Использование широкополосных осциллографов для измерения и анализа сигналов передатчиков РЛС и спутниковых систем связи
Никита Болдырев, руководитель направления радиоизмерительного оборудования
nb@dipaul.ru
В ряде случаев требования к ширине полосы частот превышают значения полос ПЧ имеющихся на рынке РЧ-анализаторов спектра и векторных анализаторов сигналов. В сочетании с более высокими рабочими частотами это создает серьезные проблемы для инженеров, занимающихся испытанием передатчиков РЛС и спутниковых систем связи.
Быстрое, точное и эффективное с точки зрения затрат измерение характеристик передатчиков РЧ/СВЧ-диапазона современных РЛС и спутниковых систем связи является очень сложной задачей. В некоторых случаях (например, при измерении модуля вектора ошибки EVM-передатчика систем спутниковой связи) выход передатчика не всегда можно измерить непосредственно. Специалисты часто должны надеяться на изготовленный по заказу преобразователь с понижением частоты для переноса сигналов РЧ/СВЧ-диапазона на частоту ПЧ с целью последующего измерения с помощью имеющегося в продаже оборудования.
К сожалению, разовые расходы на инженерные работы, связанные с проектированием, изготовлением и испытанием преобразователя, могут оказаться непродуктивными. Аппаратура преобразователя с понижением частоты также добавляет собственные искажения, способные маскировать реальные характеристики испытуемого передатчика сигналов РЧ/СВЧ-диапазона. Более того, может возникнуть искажение, вносящее дополнительный вклад в суммарное значение измеряемого EVM, и в результате трудно понять, какая часть значения EVM получена с реального выхода передатчика. При отсутствии других доступных вариантов инженеры не имеют возможности точно определить погрешность измерения.
Решение
Преодолеть данную проблему удается с помощью решения, которое позволит непосредственно измерять и анализировать сигналы на выходе передатчиков РЧ/СВЧ-диапазона без использования преобразователя с понижением частоты. Идеальным вариантом для такой задачи становится широкополосный осциллограф, непосредственно измеряющий и анализирующий сигналы X-, Ku-, Ka-, V-диапазонов (до 63 ГГц) передатчиков современных РЛС и систем спутниковой связи. Применение подобного осциллографа не только исключает затраты времени и средств, связанные с изготовлением заказного преобразователя с понижением частоты, но и освобождает от решения других проблем, таких как калибровка аппаратных средств и коррекция системных искажений и погрешностей в результатах измерений.
Существуют следующие аспекты измерения широкополосных сигналов РЛС и систем спутниковой связи, которые обычно представляют определенную трудность для инженеров:
• Создание специализированных/собственных широкополосных сигналов. Традиционно формировать такие сигналы для испытания передатчиков было сложно, поскольку часто они не поддерживались доступным на рынке оборудованием. В результате инженеры были вынуждены разрабатывать специализированное испытательное оборудование, затрачивая на это много времени и средств.
• Анализ специализированных/собственных широкополосных сигналов. Сигналы РЛС и систем спутниковой связи могут иметь специализированные или собственные форматы.
Нахождение технического решения для испытаний на основе оборудования, имеющегося в продаже, с помощью которого можно создавать и анализировать специализированные/собственные сигналы с использованием встроенных программных средств, является первостепенной задачей.
Одно из технических решений, предлагаемое компанией Keysight, включает высокопроизводительный осциллограф серии Z семейства Infiniium, векторный генератор сигналов серии PSG, генераторы сигналов произвольной формы (СПФ) в шасси AXIe M8190A, M8195A, M8196A и программное обеспечение векторного анализа сигналов (VSA). Такая комбинация аппаратных и программных средств предоставляет инженерам возможности, необходимые для проведения измерений широкополосных сигналов РЛС и систем спутниковой связи.
Широкополосный осциллограф серии Z позволяет непосредственно измерять и анализировать широкополосные сигналы на выходах передатчиков РЛС и систем спутниковой связи. Располагая истинной аналоговой полосой пропускания 63 ГГц, он обеспечивает получение точных данных в реальном времени при непосредственном измерении сигналов на выходах передатчиков, не требуя использования внешнего преобразователя с понижением частоты. Анализ во временной области может применяться для измерения характеристик передатчика в импульсных режимах (например, фронта/среза, длительности импульса).
M8190A, M8195A и M8196A — модульные измерительные приборы, скомпонованные в базовом блоке шины AXIe. Они используется для генерации широкополосных сигналов при испытаниях новых РЛС и систем спутниковой связи. Их характеристики:
1. M8190A — прецизионный 1- или 2-канальный генератор СПФ с разрешением ЦАП, равным 14 бит при частотах дискретизации до 8 Гвыб/с и 12 бит — до 12 Гвыб/с (от 2 до 4 бит больше по сравнению с тем, что доступно в настоящее время), обеспечивает превосходные характеристики сигналов. M8190A также включает память сигналов до 2 Гвыб/канал (в 30 раз больше, чем у имеющихся генераторов СПФ), что позволяет инженерам создавать длинные реалистичные сценарии, такие как имитация сигналов РЛС. Выходной тракт с шириной полосы частот 5 ГГц (на уровне –3 дБ) предусматривает его использование и в качестве генератора модулированных I/Q-сигналов, и генератора сигналов ПЧ.
2. M8195A — прецизионный 1- или 2-канальный генератор СПФ с разрешением ЦАП 8 бит при частотах дискретизации до 65 Гвыб/с. Выходной тракт с шириной полосы частот 20 ГГц (на уровне –3 дБ).
3. Абсолютно новый M8196A с аналоговой полосой частот 32 ГГц и разрешением ЦАП 8 бит при частотах дискретизации до 92 Гвыб/с.
Генератор сигналов серии PSG поддерживает высокое качество сигналов. Широкополосные I/Q-входы упрощают работу с ним при измерениях сигналов РЛС и систем спутниковой связи. При соединении генератора сигналов серии PSG и генераторов сигналов произвольной формы (СПФ) в шасси AXIe обеспечивается гибкость, необходимая для создания специализированных/собственных сигналов РЛС и широкополосных модулированных сигналов (например, QPSK и 16QAM) для систем спутниковой связи. Эти сигналы могут предназначаться для испытаний оборудования в лабораториях, без применения дорогого специализированного испытательного оборудования.
При тестировании компонентов испытуемого устройства (ИУ) генераторы сигналов произвольной формы (СПФ) в шасси AXIe генерируют широкополосные I/Q-сигналы, поступающие на I/Q-входы генератора серии PSG. Далее генератор серии PSG формирует СВЧ-сигнал, который будет использоваться для ИУ в качестве сигнала стимула. Затем выход ИУ подключается к осциллографу серии Z, где и проводятся измерения сигналов (рис. 1). При измерении сигналов функционально законченного передатчика нужно просто подключить осциллограф к его выходу.
Специализированные/собственные измерения
Создание специализированных/собственных сигналов и проведение специализированных/собственных измерений сигналов РЛС и систем спутниковой связи можно значительно упростить, используя MATLAB при генерации сигналов для выполнения моделируемых форм сигналов, которые затем загружаются в генератор сигналов произвольной формы (СПФ) в шасси AXIe. Здесь они синтезируются в дифференциальные I/Q-сигналы, поступающие на внешние I/Q-входы генератора сигналов PSG. После этого генерируются модулированные испытательные РЧ/СВЧ-сигналы.
Специализированные, определяемые пользователем, функции MATLAB также можно использовать внутри осциллографа серии Z и применить к отображаемому сигналу (например, для вычисления огибающей импульсного РЧ-сигнала). За счет этого огибающую импульсного РЧ-сигнала можно измерить и отобразить. Предварительно сконфигурированные измерения осциллографа серии Z предназначены для измерения фронта, среза, длительности импульса и выброса на фронте импульсных РЧ-сигналов РЛС (рис. 2). В этом случае глубокая память сбора данных осциллографа серии Z (до 2 Гвыб/с) играет важную роль в обеспечении способности захватывать и анализировать большое число импульсов РЛС.
Сегментированная память оптимизирует число импульсов РЛС, которое можно захватить и проанализировать, учитывая объем доступной памяти осциллографа. Важно, что она позволяет увеличивать масштаб изображения импульса и выполняет захват данных только во время включенного состояния импульса, а при выключенном состоянии — игнорирует.
Хотя для испытания РЧ-устройств традиционно использовались анализаторы спектра и векторные анализаторы сигналов, проблемы, связанные с проведением измерений сигналов современных РЛС и систем спутниковой связи, побудили специалистов перейти к применению широкополосных осциллографов. К счастью, программное обеспечение векторного анализа (VSA) компании Keysight, действующее внутри осциллографа, упрощает процесс такого перехода, предоставляя инженерам все лучшее, из имеющегося в обеих областях, — функциональность и интерфейс пользователя векторного анализатора сигналов и доступ к широкополосным возможностям осциллографа, который обеспечивает проведение измерений на частотах до 63 ГГц для широкополосных измерений сигналов РЛС и систем спутниковой связи. С помощью знакомого интерфейса пользователя VSA позволяет инженерам задавать традиционные параметры РЧ-сигналов (например, полосу обзора и полосу пропускания) в осциллографе. Затем VSA обрабатывает данные, собранные осциллографом, и выводит оцифрованные результаты на экран, отображая амплитуды и фазы векторного анализатора сигналов. Программное обеспечение VSA также способно проводить анализ в частотной и временной областях для измерения спектра РЧ/СВЧ-сигналов, частотных и фазовых характеристик (в том числе частотных и фазовых характеристик радиоимпульса с ЛЧМ или характеристик скачкообразной перестройки частоты, отображаемых на спектрограмме РЧ-сигнала) и EVM (рис. 3).
Использование внешних преобразователей с понижением частоты для измерения характеристик сигналов широкополосных передатчиков РЛС и систем спутниковой связи может потребовать больших затрат времени и средств. Этот подход может оказаться неоптимальным для улучшения возможностей исследования истинных характеристик передатчиков РЧ/СВЧ-диапазона. Осциллограф серии Z компании Keysight предоставляет практичную альтернативу — средство непосредственного измерения и анализа характеристик передатчиков РЧ/СВЧ-диапазона для РЛС и систем спутниковой связи.
Осциллограф можно объединить с генератором СПФ шасси AXI и генератором сигналов серии PSG. Вместе они позволяют создавать и анализировать испытательные сигналы на физическом уровне. Специализированные/собственные формы сигналов можно сгенерировать с помощью MATLAB и затем загрузить в генератор СПФ шасси AXI, объединенный с генератором сигналов серии PSG, для создания испытательного сигнала. С помощью осциллографа серии Z сигналы на выходах передатчиков можно измерить, используя программное обеспечение VSA компании Keysight, функции MATLAB, определяемые пользователем, или встроенные возможности анализа во временной области осциллографа. Для современных РЛС и систем спутниковой связи, применяющих более широкие полосы частот и более высокие рабочие частоты, непосредственное и точное измерение сигналов на выходе передатчиков посредством осциллографа серии Z становится основным средством улучшения возможностей исследования истинных характеристик передатчиков, позволяющим сэкономить время и помогающим сократить число дорогостоящих циклов разработки.
Кроме того, программное обеспечение VSA поддерживает многие виды стандартов сигналов и форматов модуляции с целью демодуляции таких форматов сигналов, как QPSK, 16QAM и 64 QAM, используемых в системах спутниковой связи и других приложениях. Такой анализ дает инженерам больше возможностей изучения характеристик аппаратных средств передатчиков РЛС и систем спутниковой связи.
Проведение достоверных измерений передатчиков РЛС реализуется и при помощи контрольно-измерительных решений компании Keysight, требующих пользовательского конфигурирования для каждого конкретного случая, что является творческой задачей, предполагающей глубокое понимание предмета измерения. Сотрудники компании «Диполь» обладают опытом и необходимыми знаниями для проведения данных измерений и с удовольствием помогут в решении нетривиальных задач, связанных с проведением измерений.
