Воспроизводимое измерение искажений, связанных с нелинейными свойствами широкополосных систем связи

Одним из факторов, позволяющих выполнять успешные и воспроизводимые измерения КМШ, является применение детерминированных воздействий, имитирующих шумоподобную природу реальных широкополосных сигналов. Сигналы такого типа воздействуют на коммуникационный канал примерно так же, как и реальные сигналы, выявляя нелинейность и помогая разработчику обеспечить надежную работу системы в реальных условиях. Для создания воздействующих сигналов, позволяющих выполнять достоверные измерения, применяют генераторы сигналов произвольной формы (ГСПФ), позволяющие точно контролировать ключевые параметры воздействия.

В современных системах связи существуют две основные причины возникновения нелинейных искажений. Одна из них связана с нелинейной зависимостью амплитудно-частотной характеристики от уровня входного сигнала. Другая причина связана с неравномерной зависимостью фазовой характеристики от частоты входного сигнала.
В широкополосных системах эти эффекты могут порождать четыре типа искажений: гармонические искажения; искажения, обусловленные перекрестной модуляцией; фазовые и интермодуляционные искажения. И хотя каждое из них имеет свой источник, все они влияют на входной сигнал. Это приводит к появлению на выходе широкополосного устройства, схемы или системы гармонических или негармонических паразитных составляющих.
В присутствии широкополосного сигнала (или большого числа узкополосных сигналов), например в широкополосных или многоканальных системах, все эти механизмы вносят вклад в интермодуляционные искажения. Поскольку эти искажения шумоподобного сигнала снижают отношение сигнал/шум и увеличивают коэффициент битовых ошибок (BER), они являются основным недостатком широкополосных систем. Шумоподобный характер широкополосных сигналов вызывает проблемы потому, что результирующие шумоподобные искажения ухудшают характеристики системы в широком диапазоне частот.
Эти эффекты подчеркивают важность измерения интермодуляционных искажений в широкополосных системах. Существует несколько способов измерения интермодуляционных искажений, но, к сожалению, разные подходы могут дать сильно отличающиеся результаты.

Простой воспроизводимый подход заключается в применении двухтонального интермодуляционного метода третьего порядка, известного как IP3. Этот метод измеряет искажения третьего порядка, вызванные нелинейными элементами.
Применение узкополосных (например, двухтональных) воздействующих сигналов имеет два основных недостатка: неудобство и несовершенство. Неудобство заключается в том, что широкополосное измерение приходится составлять из длинной последовательности двухтональных тестов. Это отнимает очень много времени. Несовершенство же заключается в том, что узкополосные воздействующие сигналы не похожи на реальные сигналы. В результате поведение тестируемой схемы, устройства или системы отличается от поведения в реальных условиях. Кроме того, этот метод не дает достаточного объема данных для определения BER.
В отличие от этого, метод КМШ использует широкополосные воздействующие сигналы и создает большие пиковые значения, которые нагружают или «высвечивают» коммуникационный канал точно так же, как и реальные сигналы. Этот метод позволяет очень точно воспроизвести интермодуляционные эффекты, связанные с наличием нескольких несущих, и оценить величину BER в условиях «реального трафика». Первое применение метод КМШ нашел еще в 1950-х гг., и в настоящее время он выступает в роли критерия качества для оценки характеристик усилителей мощности, передатчиков и приемников, использующих полупроводниковые приборы или лампы бегущей волны.
Для применения метода КМШ необходим источник сигнала, способный генерировать аддитивный белый гауссов (AGWN) или узкополосный гауссов шум (NBGN). Такие сигналы можно генерировать аналоговыми или цифровыми методами. В любом случае характеристики воздействующих сигналов влияют на качество результатов измерения.
Для измерения КМШ используемый сигнал AGWN или NBGN должен иметь просечку, из которой удалена часть частотного спектра (см. рис. 1). Этот сигнал подается на тестируемое устройство, и результирующий выходной сигнал измеряется анализатором спектра или сигналов. Любая нелинейность тестируемого устройства вызывает появление спектральных составляющих в соответствующей просечке выходного сигнала (см. рис. 2). Рассчитанное значение КМШ представляет собой отношение средней мощности в просечке к средней мощности в эквивалентной полезной полосе входного сигнала.

Рис. 1. Просечка в спектре входного сигнала помогает выявить нелинейности тестируемого устройства.

Рис. 2. Для расчета КМШ используются спектральные составляющие, уменьшающие глубину просечки в выходном сигнале

Хотя разные аналоговые и цифровые методы дают эквивалентные результаты, анализ показал, что цифровые методы лучше в смысле воспроизводимости результатов и скорости тестирования. Эти преимущества важны как в лабораторных условиях, так и в условиях производства.
Аналоговый метод использует в качестве воздействующего сигнала белый шум. Сигнал белого шума является непрерывным, и форма его спектра определяется фильтрами, которые используются для ограничения полосы. В результате получение воспроизводимых результатов для разных тестируемых устройств или испытательных систем весьма затруднено. Отчасти эта проблема решается путем увеличения периода усреднения в измерительном приемнике, но это приводит к увеличению общего времени измерения.
В отличие от этого, цифровой метод использует для генерации воздействующих сигналов ГСПФ, что создает более детерминированные условия, чем белый шум (см. рис. 3). Необходимый воздействующий сигнал содержит серию равноотстоящих дискретных тональных сигналов со случайными фазовыми сдвигами.

Рис. 3. Для создания воздействующего сигнала с требуемыми характеристиками при выполнении измерений по методу КМШ используется векторный генератор сигналов и генератор сигналов произвольной формы

Наиболее подходящие ГСПФ позволяют создавать сигналы, точно воспроизводящие полезный трафик системы и в то же время обеспечивающие воспроизводимость измерения. Для этого ГСПФ должен обеспечивать управление ключевыми параметрами воздействующего сигнала: числом спектральных линий и расстоянием между ними, общей формой спектра, глубиной и шириной просечки (рекомендуется 1—10% от общей полосы шумового сигнала) и такими статистическими характеристиками как комплементарная интегральная функция распределения (CCDF).
Цифровой метод обладает тремя важными преимуществами. Во-первых, это точность: поскольку КМШ является относительным измерением, он позволяет избавиться от многих погрешностей. Базовая точность измерения определяется динамической точностью анализатора спектра или сигналов, который используется для измерения выходного спектра тестируемого устройства.
Два других преимущества заключаются в воспроизводимости результатов и сокращении времени тестирования. В таблице 1 показаны три группы измерений, выполненные с различными параметрами. Во всех случаях КМШ демонстрирует стабильные результаты с очень малым стандартным отклонением.

Время измерения меняется, но основным определяющим фактором является число усреднений. Отсюда следует, что основным компромиссом метода КМШ является зависимость необходимой стабильности показаний от ожидаемой производительности испытательной системы.

По мере развития методов цифровой модуляции и обработки сигналов, скорости передачи данных в коммерческих и военных широкополосных системах будут постоянно возрастать. Перспективные системы на основе LTE и WiMAX™ будут стимулировать расширение полосы и улучшение характеристик, что приведет к дальнейшему росту значимости измерений по методу КМШ.