Gdy liczy się czas – mierniki mocy RF w pomiarach sygnałów szybkozmiennych
22 lipca 2022Pomiary skuteczności ekranowania
25 lipca 2022
Najnowszy standard sieci bezprzewodowej określany jako Wi-Fi 6 (802.11ax) wprowadza nowe rozwiązania technologiczne niwelujące niedociągnięcia poprzednich generacji. W konsekwencji niniejsze udoskonalenia techniczne stanowią wyzwanie dla możliwości testowania sieci Wi-Fi, w tym pomiarów mocy RF. Ponieważ konwencjonalne metody nie są w stanie w pełni scharakteryzować nowoczesnych chipsetów i urządzeń standardu Wi-Fi 6, pomiary współczynnika szczytu oraz inne pomiary statystyczne, takie jak generowanie funkcji CCDF (Cumulative Distribution Function ) okazują się być cennymi narzędziami analitycznymi, które są w stanie sprostać nowym wymaganiom pomiarów mocy Wi-Fi.
Cyfrowo modulowane sygnały takie, jakie używane są w transmisjach Wi-Fi, w dziedzinie czasu wyglądają jak szum pomiarowy. Dlatego też typowe pomiary, takie jak moc średnia często nie są wystarczające. Przykładowo pomiary mocy szczytowej pojawiły się jako bardziej użyteczny środek analizy i umożliwia on obliczenie omawianego dzisiaj współczynnika szczytu. Współczynnik szczytu określany jest również jako stosunek mocy szczytowej do mocy średniej (PAPR). Współczynnik szczytu jest więc stosunkiem amplitudy szczytowej sygnału do jego mocy średniej, co pomaga inżynierom zrozumieć zachowanie i parametry sygnału RF. Standard Wi-Fi 6 z natury posiada wysoki współczynnik szczytu ze względu na jego zdolność do przenoszenia (nośnych) i modulacji każdej z nich (1024-QAM). W poniższym przykładzie (Rysunek 1) tylko cztery nośne częstotliwości są użyte w celu zilustrowania jak niniejsze przebiegi i ich modulacja mogą wpływać na wielkość współczynnika szczytu sygnału. Ciemnoniebieski przebieg reprezentuje zsumowany sygnał wszystkich czterech tonów, co pokazuje ze moc szczytowa jest bardzo duża.
Rysunek 1: Suma czterech sinusoidalnych nośnych skutkuje wysoką mocą szczytową.
Dzisiejsi inżynierowie stosują technologie, które wspierają rosnące zapotrzebowanie na coraz to wyższe szybkości transmisji danych. Powoduje to więc ciągłe zwiększanie współczynnika szczytu sygnału RF. Tak podwyższone „normy” mogą zagrozić nieotrzymaniem wiernego sygnału wzdłuż łańcucha komunikacyjnego, powodując niekorzystny wpływ na komponenty (nieliniowość).
W przykładzie przedstawionym na rysunku 2 poniżej liniowość wzmacniacza jest określana poprzez zastosowanie sygnału zmodulowanego oraz pomiar współczynnika szczytu sygnału wejściowego, jak i wyjściowego (z wykorzystaniem czujnika mocy szczytowej). Współczynniki szczytu na wykresie po lewej są bardzo zbliżone, co wskazuje na liniowość pracy wzmacniacza. Jednak wykres po prawej pokazuje pewną rozbieżność pomiędzy współczynnikami szczytu co wskazuje na nieliniową pracę wzmacniacza.
Rys. 2 Bardzo podobne współczynniki szczytu sygnałów wejściowych i wyjściowych potwierdzają liniowość wzmacniacza (po lewej), natomiast różne współczynniki szczytu wskazują na jego nieliniowość (po prawej).
Seria urządzeń USB RTP5000 służąca do pomiarów mocy szczytowej RF firmy Boonton to sprzęt idealnie nadający się do pomiarów współczynnika szczytu sygnałów Wi-Fi o szerokim paśmie. Używając oprogramowania Boonton Power Analyzer użytkownicy mogą łatwo określić maksymalny współczynnik szczytu sygnału przykładowo Wi-Fi.
Aby jeszcze lepiej zdefiniować zmodulowany sygnał Wi-Fi, to poza wskazaniem maksymalnego współczynnika szczytu inżynierowie mogą zobaczyć również funkcję CCDF. Na osi x wykresu funkcji CCDF przedstawiona jest średnia moc (wyrażona w dB) sygnału RF. Oś y wykresu wskazuje natomiast częstotliwość (prawdopodobieństwo wyrażane często w procentach) występowania mocy sygnału.
Ważne jest to, aby zauważyć, że wykres funkcji CCDF może dać dokładniejszy obraz o kompresji sygnału w porównaniu do powszechnie stosowanej metody śledzenia zmian wzmocnienia przy różnych poziomach mocy. Chociaż jest to popularne podejście, to może ono zwodniczo pokazać bardzo niewielkie redukcje mocy podczas, gdy krzywa CCDF może ujawnić prawdziwy obraz kompresji sygnału.
Dla przykładu poniżej (rysunek 3) przedstawiliśmy funkcję CCDF. Przy współczynniku szczytu ustawionym na wartość 0,01% wykres po lewej stronie potwierdza liniowe działanie badanego układu, ponieważ krzywe współczynnika szczytu na wejściu CH1 (żółta) i wyjściu CH2 (niebieska) są niemal identyczne przez 99,9% czasu. Na wykresie po prawej stronie zwiększono wzmocnienie wzmacniacza, powodując różnicę w pomiarach współczynnika szczytu, co wskazuje na kompresję sygnału wyjściowego i nieliniowość wzmacniacza.
Rys. 3: Wykresy CCDF mogą ujawnić liniowe działanie układu (po lewej) lub kompresję badanego sygnału (po prawej).
Seria RTP5000 firmy Boonton oraz oprogramowanie Boonton Power Analyzer umożliwia analizę statystyczną CCDF przebiegów sygnałowych Wi-Fi, jak również uzyskanie dodatkowych danych sygnału w celu wykrycia kompresji. Czujniki serii RTP5000 firmy Boonton współpracują również z miernikiem mocy PMX40 RF, zapewniając wszechstronność i wydajność. Miernik stacjonarny oferuje "tryb statystyczny", który w przejrzysty sposób kreśli krzywe CCDF zapewniając dokładną ocenę wydajności chipsetu Wi-Fi.
