Новый подход к широкополосным ВЧ-измерениям: широкополосные осциллографы реального времени

Кроме того, рассмотрены основы широкополосного захвата ВЧ-, СВЧ- и КВЧ-сигналов во временной области, включая основные измерительные возможности осциллографов, и описаны достижимые параметры ВЧ-измерений, в том числе плотность шума, динамический диапазон и линейность фазы и амплитуды. Все это очень важно для эффективной отладки и проверки устройств ВЧ-, СВЧ- и КВЧ-диапазона.

Широкополосные опции для измерительных систем на базе осциллографа

Широкополосные осциллографы можно использовать для широкополосных ВЧ-измерений множеством разных способов — как отдельно, так и в совокупности с понижающими преобразователями частоты. Правильно выбрать опции для широкополосных измерений можно по диаграмме методов, на ней по вертикальной оси откладывается полоса анализа измерительного решения, а по горизонтальной — частота несущей, которую это решение может измерять. Такой график показан на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость полосы анализа от частоты несущей для измерительных решений

Заметьте, что классические анализаторы сигналов обладают полосой анализа до 1 ГГц и могут работать с частотами несущих примерно до 50 ГГц. Причем еще несколько лет назад полоса анализа этих приборов ограничивалась 510 МГц. В отличие от этого осциллографы средней ценовой категории имеют полосу пропускания до 8 ГГц, что позволяет измерять сигналы с частотой несущей около 8 ГГц и с очень широкой полосой модуляции, даже близкой к 8 ГГц. Если суммарный спектр несущей и модуляции укладывается в полосу пропускания осциллографа, то прибор может выполнять достоверные измерения.

В широкополосных аэрокосмических и оборонных приложениях, включая РЭБ, РЛС и радиоразведку, несущие частоты сигналов нередко превышают 8 ГГц, вынуждая применять высокопроизводительные осциллографы. В настоящее время выпускаются осциллографы с полосой пропускания 33 и 63 ГГц. Такие устройства достаточно дороги, но обладают высокими характеристиками, такими как равномерность АЧХ и уровень шумов. В качестве альтернативного решения можно использовать понижающий преобразователь частоты с осциллографом средней ценовой категории. Это позволяет получить недорогое решение, вполне способное измерять высокочастотные сигналы с широкополосной модуляцией, но за счет некоторого снижения линейности фазы и амплитуды.

Первый способ понижения частоты исследуемого сигнала заключается в том, чтобы включить перед осциллографом средней ценовой категории стандартный анализатор сигналов и подавать его выходной сигнал ПЧ на осциллограф. Для линеаризации суммарной амплитудной и фазовой характеристики такой измерительной системы обычно требуется калибровка. Данное решение может работать с широким диапазоном несущих частот, примерно до 50 ГГц. Второй способ понижения частоты заключается в установке гармонического смесителя перед осциллографом средней ценовой категории. В результате получается «многодиапазонное» решение, способное измерять очень высокие несущие частоты, но для каждого конкретного гармонического смесителя обычно существует некий «диапазон» несущих частот, с которыми он может работать. Это делает второй вариант особенно удобным для таких приложений, как 5G, Wigig и автомобильные радары.

Типовые ВЧ-характеристики широкополосных осциллографов реального времени

Перед выполнением БПФ или широкополосных ВЧ-измерений с помощью осциллографа или осциллографа в сочетании с программным обеспечением векторного анализа сигналов полезно оценить ВЧ-характеристики самого прибора, поскольку они могут сильно влиять на результаты таких измерений.

У многих современных осциллографов есть возможность коррекции амплитуды и фазы, за счет чего достигается превосходная точность по амплитуде и малое отклонение по фазе во всем частотном диапазоне осциллографа, что, в свою очередь, позволяет выполнять высококачественные ВЧ-измерения. Кроме того, подобные осциллографы обладают отличными показателями плотности шума (порядка –160 дБм/Гц), динамического диапазона и отношения сигнал/шум с учетом предлагаемой широкой полосы частот. Это позволяет разработчикам исследовать широкополосные сигналы очень малого уровня на фоне сильных сигналов или повышать чувствительность осциллографа для измерения отдельных сигналов малой амплитуды. К тому же схема развертки данных осциллографов обеспечивает низкий уровень фазовых шумов при малой отстройке от несущей, что соответствует низкому джиттеру для трасс большой длительности. Типовые ВЧ-характеристики высокопроизводительного осциллографа с полосой пропускания 33 ГГц приведены в таблице.

Типовые характеристики частотной области осциллографов Infiniium серии V (не гарантируются, могут изменяться)

Широкополосные импульсные ВЧ-измерения в частотной области — огибающая, частота и ЛЧМ

Первый из рассматриваемых вариантов заключается в применении отдельного широкополосного осциллографа для измерений во временной области и анализа широкополосных импульсных ВЧ-сигналов. Выбор конкретного осциллографа зависит от максимального суммарного значения частоты несущей и полосы модуляции. Рассмотрим пример, в котором исследуемый сигнал содержит импульсы длительностью 1 мкс с интервалом повторения 100 мкс. Сигнал представляет собой импульсы ЛЧМ с полосой модуляции 2 ГГц и несущей частотой 15 ГГц.

Пример нескольких измерений одного ВЧ-импульса, включая параметры огибающей и ЛЧМ, приведен на рис. 2. Стабильный запуск по этому импульсу обеспечивается путем установки удержания запуска на значение чуть больше длительности импульса — 1 мкс.

Рис. 2. Измерение во временной области с помощью осциллографа с полосой пропускания 33 ГГц импульса со следующими параметрами: длительность 1 мкс, несущая 15 ГГц, ЛЧМ с полосой модуляции 2 ГГц

Для измерения амплитуды использовалась математическая функция Envelope («Огибающая»), после чего импульсные измерения выполнялись по видимой огибающей ВЧ-импульса. Измерение частоты выполнялось по ВЧ-импульсу (а не по огибающей), а в качестве источника математической функции Measurement Trend («Тренд результатов измерения») использовалось измерение частоты. Затем к тренду результатов измерения применялась математическая функция сглаживания, что дало линейное нарастание модуляции ЛЧМ, как показано на рис. 2. Линейность амплитуды осциллографа в интересующей нас полосе обзора непосредственно влияет на качество измерения огибающей. Амплитудно-частотная характеристика типового осциллографа с полосой 33 ГГц показана на рис. 3.

Рис. 3. Типовая зависимость амплитуды от частоты для четырех отдельных каналов с полосой пропускания 33 ГГц

Стробируемые измерения спектра широкополосных ВЧ-импульсов с использованием БПФ

Другой важный набор измерений включает широкополосные измерения и стробируемые измерения с использованием БПФ. Широкополосные измерения БПФ можно выполнить, выбрав математическую функцию FFT Magnitude («Амплитуда БПФ») с прямо-угольной (Rectangular) весовой функцией.

После этого можно выполнить стробируемые измерения БПФ за счет применения математической функции Timing Gate («Стробирование по времени»). После настройки функции стробирования по времени можно настроить математическую функцию БПФ, которая работает по записи сигнала в пределах временного окна, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Обычные и стробируемые измерения БПФ во временном окне в начале ВЧ-импульса

Широкополосные измерения ВЧ-импульсов во временной и частотной областях с помощью осциллографа и ПО векторного анализа

ВЧ- и БПФ-измерения с помощью широкополосного осциллографа можно дополнительно расширить, импортировав захваченные осциллографом сигналы в программное обеспечение векторного анализа сигналов. Некоторые преимущества такого подхода:

• широкий выбор встроенных ВЧ-измерений;
• возможность применения входного полосового фильтра осциллографа для оцифровки и прореживания сигнала перед расчетом БПФ, что снижает шум и повышает скорость расчетов;
• множество опциональных цифровых и аналоговых демодуляторов, таких как QAM16 и ЧМ;
• представление импульса во временной области с пониженным уровнем шумов за счет цифровой обработки;
• коррекция частоты и фазы в пределах импульса при прохождении через демодулятор.

Интересно было бы подробнее рассмотреть улучшение отношения сигнал/шум за счет применения цифровой обработки. Программное обеспечение векторного анализа сигналов может пропустить захваченные осциллографом данные через полосовой фильтр и повторно дискретизировать данные с меньшей частотой дискретизации, что приводит к снижению шумов, расширению динамического диапазона и улучшению отношения сигнал/шум.

Если захваченные осциллографом данные импортированы в ПО векторного анализа сигналов, их можно преобразовать в цифровом виде в модулирующие сигналы I и Q, пропустить через полосовой фильтр и затем повторно дискретизировать. Эта процедура существенно снижает шум измерения. В сущности, процесс заключается в «настройке» на центральную частоту сигнала и в «растяжке» сигнала для анализа модуляции. Это часто называется «цифровое расширение».

В этом примере исходная измеряемая полоса 8 ГГц с соответствующим уровнем шумов была сокращена до 500 МГц с центром на частоте 3,7 ГГц и мгновенной полосой измерения немного шире полосы модуляции сигнала. Это соответствует улучшению отношения сигнал/шум на: 10log* (полоса пропускания осциллографа/полоса обзора) = 10log*(8E+09/500E+6) = 12 дБ.

Благодаря цифровому расширению в сочетании со способностью ПО векторного анализа сигналов представлять амплитуду в логарифмическом масштабе и применению усреднения, мы смогли увидеть импульс с уровнем на 50 дБ меньше, как показано на рис. 5. При измерении в полосе 8 ГГц этот импульс не был виден.

Рис. 5. ПО векторного анализа сигналов с установленной «Центральной частотой» и «Полосой обзора» показывает импульс с уровнем на 50 дБ ниже

Применение сегментированной памяти осциллографа с опцией BHQ для импульсных измерений и векторного анализа сигналов обеспечивает длительный захват и статистический анализ импульсов.

Если осциллограф применяется для регистрации широкополосных ВЧ-сигналов, то для точного захвата несущей и модулирующего сигнала он должен обладать достаточно высокой частотой дискретизации. Это значит, что при высокой частоте дискретизации потребуется очень большой объем памяти осциллографа, чтобы захватить продолжительный интервал сигнала.

Для существенного увеличения времени записи сигналов с высокой скважностью, таких как импульсные сигналы РЛС, можно использовать функцию осциллографа, известную как сегментированная память. В этом случае память осциллографа делится на небольшие фрагменты, соответствующие фиксированным интервалам времени, которые немного шире самого широкого ВЧ-импульса. Осциллограф запускается по событию, например по началу ВЧ-импульса, после чего заносит этот ВЧ-импульс в сегмент памяти. Затем осциллограф останавливает захват, взводит систему запуска и ждет следующего ВЧ-импульса. Второй ВЧ-импульс помещается во второй сегмент памяти. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не заполнятся все сегменты памяти осциллографа.

Современное ПО анализа импульсов позволяет воспользоваться преимуществами сегментированной памяти осциллографа и выполнить множество встроенных измерений импульсных ВЧ-сигналов. Захват нескольких ВЧ-импульсов с помощью сегментированной памяти осциллографа в сочетании с измерительными функциями ПО анализа импульсов показан на рис. 6. Здесь выполняется измерение импульса ЛЧМ частотой 1 ГГц, а сдвиг фазы вдоль импульса сравнивается с идеальным ЛЧМ-импульсом и идеальной параболой. В увеличенном масштабе показана разность между измеренным и опорным сигналом для частоты на кривой S и фазы на кривой J.

Рис. 6. Расчеты ПО анализа импульсов основаны на измерениях, выполненных осциллографом с сегментированной памятью

Сегодня все большее число устройств использует сигналы с полосой модуляции более 510 МГц, чему до недавнего времени равнялась мгновенная измерительная полоса анализаторов сигналов и спектра. Причем для работы с некоторыми устройствами требуется полоса анализа даже шире 1 ГГц, что обеспечивается современными анализаторами сигналов. Это вынуждает разработчиков применять дигитайзеры и осциллографы, обладающие достаточной полосой пропускания и частотой дискретизации для прямой оцифровки несущей частоты и модулирующего сигнала, или включать перед осциллографами понижающие преобразователи частоты. Для анализа работы и диагностики неисправностей целевой системы очень полезны такие математические функции, как построение огибающей, вычисление тренда измерений и БПФ. Объединение осциллографа с ПО векторного анализа сигналов позволяет создать мощный измерительный инструмент для выполнения разнообразных измерений, включая демодуляцию, представление во временной области с пониженным отношением сигнал/шум и статистический анализ ВЧ-импульсов. И хотя существует некоторый компромисс между динамическим диапазоном/шумом и доступной мгновенной полосой пропускания, это не мешает выполнять многие важные широкополосные измерения, помогающие инженерам оценивать характеристики прототипов или серийно выпускаемых изделий.