Сигналы с цифровой модуляцией за-полняют окружающее пространство и передаются почти по каждой проводной и оптической сети. В настоящее время практически все беспроводные сервисы используют различные сложные схемы модуляции сигнала несущей. Непрерывное совершенствование методов модуляции и элементной базы, а также достижения в разработке кодов с коррекцией ошибок, увеличили пропускную способность каналов связи и приблизили её к фундаментальному пределу, установленному теоремой Шеннона-Хартли.
Пропускная способность и эффективность приёма-передачи были ещё в большей степени улучшены за счёт реализации чрезвычайно гибких схем множественного доступа, а также в результате внедрения новых стратегий передачи данных, таких как технология MIMO (множественный вход, множественный выход), в которой используется несколько антенн как для передачи данных, так и для приёма. Кроме того, всё больше и больше продуктов и сервисов для обеспечения надлежащего функционирования используют возможности одной или сразу нескольких беспроводных технологий по мере снижения их стоимости.
Современные генераторы сигналов произвольной формы с высокими характеристиками могут легко реализовывать модулирующие, ПЧ- и даже ВЧ-сигналы при гораздо меньших затратах и имеют возможность генерировать различные аналоговые и цифровые сигналы, что недоступно для обычных генераторов ВЧ-сигналов. Недорогие генераторы сигналов произвольной формы обычно построены на удобной и гибкой архитектуре прямого цифрового синтеза (DDS). К сожалению, некоторые фундаментальные ограничения технологии DDS делают генераторы сигналов произвольной формы, построенные на её основе, почти бесполезными для генерации высококачественных (или хотя бы пригодных для использования) ПЧ/ВЧ-сигналов или широкополосных модулирующих сигналов. Новая технология Trueform значительно изменила рынок недорогих средств генерации сигналов беспроводной связи. Основная цель этого обзора – на примере современных приборов серии 33500B/33600A компании Keysight показать особенности использования современных генераторов для создания сложных модулированных сигналов.
Особенности архитектуры Trueform
Новые генераторы сигналов, построенные на основе архитектуры Trueform, предлагают гибкость и все преимущества технологии DDS без каких-либо присущих ей недостатков. Сравнение технологий DDS и Trueform приведено на рисунке 1.
Способ, с помощью которого традиционные архитектуры DDS обращаются к памяти сигналов, приводит к неприемлемому для генерации модулированных сигналов уровню джиттера. Новая архитектура устраняет джиттер, поскольку сигнал, сохранённый в памяти, фильтруется, интерполируется и восстанавливается в реальном времени. На рисунке 2 показано сравнение диаграмм сигнальных созвездий и спектров, полученных с использованием технологии DDS и технологии Trueform.
С точки зрения качества модуляции и качества спектра различия достаточно существенны. Следует отметить и разницу 20 дБ в динамическом диапазоне. Эллиптическое распределение точек в диаграмме сигнального созвездия, полученного для сигнала генератора с архитектурой DDS, говорит о наличии джиттера в виде фазового шума в модуляционной области.
При использовании архитектуры Trueform улучшение характеристик достигается посредством интерполяции выборок, сохранённых в памяти сигнала, в реальном времени. Эта операция осуществляется внутри блока цифровой обработки сигналов (ЦОС), содержащего фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Таким образом, джиттер, связанный с привязкой сохранённых в памяти выборок сигналов к конкретным моментам времени, может быть практически исключён без необходимости увеличения их исходного разрешения. Благодаря этому сохраняется глубина памяти сигналов и расширяется потенциальное временное окно воспроизведения сигнала. Частота среза и форма характеристики фильтра настраиваются так, чтобы спектральный состав результирующего сигнала можно было в точности воспроизвести цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) прибора. Наконец, отфильтрованный и представленный с повышенной частотой дискретизации сигнал будет «прорежен» для того, чтобы соответствовать фиксированной частоте дискретизации ЦАП. Так как все выборки поступают в блок обработки, эту конфигурацию можно рассматривать как систему повторной дискретизации, которая работает в реальном времени и будет всегда использовать все имеющиеся выборки. Детали сигнала, которые могут быть случайно пропущены или неправильно синтезированы в традиционных генераторах на базе технологии DDS, теперь будут отображаться надлежащим образом и с малой величиной джиттера. Архитектура Trueform обеспечивает намного более длительную эквивалентную длину записи благодаря реализации процесса интерполяции в реальном времени.
Цифровой фильтр нижних частот, работающий в реальном времени, можно также использовать для улучшения временной или частотной характеристик выхода. Например, в случае с генераторами сигналов серии 33500B/33600A, сочетание высокой частоты дискретизации относительно полосы пропускания прибора (избыточная дискретизация) и хорошего аналогового интерполяционного фильтра на выходе в результате приводит к получению чистого сигнала без зеркальных составляющих. Цифровой фильтр предназначен для коррекции АЧХ цифроаналогового преобразователя. Доступны два режима фильтрации:
- фильтр с крутым срезом для равномерной АЧХ (например, для генерации I/Q, многотональных или ПЧ-сигналов);
- фильтр Бесселя для получения переходной характеристики с быстрым временем нарастания, но без каких-либо затухающих колебаний (например, для генерации импульсов или кодовых комбинаций).
Для генерации модулированных сигналов лучше всего подходит равномерная АЧХ, т.к. равномерность очень важна для получения хорошей точности модуляции.
Затухающие колебания больше не являются проблемой для модулированных сигналов, будь это модулирующие или ПЧ/ВЧ-сигналы, поскольку сигналы уже ограничены по полосе и, как следствие, имеют лишь незначительный уровень собственных затухающих колебаний. Равномерная АЧХ в большинстве ситуаций делает ненужной любую коррекцию сигнала. Она также расширяет динамический диапазон и улучшает согласование характеристик каналов, что является важным свойством для генерации модулированных сигналов. Качество генерации сигналов с несколькими несущими тоже повышается, так как модуляции и/или уровни сигнала становятся более согласованными по всем каналам.
По ряду причин архитектура True-form чрезвычайно полезна для генерации сигналов в тех случаях, когда качество, как в частотной, так и модуляционной областях, особенно важно:
- повторная дискретизация в реальном времени удаляет джиттер из сигнала независимо от выбранной частоты дискретизации;
- частота среза АЧХ-фильтра нижних частот с конечной импульсной характеристикой предотвращает проявление любых эффектов наложения спектров в выходном сигнале;
- равномерная АЧХ, полученная в результате коррекции с использованием цифровой обработки сигналов, обеспечивает высокое качество генерации модулированных сигналов (как модулирующих, так и ПЧ/ВЧ-сигналов), не требуя предварительной коррекции сигналов и сложной калибровки АЧХ;
- высокая степень избыточной дискретизации (частота дискретизации 250 мегавыборок/с для ширины полосы пропускания 30 МГц), процесс повторной дискретизации в реальном времени для поддержания постоянной частоты дискретизации для ЦАП и высокое качество аналогового восстанавливающего фильтра нижних частот – всё это в результате позволяет получить сигналы без побочных и паразитных состав-ляющих;
- согласование характеристик и синхронизация работы двух каналов обеспечивается на высшем уровне, что позволяет генерировать модулирующие сигналы высокого качества. Превосходные характеристики тактового сигнала с фиксированной частотой дискретизации минимизируют уровень фазового шума в сигнале.
В отличие от традиционных генераторов на базе технологии DDS, приборы, описываемые в статье, имеют почти такие же возможности управления, как генераторы «истинных сигналов произвольной формы». Это позволяет пользователям не только устанавливать любую требуемую частоту дискретизации для цифроаналоговых преобразователей, но и использовать преимущество архитектуры с избыточной дискретизацией, работающей в реальном времени (и, соответственно, получать выходной сигнал, свободный от зеркальных составляющих). Помимо этого предоставляются удобные возможности изменения частоты повторения сигнала без остановки его воспроизведения, что невозможно сделать при использовании архитектуры DDS. Подобно генераторам сигналов на базе технологии DDS, цифроаналоговые преобразователи в генераторах на базе технологии Trueform всегда работают на фиксированной (максимальной) частоте. За счёт этого система тактовых сигналов дискретизации значительно упрощается, а джиттер и стоимость сводятся к минимуму. Джиттер тактового сигнала дискретизации непосредственно переносится на модулированные сигналы в виде фазового шума.
Характеристики генераторов сигналов серии 33500B / 33600А позволяют использовать их при решении множества задач генерации модулирующих и ВЧ-сигналов.
Генерация многотональных сигналов
Многотональные сигналы состоят из набора равноотстоящих по частоте немодулированных несущих. Эти сигналы полезны для определения как линейных (АЧХ), так и нелинейных (интермодуляционные искажения) характеристик любых устройств. Равномерность характеристики и динамический диапазон являются наиболее значимыми особенностями многотональных сигналов. Фазовый шум, вносимый джиттером тактового сигнала дискретизации или традиционными архитектурами DDS, может сделать сигнал бесполезным. Архитектура Trueform является идеальной для генерации этого вида сигналов. Для тестирования коэффициента мощности шума (NRP) используется многотональный сигнал, предназначенный для измерения внутриполосных интермодуляционных искажений, но изменённый посредством удаления некоторых несущих.
Уровень интермодуляционных искажений, добавленный модулятором или усилителем, может быть определён путём измерения уровня нежелательных интермодуляционных составляющих в пределах полосы провала, которая будет отображаться по местонахождению удалённых несущих.
Высококачественный генератор модулированных сигналов общего назначения
Спутниковая связь, линии радиосвязи, беспроводные телефоны, центральные станции кабельного телевидения, устаревшие сети Wi-Fi, системы беспроводной связи малой мощности (например, Zigbee или радиочастотная идентификация – RFID) и многие другие устройства используют относительно простую схему модуляции с передачей на одной несущей. Современные генераторы сигналов произвольной формы, обладающие превосходными параметрами, способны создавать модулированные сигналы с высоким качеством модуляции и отличными частотными характеристиками. Доступный диапазон частот позволяет генерировать сигналы с полосой модуляции до 60 МГц.
Генерация сигналов OFDM
К генерации высококачественных сигналов OFDM (мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов) предъявляются особые требования, поскольку эти сигналы характеризуются высоким отношением максимальной мощности к средней и очень чувствительны к фазовому шуму и нелинейности характеристик передатчика. Кроме того, статистически полезные сигналы требуют генерации последовательностей, включающих как можно больше различных символов. Учитывая продолжительность каждого символа OFDM, для статистически обоснованных сигналов OFDM необходима гораздо большая длина записи, чем в случае схем модуляции с передачей на одной несущей.
Генераторы сигналов серии 33500B, обеспечивающие высокие уровни сигналов, разрешение ЦАП, равное 16 бит, и длину записи 16 мегавыборок, являются идеальными приборами для генерации сигналов OFDM. Наземное ТВ-вещание (DVB-T/T2, ISDB-T, DTMB, DAB, DRM), Wi-Fi (802.11a/g/n), WiMAX и LTE – это лишь некоторые из приложений, для которых можно использовать генераторы данной серии.
Поддержка канального кодирования и содержательных полезных нагрузок
Большинство стандартов беспроводной связи использует канальное кодирование (коды коррекции ошибок). Некоторые тесты требуют генерации специальным образом закодированных сигналов, а в некоторых случаях – передачи конкретных полезных нагрузок. Во многих случаях символы объединяются в кадры заданной длины и/или информация чередуется (то есть, порядок переданных данных изменяется). Например, типичный цифровой сигнал кабельного телевидения (DVB-C) может состоять из несущей с модуляцией QAM (от 16 до 256), но содержательный кадр требует посылки последовательности из восьми пакетов MPEG2 (188 байт полезной нагрузки + 16 байт избыточных данных для обеспечения коррекции ошибок с использованием кода Рида-Соломона). Те же соображения применимы и к системам мобильной связи, таким как UMTS или беспроводным сетям связи (Wi-Fi).
Генерация таких сигналов требует запоминания многих тысяч символов в памяти сигналов. Часто требуется длина записи, значительно превышающая значение в 1 мегавыборку, что недоступно для большинства недорогих генераторов. Генераторы сигналов, описываемые в статье, обладают глубиной памяти сигналов 16/64 мегавыборок для каждого канала и способны удовлетворить любым требованиям канального кодирования. Длина записи в памяти сигналов рассматриваемых генераторов может быть определена с точностью до одной выборки, что предоставляет пользователям полную свободу при настройке длины записи, обеспечивая высокую точность всех временных параметров сигнала, включая частоту несущей и символьную скорость.
Генерация нескольких сигналов
Для тестирования приёмника в реальных условиях эксплуатации требуется добавлять искажения (например, обусловленные многолучевым распространением) и аддитивный белый гауссов шум (AWGN). Поскольку доступная полоса частот спектра часто используется одновременно несколькими сервисами, а эти сервисы могут совместно использоваться многими операторами и пользователями, реалистичная эмуляция может потребовать одновременной генерации нескольких модулированных сигналов, особенно тех, которые расположены в соседних каналах, как это происходит при эмуляции цент-ральных станций кабельного телевидения (см. рис. 3).
Некоторые стандарты беспроводной связи даже предусматривают возможность одновременной работы в пределах одной и той же полосы. Например, беспроводные сервисы, такие как Wi-Fi и Bluetooth, могут совместно использовать диапазон частот для промышленных, научных и медицинских организаций (ISM) с центральной частотой 2,45 ГГц. При этом оба сервиса должны поддерживать работоспособность в условиях помех. В настоящее время устройства, излучающие и принимающие сигналы нескольких стандартов беспроводной связи (например, любой смартфон способен одновременно работать с сигналами стандартов GSM, UMTS, Wi-Fi, Bluetooth и GPS), являются широко распространёнными, а обеспечение функциональной совместимости является очень важным требованием при их разработке. В целях уменьшения габаритных размеров и стоимости, всё больше и больше усилителей мощности в передатчиках (например, UMTS Node-B или DVB-T) предназначаются для одновременной работы с несколькими каналами. Генераторы сигналов произвольной формы являются идеальными приборами для создания таких сложных сценариев, поскольку позволяют одновременно математически добавить и сгенерировать несколько похожих или отличающихся сигналов.
Генерация пакетных сигналов
Многие современные беспроводные сервисы используют сложные протоколы подключения к устройству для установления связи с ним или управления передачей обслуживания. Некоторые из них подразумевают использование прерывистого обмена данными с относительно длительными периодами неактивности между передачами пакетов информации. Периоды неактивности могут быть как короткими (несколько микросекунд или даже меньше), так и длинными (несколько секунд). Единственным способом управления сценариями эмуляции таких сигналов с помощью коммерческих генераторов сигналов является использование функции задания последовательностей, которая доступна только в генераторах с архитектурой «истинных сигналов произвольной формы» высшего класса. Традиционные генераторы сигналов на базе технологии DDS не поддерживают задание последовательностей, поскольку способ, с помощью которого они обращаются к памяти, не позволяет легко устанавливать связь между различными сегментами. Современные генераторы, использующие технологию Trueform, не имеют этого недостатка. Так, например, генератор сигналов 33522B позволяет запомнить до 32 последовательностей, которые могут включать до 512 сегментов.
Заключение
Технология Trueform сохраняет преимущества технологии DDS и устраняет все её недостатки, позволяя создавать высококачественные модулирующие и модулированные ПЧ/ВЧ-сигналы. В большей степени это относится к генерации сигналов с низким уровнем джиттера, необходимых для беспроводных приложений. Архитектура Trueform по своим возможностям даже превосходит архитектуры генераторов «истинных сигналов произвольной формы», которые используются в приборах высшего класса, поскольку избыточная дискретизация и фильтрация на основе ЦОС позволяют пользователям получать сигналы без зеркальных составляющих и выбрать прибор с самой лучшей амплитудно-частотной и переходной характеристикой для данного приложения.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
