это требует применения длинных кабелей для подключения ВАЦ к передатчику и приемнику на антенном поле. На высоких частотах кабели могут вносить существенные потери, которые трудно или даже невозможно скорректировать. Использование двух приборов избавляет от необходимости подсоединять длинные кабели, устраняя проблемы, связанные с калибровкой.

В статье описывается реализация широкополосного решения для измерения коэффициента усиления и групповой задержки с помощью векторного генератора сигналов и векторного анализатора сигналов. Кроме того, рассматриваются проблемы калибровки и источники погрешностей. Экспериментальные результаты сравниваются с результатами, полученными с помощью традиционного векторного анализатора сигналов, а также обсуждаются потенциальные области применения этого метода.

Генерация воздействующего сигнала

В качестве воздействующего сигнала применяется многотоновый сигнал, состоящий из произвольного числа тоновых сигналов с переменными промежутками. Поскольку в ходе измерения сопоставляются входной и выходной сигналы, возможны фазовые сдвиги между тонами на входе и выходе ТУ. Фазовые сдвиги между тонами регулируются для изменения характеристик воздействующего сигнала, таких как случайное распределение фазы, выглядящее как гауссовский шум, или параболическое распределение, дающее небольшой пик-фактор.

Широкополосные многотоновые сигналы можно создавать с помощью генератора сигналов произвольной формы (ГСПФ). Современные ГСПФ способны формировать сигналы с аналоговой полосой несколько ГГц. Тем не менее во многих случаях необходимы внешние повышающие преобразователи частоты, смещающие спектр сигнала на исследуемую центральную частоту. Внешние повышающие преобразователи и измерительные кабели требуют коррекции, компенсирующей вносимые ими искажения и гарантирующей нужные параметры воздействующего сигнала в эталонной плоскости измерения. Коррекция выполняется системой с обратной связью, измеряющей параметры сигнала с помощью анализатора спектра. Затем к сигналу применяются цифровые предыскажения, повышающие качество воздействующего сигнала в эталонной плоскости. Эта коррекция иллюстрируется рис. 1, на котором показаны сигналы до и после коррекции. После оценки качества воздействующего сигнала он регистрируется как эталонный.

Рис. 3. Результаты:
а) логарифм амплитуды;
б) групповая задержкаМноготоновый воздействующий сигнал:
а) нескорректированный;
б) скорректированный

Захват и измерение сигнала

Данные каждого эталонного тона регистрируются и сохраняются в векторный анализатор сигналов. Затем подключается тестируемое устройство, и его выходной сигнал записывается тем же способом, что и эталонный сигнал. Для расчета коэффициента усиления и групповой задержки тестируемого устройства измеряется отношение выходного сигнала к воздействующему. Выходной и воздействующий сигналы не обязательно должны иметь одинаковую частоту, поскольку оба преобразуются и оцифровываются в векторном анализаторе сигналов на промежуточной частоте. Это позволяет измерять устройства c преобразованием частоты.

Встроенные в тестируемые устройства гетеродины могут порождать дрейф фазы и частоты. Гетеродины большинства устройств стабилизируются кварцевыми генераторами, что минимизирует частотный дрейф. Любой сдвиг частоты регистрируется широкополосным приемником векторного анализатора сигналов. Смещение частоты проявляется в виде линейного изменения фазы в течение времени. Используя в качестве пилотного сигнала один тон, можно оценить наклон фазовой характеристики и получить значение смещения частоты. Дрейф фазы гетеродина вызывает постоянный сдвиг фазы каждого тона, но эту константу можно исключить из расчета групповой задержки, которая определяется следующей формулой:

τ_g = dφ/dω,

φ — фаза, рад; ω — частота, рад/с.

Поскольку частота и фаза эталонных тональных сигналов известны, мы имеем возможность измерить дрейф частоты и фазы зарегистрированного выходного сигнала.

Проблемы измерений

Описанной выше системе присущи определенные проблемы калибровки трактов воздействующего и выходного сигналов. Можно измерить характеристики тракта повышающего преобразования частоты воздействующего сигнала и использовать цифровые предыскажения для получения нужных параметров сигнала на входе тестируемого устройства. Характеристики тракта понижающего преобразования частоты тоже можно измерить и использовать результаты этих измерений для создания корректирующих цифровых фильтров, компенсирующих вносимые искажения. Для устройств, преобразующих частоту, параметры тракта повышающего преобразования частоты нужно измерять на входной частоте, а параметры тракта понижающего преобразования частоты — на выходной частоте.

Регистрацию эталонных данных можно рассматривать как калибровку выходного сигнала, которая не учитывает погрешности рассогласования источника или нагрузки. Погрешности рассогласования минимизируются добавлением прецизионных аттенюаторов, улучшающих согласование импеданса источника и нагрузки [1].

Реализация

Схема измерения показана на рис. 2. Для создания воздействующего сигнала применяется векторный генератор сигналов, а векторный анализатор сигналов выступает в роли приемника. Схема, использованная при написании этой статьи, состояла из широкополосного генератора сигналов произвольной формы (Agilent M8190A), IQ-модулятора с повышающим преобразователем частоты (Agilent E8367D), понижающего преобразователя частоты (Agilent N9030A), высокоскоростного дигитайзера (DSO9404A) и программного обеспечения IQ-анализа (Agilent 89601B).

Рис. 2. Схема измерения

Результаты

Схема измерения проверялась путем измерения фильтра с центральной частотой 10,24 ГГц в полосе 400 МГц. Воздействующий сигнал состоял из 400 тонов с промежутком 1 МГц и случайным распределением фазы. Результаты сравнивались с полученными на векторном анализаторе цепей (Agilent N5242A) и представлены на рис. 3.

Рис. 3. Результаты:
а) логарифм амплитуды;
б) групповая задержка

В полосе пропускания фильтра наблюдается хорошая корреляция между двумя методами. Разброс амплитуды составил примерно 0,1 дБ, а разброс групповой задержки — приблизительно 300 пс. Однако эти отклонения не превышают погрешностей обоих приборов. За пределами полосы пропускания фильтра собственный шум измерительной схемы растет, а уровень мощности тональных сигналов приближается к уровню шумов.

Заключение

Применение двух приборов позволяет выполнять дистанционные измерения, в которых источник и приемник сигнала расположены в разных местах. Это особенно полезно в таких приложениях, как антенные поля. Данный метод можно рассматривать как функциональное тестирование, в отличие от параметрического тестирования, выполняемого с помощью векторного анализатора цепей. Например, широкополосный воздействующий сигнал точнее имитирует реальный сигнал спутника с несколькими каналами, работающими одновременно. Для имитации несмежных каналов можно задавать частотные промежутки в многотоновом сигнале.

Предлагаемый метод позволяет измерять коэффициент усиления и групповую задержку с помощью векторного генератора и векторного анализатора сигналов. Преобразователи частоты и тракт прохождения сигнала вносят погрешности, которые минимизируются с помощью цифровых предыскажений и корректирующих цифровых фильтров. Результаты показали хорошую корреляцию между этим методом и традиционным использованием векторного анализатора цепей.