Измерение радиочастотных параметров беспроводных устройств приёма и передачи информации
Аннотация: Приведены основные параметры радиочастотных трактов систем беспроводной передачи данных, рассмотрены варианты их измерения, подобран наиболее оптимальный по соотношению цена/качество
Статья опубликована в журнале «Электронные Компоненты» №2.
Введение
Скорость построения и дальнейшего масштабирования систем связи, отсутствие необходимости прокладки кабельных каналов, относительно невысокая стоимость, наряду с достаточно высокой устойчивостью связи, определили широкое распространение беспроводных систем связи и передачи информации в современном мире. Областями их применения являются мобильная связь, медицинская техника, промышленная автоматизация, Интернет вещей (IoT) и многие другие беспроводные коммуникационные устройства. На рис. 1 приведён пример использования такой системы в комплексной системе управления домом («Умный дом»), на рис. 2 блок схема взаимодействия в системе Интернета вещей.
Рис.1 Беспроводное управление для «Умного дома»
Рис.2 Схема технологии Интернет вещей (IoT)
Самыми распространенными стандартами передачи данных для систем «Умный дом» и Интернет вещей (IoT) являются: Wi-Fi, Bluetooth и Zigbee.Для стабильной работы этих систем необходимо быть уверенным в безотказной работе передатчика, приемника и антенного тракта. В данной статье рассмотрен оптимальный способ измерения параметров вышеуказанных объектов.
Перечень измеряемых параметров
При вводе в строй, эксплуатации, ремонте, сервисном обслуживании беспроводных систем связи, необходимо контролировать основные параметры радиочастотных устройств, являющихся составными частями этих систем. Критически важными показателями являются:
— выходная мощность передатчика;
— полоса излучаемых частот;
— уровень внеполосных и побочных излучений;
— уровень ошибок модуляции в выходных сигналах передающих устройствах;
— степень согласования приёмных и передающих антенн (КСВН);
— уровень полезного сигнала в точке приёма.
Вариант построения измерительного комплекса
Состав измерительного комплекса, для оценки вышеперечисленных параметров, должен включать в себя:
— анализатор спектра;
— измеритель качественных параметров модуляции;
— измеритель мощности;
— измеритель комплексных коэффициентов передачи (векторный анализатор цепей).
Стоимость такого комплекса будет достаточно высокой, удобство его использования – оставляет желать лучшего. Напрашивается вывод, что предпочтительно иметь в своём распоряжении универсальное измерительное устройство, позволяющее измерять в комплексе целый набор величин. Наиболее удачным решением является использование популярного анализатора спектра реального времени RIGOLRSA5065N со встроенным трекинг-генератором и векторным анализатором цепей. Основные потребительские характеристики этого прибора приведены в таблице 1.
Таблица 1
| Параметр | Значение параметра |
| Режимы анализа спектра | сканирующий (GPSA), реального времени (RTSA) |
| Диапазон рабочих частот | до 6,5 ГГц |
| Разрешение по частоте | 2 Гц |
| Уровень фазовых шумов 10 кГц@500 МГц (тип) | <108дБн/Гц |
| Средний уровень собственных отображаемых шумов (DANL) с включённым предусилителем (тип) | <165 дБн |
| Точность измерения уровня | <0,8 дБ |
| Точка пересечения интермодуляции 3-го порядка TOI | +11 дБм |
| КСВН в рабочей полосе частот | <1,8 |
| Полоса ПЧ (RBW) | 1 Гц ~ 10 МГц |
| Трекинг-генератор | 100 кГц ~ 6,5 ГГц |
| Измерение S11 и S21 (анализ цепей) | 10 МГц ~ 6,5 ГГц |
| Полоса захвата (анализ спектра в режиме реального времени) | 25 МГц, 40 МГц (опция) |
| Минимальное время захвата сигнала с вероятностью захвата сигнала (POI)100 % в режиме RTSA | 7,45 мкс |
Богатый набор поддерживаемых стандартов беспроводной передачи данных (опция RSA5000-VSA) – Wi-Fi (IEEE 802.11), Zigbee, Bluetooth, сотовой связи – GSM, WCDMA, коммуникационных – TETRA,DECT, APCO-25, делает этот прибор незаменимым помощником радиоинженера для работы с приёмопередатчиками беспроводных систем связи большинства стандартов (Рис. 3, 4).
Рис. 3 Режим измерения параметров сигналов с цифровой (квадратурной) модуляцией
Рис. 4 Отображение режима спектральной плотности мощности сигнала Wi-Fiна дисплееRSA5065N
Для измерения параметров передающего устройства необходимо собрать схему измерений, приведенную на рис.5.
Рис. 5 Измерение параметров передающего устройства
Сигнал с антенного выхода передатчика посредством коаксиального кабеля подаётся через аттенюатор и через последующий коаксиальный кабель — на измерительное устройство. Таким образом, удаётся не только уменьшить уровень радиочастотного сигнала, но и обеспечить согласование в широкой полосе частот. Так как большинство передатчиков стандартов беспроводной связи имеют выходную мощность не более нескольких десятков ватт и диапазон рабочих частот до 3 ГГц, то уместно в качестве аттенюатора использовать RIGOLATT03301H с максимальной входной мощностью 100 Вт и ослаблением 30 дБ. Уровень мощности излучаемого сигнала можно измерить, введя в анализатор поправочные коэффициенты затухания аттенюатора и кабелей. Точность измерения уровней мощности сигнала, в том числе внеполосных и побочных излучений не превышает 0,8 дБ во всем рабочем диапазоне частот. Опция RSA5000-AMK (рис.6)позволяет провести детальные измерения параметров сигнала:
— уровня сигнала во временной области/ZEROSPAN (T-Power: Time domain Power)
— мощности в основном и соседних каналах (ACP: Adjacent Channel Power)
— мощности в нескольких каналах (Multichan Pwr)
— занимаемой полосы частот (OBW: Occupied Bandwidth)
— ширины полосы передачи (EBW: Emission Bandwidth)
— отношения несущая сигнала/шум (C/N Ratio)
— гармонических искажений (Harmo Dist: Harmonic Distortion)
— интермодуляционных искажений третьего порядка (TOI: Third Order Intermodulation)
Рис. 6 Пример измерения интермодуляционных искажений третьего порядка (TOI)
Для передачи данных, посредством беспроводной передачи данных, используются сложные виды цифровой модуляции сигнала, такие как QAM, QPSK, OQPSK, 4FSK ит.д., которые часто используют в стандартных протоколах связи Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi и др. Качество модулированного сигнала может быть оценено посредством модуля вектора модуляционных ошибок (EVM). При активации опции RSA5000-VSAпользователю становятся доступными режимы анализа модулированных сигналов с собственной ошибкой EVMв 2% скзпри символьной скорости 1 МГц, что является достаточным для формирования качественного сигнала WiFi (IEEE 802.11b),при этом EVM≤35%скз. На Рисунке 7 представлен пример работы анализатора спектра в режиме анализа сигналов с цифровой модуляцией.
Рис. 7 Пример работы анализатора в режимеVSA
Антеннаявляетсяоднойизважнейшихчастейприёмопередающегоустройства. Степень согласования приёмных и передающих антенн (параметр КСВН) измеряется RSA5065N в режиме VNA(Vector Network Analyzer). Так как КСВН мост уже встроен в измерительный прибор, то для проведения измерений необходимо только откалибровать анализатор в диапазоне частот до 6,5 ГГц с помощью набора калибровочных мер RIGOLCK106A. После этого, подключив измеряемую антенну на выход TG,можно провести измерения КСВН и уровень сигнала на входе приёмника (рис.8, 9).
Рис. 8 Пример измерения КСВН антенны
Рис. 9 Пример измерения параметров антенны (S11)в режиме векторного анализа цепей (VNA)
Заключение
Построение комплексов для тестирования широкого спектра радиочастотных параметров беспроводных приёмопередатчиков с достаточно высокой точностью возможно при относительно невысоких материальных затратах. Примером тому является рассмотренное в статье решение на базе анализатора спектра реального времени RIGOLRSA5065Nсо встроенным трекинг-генератором и векторным анализатором цепей, который может использован для широкого круга задач потребителей.
Источники информации
- Материалы с сайта rigol.com
- Материалы с сайта rigol-shop.ru.
- RIGOL RSA5000 Series Real-time Spectrum Analyzer Data Sheet DSD07100-2024-07
Реклама в журнале: anton.denisov@ecomp.ru
