Измерение коэффициента мощности шума с помощью реальных сигналов

Коэффициент мощности шума (КМШ) является одним из основных показателей искажений, вносимых активными компонентами, например усилителями. Впервые его стали применять в 1930­х годах для проверки аналоговых телефонных каналов с частотным уплотнением (FDM) и применяют до сих пор, поскольку он позволяет оценить интермодуляционные искажения, порождаемые нелинейными компонентами. Искажения, определяемые КМШ, являются внутриполосными, поэтому их нельзя отфильтровать. А поскольку они нелинейные, их нельзя скорректировать за счёт предыскажений.

В традиционных измерениях КМШ в качестве воздействующего сигнала используют шум с распределением, близким к гауссовскому. Однако большинство сигналов, передаваемых по спутниковым каналам связи, имеют более консервативный профиль мощности, чем у гауссовского шума, с меньшим пик­фактором и более узким переходом в дополнительной функции распределения мощности (CCDF). В результате традиционный способ измерения КМШ может привести к завышенной оценке искажений, возникающих в процессе работы оборудования. Чтобы избежать этих погрешностей, был предложен метод испытаний, основанный на спектральной корреляции, позволяющий измерить КМШ с помощью реальных сигналов.

В спутниковых каналах связи разработчики всегда стремятся повысить мощность усилителей передатчиков. За счёт большей мощности достигается бо¢льшее отношение сигнал­шум (С/Ш) в приёмнике наземной станции, что, в свою очередь, позволяет увеличить скорость передачи данных в канале. Поскольку эти усилители работают на краю линейного диапазона, дальнейшее повышение мощности приводит к росту искажений. Относительным показателем качества усилителя является значение КМШ при заданном уровне мощности. 

Традиционное измерение КМШ

На рисунке 1 показан спектр испытательного сигнала для традиционного способа измерения КМШ, имеющий постоянное значение спектральной плотности мощности в рабочей полосе частот исследуемого устройства с просечкой в середине полосы. 

В области просечки спектральная плотность мощности значительно ниже, чем в остальной интересующей области. Такой испытательный сигнал формируется либо широкополосным генератором шума со специальными фильтрами, либо генератором сигналов произвольной формы. Принцип измерения очень прост: нелинейность исследуемого устройства вызывает интермодуляционные искажения, которые приводят к перераспределению энергии сигнала по спектру как в исследуемой полосе частот, так и за её пределами. Часть этой энергии попадает в область просечки. Поскольку изначально уровень сигнала в просечке очень мал или равен нулю, можно выделить и измерить интермодуляционные искажения, порождаемые исследуемым устройством.

Пример результатов, полученных в ходе измерений, показан на рисунке 2. Жёлтая кривая соответствует сигналу на входе испытуемого устройства, а голубая – на его выходе. «Пьедестал» определён очень чётко, уровень спектральной плотности мощности испытательного сигнала (жёлтая кривая) в области просечки очень мал. После прохождения через усилитель (голубая кривая) этот уровень в области просечки заметно повышается. Отношение мощности сигнала в просечке к мощности «пьедестала» является результатом измерения КМШ [1].

Уровень искажений сильно зависит от мощности сигнала, что придаёт особую важность такой характеристике испытательного сигнала, как профиль мощности. Испытательный сигнал является широкополосным, мощность сигнала для большинства используемых сигналов изменяется во времени. Существует множество способов сопоставления этих изменений со средним уровнем сигнала, например используется пик­фактор, равный отношению пиковой мощности к средней (PAPR). Однако в этом случае наиболее полезной характеристикой является кривая CCDF (см. рис. 3). 

Эта кривая, которую называют профилем мощности сигнала, показывает период времени, в течение которого мощность сигнала превышает заданный уровень. Например, зелёная кривая на рисунке 3 показывает, что мощность сигнала превышает среднюю мощность сигнала минимум на 6 дБ в течение 2% времени.

Уровень искажений сильно зависит от мощности входного сигнала. Таким образом, для правильной интерпретации результатов необходимо учитывать профиль мощности испытательного сигнала. Традиционный испытательный сигнал для измерения КМШ представляет собой аддитивный белый гауссовский шум (AWGN). Профиль мощности такого сигнала близок к гауссовской дополнительной функции распределения. Зелёная кривая показывает (см. рис. 3), как выглядит такой сигнал на графике функции распределения CCDF.

Рабочий сигнал испытуемого устройства может иметь профиль мощности, значительно отличающийся от профиля AWGN. Традиционный испытательный сигнал для измерения КМШ изначально использовался для характеризации аналоговых устройств, применявшихся в телефонных сетях в ХХ веке. Эти устройства работали с большим количеством каналов с узкополосными сигналами, которые в группе имели профиль мощности, близкий к профилю мощности AWGN. Многие сигналы с модуляцией OFDM (мультиплексирование с ортогональным делением частот) имеют похожий профиль, потому что, как и в старых телефонных сетях, состоят из большого числа узкополосных сигналов с разными несущими. Но сигналы с одной несущей обладают профилем мощности, значительно отличающимся от профиля мощности AWGN.

Во многих случаях такие сигналы выбираются специально, поскольку их профиль мощности приводит к меньшим искажениям при передаче. Это, безусловно, относится к отдельным сигналам с модуляциями QPSK, QAM и APSK. Это справедливо и для сигналов с несколькими несущими. Недавно были предложены новые схемы модуляции (например, OFDM с распределением DFT), которые модифицируют модуляцию OFDM для снижения пик­фактора и искажений при передаче.

Именно профиль мощности сигнала оказывает влияние на искажения при прохождении через исследуемое устройство, поэтому отличие профилей мощности испытательного и рабочего сигналов может привести к неправильной интерпретации результатов испытаний. Красная кривая на рисунке 3 показывает профиль мощности для типичного сигнала с модуляцией 64QAM с одной несущей. Этот сигнал имеет явно меньший диапазон уровней мощности, чем AWGN, и никогда не превышает средний уровень мощности более чем на 6 дБ. Скорее всего, измерение КМШ с помощью такого сигнала даст совершенно иные результаты по сравнению с AWGN. 

Метод спектральной корреляции

Создатели метода спектральной корреляции ставили перед собой задачу измерения КМШ с использованием испытательного сигнала, близкого по свойствам к рабочему сигналу испытуемого устройства.

Суть этого метода заключается в одновременном измерении входного и выходного сигналов испытуемого устройства и их сравнении во всей интересующей полосе частот. В линейной системе такое сравнение позволяет получить амплитудно­частотную характеристику (АЧХ) испытуемого устройства. В нелинейной системе присутствуют два дополнительных фактора: компрессия и интермодуляция. Компрессия вызывается ограничением мощности выходного сигнала устройства и может быть представлена как переход энергии составляющих сигнала в их гармоники. Интермодуляционные искажения можно представить как переход энергии сигнала в комбинационные составляющие его компонентов. КМШ определяется именно интермодуляционными искажениями.

Для разделения продуктов влияния указанных факторов необходимо воспользоваться существующими между ними различиями: результаты компрессии коррелируются с составляющими входного сигнала, а интермодуляционные искажения – нет. Определяя корреляцию входного и выходного сигналов, можно отделить результаты компрессии и интермодуляционных искажений.

Измерение

Измерение КМШ методом спектральной корреляции было реализовано в виде приложения для измерения искажений модуляции для векторного анализатора цепей Keysight PNA­X [2]. Это приложение используется для измерения искажений с помощью традиционного испытательного сигнала и испытательного сигнала с модуляцией 64QAM на одной несущей. На рисунке 4 показаны результаты измерений, полученных этими двумя способами. В обоих случаях для формирования испытательных сигналов применялся генератор сигналов произвольной формы.

Необходимо обратить внимание на два важных момента. На рисунке 4а показаны три кривые. Жёлтая кривая соответствует входному сигналу испытуемого устройства, голубая кривая – выходному (как и на рис. 2). Фиолетовая кривая представляет собой результат расчёта интермодуляционных искажений методом спектральной корреляции. Как видно из рисунка, эта кривая совпадает с кривой для выходного сигнала в области просечки, что демонстрирует эквивалентность результатов измерений КМШ традиционным методом и методом спектральной корреляции. Метод спектральной корреляции позволяет определить уровень интермодуляционных искажений даже в той области спектра, где нет просечки. В результате просечка в испытательном сигнале для измерения КМШ больше не нужна. Это позволяет использовать в качестве испытательных самые разные сигналы, близкие по характеристикам к рабочим сигналам испытуемого устройства.

На рисунке 4б показаны результаты измерения КМШ того же устройства, но с помощью испытательного сигнала с модуляцией 64QAM. Поскольку этот сигнал имеет более консервативную кривую профиля мощности, искажения получаются меньше. Полученное значение КМШ при этом на 4 дБ меньше, чем при использовании традиционного метода.

Искажения реального сигнала испытуемого устройства оказываются меньше, чем это показывает традиционный метод измерения КМШ. Метод спектральной корреляции наглядно демонстрирует разницу.

Использование метода спектральной корреляции позволяет применять для характеризования искажений рабочие сигналы устройств, что позволяет получить при характеризации устройств нелинейные искажения той же природы, что и в случае работы устройства в реальных условиях. Впрочем, традиционный метод измерения КМШ может всё ещё пригодиться для сравнения однотипных компонентов. 

Литература

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!