ג’ון הנסון, Agilent Technologies
מטרת ביצוע סימולציית אותות RF היא ליצור סביבת בדיקה אובייקטיבית שתניב תוצאות מדידה מדוייקות וניתנות לשחזור מדויק. לכן ציוד הבדיקה הנבחר משפיע על גורם אי ודאות המדידה של היחידה הנבדקת (DUT = Device Under Test) חייבים למזער את גורם אי הודאות. צעד מרכזי בתהליך זה הוא אופטימיזציה של איכות האות המשמש לעירור הבדיקה. הנושא הופך להיות קריטי יותר ככל שרוחב הפס של אות הבדיקה נדרש להיות רחב יותר כדי לתמוך בדרישות לביצועים הולכות וגוברות כגון קצבי נתונים גבוהים יותר במערכות תקשורת או רזולוציה טובה יותר במגוון מערכות מכ”ם.
ישנם מספר סוגים שונים של שגיאות בהן נתקלים בעת יצירת אותות בדיקה מאופננים וקטורית רחבי פס. כאן נתמקד בפתרון נושאים סביב לנתיב IQ modulation. (ראה איור מס’ 1) של אותות baseband waveforms על גל נושא RF או מיקרוגל שמפיק תוצרי non-linear intermodulation של אותות בדיקה multi-tone.
איור מס' 1. תרשים של ייצור אות וקטורי באמצעות IQ modulator
איור מס' 2. I and Q mismatch of baseband path
קיימים פתרונות כדי לנטרל את הפגמים כדי להפיק ולבדוק את האיכות הגבוהה ביותר של אות עירור באמצעות signal conditioning וטכניקות predistortion וכמו כן התאמות של ניתוב אות baseband. טכניקות אלו יכולות להיות מיושמות בייצור של גלים וקטוריים על ידי ביצוע שינויים בקובץ ה- IQ waveform file שנטען לתוך הזיכרון של ה- arbitrary waveform generator או באמצעות החלת שינויים אדפטיבית בזמן אמת.
עיכוב ו- SKEW בנתיב IQ
Images יכולות להופיע במערכות המשתמשות במאפנני IQ והן ניכרות בבירור באותות שאינם סימטריים ביחס לתדירות גל ה- carrier .IQ images אלה מופיעות כאשר יש Delay במסלול הבלתי שווה בין אותות I) in phase) ו- Q) quadrature) הנכנסים ל- IQ modulator. אם קיים עיכוב זמן (time delay) בין שני האותות, אפקטיבית הם כבר לא בתצורת ריבוע (quadrature) ומופיעות Images. גם כאשר תגובת המשרעת והפאזה של מסלולי ה- I וה- Q אינם מתואמים ו/או אפנן ה- IQ בעצמו גורם להטיית פאזה כך שה- I וה- Q אינם בדיוק בתצורת ריבוע (ראה איור מס’ 2) ייווצרו Images.
ניתן לשפר IQ images עם התאמות קלות כדי ליישר את עיכוב הנתיב (path delay) בין אותות IQ ועל ידי ביצוע התאמות פאזה ל- IQ modulator ל- GAIN ולהטיית הפאזה. עם זאת, לא ניתן להסיר לחלוטין IQ images באמצעות שיטות אלה בלבד. זו היא תוצאה של תלות חזקה באי-תיאום לתגובת משרעת ופאזה במסלולי אותות IQ. שתי טכניקות predistortion נפוצות יכולות לשמש גם כדי לטפל ב- IQ images. הניסיונות הראשונים לאפיין את מסלולי אותות IQ ולתאם את תגובת המשרעת ופאזה באמצעות Predistortion Waveform השני מייצר אות ביטול המוטה ב-180 מעלות יחסית לתוצר ה-image.
שיפור איכות האות כתוצאה מכך שימושית עבור יישומים רבים, כולל צמצום חוסר הוודאות ב- multitone ובמדידות עיוותים של Noise Power Ratio , שיפור ביצועי Adjacent Channel Power Ratio עבור ייצור אותות multicarrier וצמצום שגיאת ה- Error Vector Magnitude באותות בדיקה מאופננים דיגיטלית.
איור מס' 3. השפעת predistortion על אות RF. (שיפור של 54dB בצמצום Images בתחום של 100MHz)
איור מס' 4. Reduction of non-linear distortion (dB reduction in IMD products over 20MHz bandwidth)
במישור התדר IQ images, מזוהות באופן ייחודי על ידי פרופיל משרעת בצורת “עטלף כנף” (“bat wing”) מן התדר המרכזי אל הקצוות של תחום רוחב פס אפנון ה- RF, ראה איור מס’ 3. רוב מחוללי האותות הוקטוריים (vector signal generators) מאפשרים למשתמש למזער את ה- IQ path delay and phase skew ידנית, אולם גישה זו דורשת התאמות ומדידות והתהליך יכול לקחת זמן רב. כדי לפתור בעיה זו, כמה מחוללי אות מבצעים את ההתאמה באופן אוטומטי כחלק משגרת כיול ה- IQ שלהם. התאמות אלה יכולות בדרך כלל לשפר את הבבואה על ידי דחייה של 10-20.
טכניקות Predistortion יכולות לחסל כמעט את ה- IQ images (ראה איור מס’ 3). עבור אותו אות ניתן להשיג שיפור של image rejection של מעל 50dB על ידי שימוש באלגוריתם predistortion waveform שיוצר אות בתדר המבטל את ה- IQ image. בשל תלות בזמן, טמפרטורה, תדר והספק, נדרשים תיקונים מעת לעת לקובץ waveform IQ. מספר הפעמים תלוי ביציבות המכשיר ובסביבת ההפעלה שלו.
איור מס' 5. Agilent E8267D PSG wideband IQ modulator bandwidth
איור מס' 6. Equalization of signal amplitude over an 80 MHz bandwidth
עיוות שאינו ליניארי (Non-Linear Distortion)
כתוצאה ממעבר אות ברכיבים הופכי פאזה ורכיבים בעלי פונקציות מעבר לא-לינאריות, נוצרים עיוותי Intermodulation Distortion והרמוניות. IMD הינו ייחודי לעיוותים לא-לינאריים הנגרמים כתוצאה מאפנון פנימי בלתי רצוי בין מספר מרכיבי תדר שמרכיבים את האות. IMD והרמוניות הם הסיבה העיקרית להרחבת הספקטרום in band ו- out band באות עירור הבדיקות. הוא מקטין את ביצועי מערכת המדידות ועשוי להפריע גם לערוצים שכנים.
לא ניתן לתקן עיוות לא-לינארי באמצעות טכניקות Equalization פשוטות הישימות רק לתופעות בתחום הליניארי. ניתן לטפל בעיוות זה אם הוא דטרמיניסטי בטבעו וזה המקרה עם אותות Multitone. כלי תוכנה לפיתוח אותות עירור מסוג Multitone ו- NPR מכילות אלגוריתמים מתקדמים כדי לחסל את ה- IMD באופן אוטומטי. טכניקה זו יוצרת צליל ביטול predistortion בתדר ה- IMD מכיוון שהוא נמצא ב- 180 מעלות מחוץ לפאזה של תוצר העיוות. גישה זו משתמשת ב- Spectrum Analyzer למדוד את ה- IMD של אות העירור המקורי בבדיקה. בהתבסס על המדידות הללו נוצר אות, Waveform Predistorted המשמש להסרת תוצרי ה- IMD In-Band, כמו גם את ה-Out-Of-Band. זה גורם ליצירת אות עירור של עיוות באיכות גבוהה בו ניתן להשתמש בנוחות ובקלות באמצעות מחולל אותות וקטורי יחיד. גישה זו יכולה גם להסיר IMD הנגרם על ידי התקנים נוספים בהגדרת הבדיקה, כולל מגברים הידועים בהשפעה שלילית על הביצועים בבדיקה. הדוגמה שמוצגת באיור 5 מראה שיפור מרשים ובר השגה בביצועי עיוות באמצעות שיטות predistortion . מצד שני, ניתן לטפל בהרמוניות בדרך כלל באמצעות מסננים חיצוניים.
כאשר רוחב הפס של AWGs ממשיך לגדול, ניתן לטפל באופן דומה ביותר בעיוותי out-of-band שאינו ליניארי. רמה זו של ביצועים מפחיתה באופן משמעותי את אי וודאות המדידה שנגרמו בשל ההשפעות של עיוות אות הבדיקה בתחום הלא לינארי.
בתמונה: תיקון שגיאות אותות ניתנים לפתרון באמצעות מספר טכניקות הנטענות לזיכרון ה- Agilent M8190A, AWG המוצג בתמונה.
Group Delay
עבור מערכות תקשורת פס רחב, Group Delay הפך לתופעה חשובה יותר. Group Delay הוא מדד של זמן מעבר האות דרך המערכת בתלות בתדר. זמן המעבר משתנה עבור רכיבי תלויי תדר שונים המרכיבים את האות עקב ברירה סלקטיבית של התדרים שמרכיבים את נתיב המערכת.
ה- Group Delay מחושב על ידי בידול תגובת המערכת לפאזה של האות יחסית לתדר. במילים אחרות, זהו שיעור שלילי של שינוי פאזה יחסית לתדירות ניתן להמיר את החלק הליניארי של תגובת הפאזה לערך קבוע (המייצג את הזמן הממוצע של מעבר האות) לבין סטיות פאזה ליניארי נתפסים כסטיות Group Delay קבוע. Group Delay משתנה על פני רוחב פס גורם לתגובת הפאזה הלינארית וגורם לעיוות האות, כגון הפרעה של Inter Symbol Interference ועלייה של Error Vector Magnitude.
ה- Group Delay הינו רק דרך הסתכלות נוספת על עיוות פאזה לינארי. ניתן להפעיל predistortion על האות שאחראי על פונקציית התמסורת במסלול האות כדי לתקן Group Delay.
RF Amplitude Flatness
עם העלייה ברוחב הפס של האות ה- Output Power Flatness, משפיע על רמת דיוק העוצמה. תנודות maximum power flatness של האות על פני טווח התדר שלו במחולל האות יכול להשפיע על Amplitude Flatness של מחוללי אות RF wideband . מעגל בקרת עוצמה אוטומטית (ALC) מווסת את רמות העוצמה רק בתוך רוחב פס מסוים על עקומת העוצמה. לכן, בעוד שהעוצמה הממוצעת היא עדיין מדויקת עבור אותות פס רחב ביותר, נפגע דיוק העוצמה בשולי תחום התדר עקב אדווה במחולל האותות.
באופן אידיאלי משרעת ה- RF תהיה שטוחה על פני כל רוחב הפס של האות ללא תלות בתדר גל הנושא. למרבה הצער, RF amplitude flatness משתנה בהתאם לתדר המרכזי. למרות שבמחוללי אותות רבים ייתכן דיוק ברמה של 0.5 או פחות, אין זה אומר כי רוחב הפס הוא שטוח על פני טווח תדר שלם.
לתגובת התדר של אפנן IQ תפקיד משמעותי ב- amplitude flatness גם כן. ל- Wide band IQ modulators יש תנודות משמעותיות בתגובה. במקרה זה האפנן מאופיין על פני תחום של 2 סביב נושא של 12 ומראה שינוי של 3dB.
כמו שגיאת פאזה, גם שגיאת amplitude flatness ניתן לשפר באמצעות predistortion. זה דורש אפיון של amplitude response של מסלול האות וליישם pre-emphasis על צורת הגל, כדי לפצות על תנודות משרעת. בגלל amplitude response של הגנרטור תלוייה בתדר גל הנושא, יהיה צורך במקדמי predistortion חדשים ליישום עבור תדרי גל נושא שונים. תגובת amplitude flatness חשובה עבור יישומים רבים, כולל wideband וייצור אות multicarrier ובבדיקות Multitone Distortion.
כדי להמחיש זאת, ניתן לבחון את RF amplitude flatness לפני ואחרי המדידות predistortion עבור 32-tone test signal. האות תופס 80MHz של רוחב פס RF. כדי להדגיש את RF amplitude flatness בסולם של 0.5dB. לפני predistortion שינוי האמפליטודה הגרוע ביותר בין אותות היה 2.4dB. לאחר predistortion, כל האותות היו בתוך משרעת יחסית של 0.1dB. רמת הדיוק הזו חיונית כדי למזער את אי וודאות במדידה של רכיב שאינו ליניארי. במקום לבצע כוונון ידני של האמפליטודה של כל אות, ניתן להחיל מקדמי predistortion עבור IQ waveform חדש. המקדמים predistortion נגזרים מנתוני המדידה של האות המקורי.
