3. Uwagi dotyczące zestawu do generacji fal milimetrowych

Użycie rekomendowanego zestawu do generacji i analizy fal milimetrowych jest stosunkowo proste. Jednak w zależności od ustawień częstotliwości, pojawiają się pewne niedogodności. W tym rozdziale zostały one omówione wraz z metodami na ich obejście.

3.1.  Niepożądane harmoniczne produkty powielacza częstotliwości

Układ nominalnie zwiększający częstotliwość 4 razy generuje również inne niepożądane harmoniczne sygnału wejściowego. Typowe tłumienie tych harmonicznych to -30 dB w stosunku do pożądanej 4. harmonicznej. Dla częstotliwości lokalnej 53 GHz sygnał wejściowy ma częstotliwość 13,25 GHz. Piąta harmoniczna oznacza częstotliwość 66,25 GHz i leży najbliżej docelowego pasma między 57 a 64 GHz, ale nadal odległość od padma wynosi 2,25 GHz. Stanowi to zaletę zwiększania częstotliwości 4 razy zamiast 6 razy, co zostało zaproponowane w nocie aplikacyjnej 1MA217 „mm-Wave Signal Generation and Analysis”.

Filtr pasmowo-przepustowy po powielaczu (rysunek 2.1) tłumi te harmoniczne do pomijalnego poziomu.

3.2  Niepożądane produkty mieszania

Niepożądane produkty w zakresie fal milimetrowych powstałe na skutek przemiany częstotliwości są opisane następującym wzorem:

f_SP = n*f_IF ± m*f_LO, gdzie n = 0,1,2,3… oraz m = 0,1,2,3…

Poza wielokrotnościami składowej f_LO, produkty pojawiają się pod postacią zmodulowanego cyfrowo sygnału częstotliwości pośredniej. Pasmo tych sygnałów jest n razy szersze of pasma na częstotliwości pośredniej f_IF.

Zazwyczaj produkty niższego rzędu, takie jak 2*f_LO -3*f_IF, 2*f_LO -4*f_IF, 3*f_LO -4*f_IF mają wyższy poziom, niż produkty wyższego rzędu.

Niepożądane produkty niższego rzędu stanowią poważny problem, jeśli znajdują się w paśmie użytecznym i zbliżają się do sygnału wyjściowego. Parametry modulacji, takie jak długość wektora błędu (EVM) sygnału użytecznego mogą w takim przypadku ulec znacznemu pogorszeniu.

Atrakcyjnym rozwiązaniem może wydać się wybór częstotliwości LO oraz IF zbliżonych do siebie, jednak w takiej sytuacji produkty niższego rzędu (silniejsze) będą wypadać z pobliżu sygnału użytecznego.

Przykład:

Chcąc wygenerować cyfrowo modulowany sygnał na częstotliwości 63 GHz w nielicencjonowanym paśmie ISM V od 57 do 64 GHz, wówczas używając częstotliwości pośredniej IF = 10 GHz i częstotliwości lokalnej = 53 GHz otrzymujemy:

2*53 GHz – 3*10 GHz = 76 GHz – silna 3. harmoniczna, jednak daleko poza pasmem

2*53 GHz – 4*10 GHz = 66 GHz. Nadal dzieli ją od pasma 2 GHz, na szczęście jej poziom jest niski (4. harmoniczna). Z pewnością należy wziąć ją pod uwagę.

3*53 GHz – 4*10 GHz = 119 GHz – daleko poza pasmem

Ogólne wskazówki:

• Wraz ze wzrostem częstotliwości pośredniej produkty stają się bardziej niebezpieczne
• Harmoniczne niższego rzędu dowolnej częstotliwości pośredniej są bardziej niebezpieczne
• Produkty ze składowymi 3*f_LO, 4*f_LO  i wyższymi, które trafiają w pasmo użyteczne, zawierają wyższe harmoniczne, zatem ich moc jest ogólnie niższa.

3.3.  Niepożądane produkty mieszania harmonicznych

Przyrząd R&S FSW67 pozwala na pomiary do częstotliwości 67 GHz. Możliwe jest również użycie FSW do przeprowadzenia pomiarów widma poza nominalnym zakresem 67 GHz. Dzięki zewnętrznym mieszaczom harmonicznych z rodziny FS-Z można np. dokonać pomiarów w górnym paśmie E. Dla częstotliwości poniżej 67 GHz opcja użycia mieszaczy harmonicznych zamiast modelu FSW67 może okazać się również atrakcyjne cenowo.

Używając mieszaczy harmonicznych z serii FS-Z, należy mieć na uwadze dodatkowe kwestie.

Mieszacze FS-Z mnożą częstotliwość sygnału wyjściowy lokalnego oscylatora w analizatorze widma i wybierają odpowiednią harmoniczną, aby obniżyć częstotliwość badanego sygnału do poziomu częstotliwości pośredniej analizatora. Jednak harmoniczne generowane przez mieszacz oraz sygnał wejściowy ze swymi własnymi harmonicznymi stanowią wiele składowych obecnych w widmie. Co więcej, zakres częstotliwości nie jest ograniczony, ponieważ brak jest preselektora.

Rodzina analizatorów sygnału i widma FSW z rozszerzeniem FSW-B21 (łącza LO/IF dla zewnętrznych mieszaczy) ma istotną przewagę w stosunku do konwencjonalnych przyrządów. Dzięki częstotliwości pośredniej 1,3 GHz (w trybie analizatora częstotliwości – w trybie wektorowego analizatora sygnałów częstotliwość pośrednia wynosi 2 GHz), analizatory FSW osiągają zakres częstotliwości bez obrazu lustrzanego równy 2,6 GHz. Pozwala to łatwo mierzyć sygnały o szerokim paśmie modulacji, nawet jeśli ich pasmo osiąga zakres gigaherca. W połączeniu z mieszaczami harmonicznymi Rohde & Schwarz ostatniej generacji, na przykład FS-Z90 (od 60 do 90 GHz) osiągalny zakres dynamiczny jest unikalny. Poziom strat przemiany mieszacza wynosi 23 dB na częstotliwości 80 GHz, dzięki czemu średni poziom szumów (DANL) wynosi około -150 dBm/Hz dla zestawu testowego złożonego z mieszacza i źródeł sygnału.

Wykres 3.1. Pomiar sygnału o szerokości pasma 500 MHz w paśmie E z użyciem analizatora sygnału i widma FSW oraz mieszacza harmonicznego FS-Z90. Częstotliwość wejściowa oraz częstotliwość lustrzana są oddalone o 2,6 GHz. Pomiar maski widma lub analiza jakości modulacji sygnałów o znacznie szerszym paśmie są możliwe bez żadnych problemów.

4. Wyniki testów

W tym rozdziale zostały zademonstrowane i zweryfikowane typowe osiągi zarówno generatorów, jak i analizatorów sygnału R&S w zakresie fal milimetrowych omawianych w tej nocie. Należy pamiętać, że wszystkie dalej wymienionych pomiarach w trybie wektorowego analizatora sygnału korektor częstotliwości FSW jest aktywny – dzięki temu eliminuje nachylenie składowych częstotliwości w zakresie pasma modulacji. Bez użycia korektora w trybie wektorowego analizatora obwodów zmierzone wartości EVM byłyby 4 do 5 razy wyższe. Jednak dla typowych szerokopasmowych technik modulacji częstotliwości, takich jak OFDE (oraz IEEE 802.11ad w trybie z jedną nośną) EVM jest zdefiniowany dla sygnału po korekcji częstotliwości. Wynika z tego, że przedstawione wyniki pomiarów EVM są reprezentacyjne dla wartości spotykanych w rzeczywistości.

4.1.  Typowe osiągi przedstawionego zestawu testowego

Obrazek 4.1 przedstawia typowe wartości EVM osiągane przez zestaw testowy zaprezentowany na schemacie 2-1, który używa modelu FSW67 z rozszerzeniem FSW-B2000 zapewniającym pasmo analizy 2 GHz. W kanale A SMW generowana jest częstotliwość pośrednia 5 GHz. Zewnętrzny generator arbitralny dodaje do sygnału modulację QPSK o częstotliwości symboli 1,6 Gsymb/s Następnie częstotliwość pośrednia jest przenoszona do poziomu 58 GHz z użyciem sygnału LO o częstotliwości 53 GHz. Częstotliwość podstawowa 13,25 GHz może być uzyskana np. z kanału B  generatora SMW i przemnożona przez 4. Następnie FSW analizuje sygnał o częstotliwości 58 GHz i mierzy wartość EVM na poziomie 3,3%.

Obrazek 4.1. Diagram konstelacji i pomiar EVM szerokopasmowego sygnału QPSK na częstotliwości 58 GHz. Sygnał podstawowy powstał w generatorze SMW200A i został zewnętrznie zmodulowany przez odpowiedni generator arbitralny.

Obrazek 4.2 przedstawia inny przykład: możliwości zestawu testowego podczas generacji i analizy sygnału IEEE 802.11ad (WiGig) w kanale 2 (60,48 GHz) z modulacją π/2-QPSK z pojedynczą nośną o szybkości 1,76 Gsymb/s. Przy tak dużej szybkości modulacji wciąż możliwe jest uzyskanie EVM poniżej 5%. FSW wyświetla diagram konstelacji, podsumowanie wyników, bufor rejestracji i charakterystykę częstotliwościową korektora. Konfiguracja sposobu wyświetlania wyników jest wygodna dzięki ekranowi dotykowemu FSW.

Obrazek 4.2. Wynik pomiaru modulacji za pomocą FSW. Sygnał WiGig (IEEE 802.11ad) został wygenerowany za pomocą zestawu widocznego na schemacie 2.1.