Minimera distorsion och utjämna amplitud- och fassvar hos bredbandiga signaler. John Hansen, Agilent Technologies diskuterar hur detta kan bli möjligt.

 Målet med att simulera RF-signalen är att skapa en objektiv testmiljö som ger noggranna och reproducerbara mätresultat. För att göra det måste testutrustningens påverkan på testobjektets mätosäkerhet minimeras. En nyckelfaktor i den processen är att optimera signalkvaliteten hos teststimuli. Detta blir alltmer kritiskt när testsignalens bandbredd måste ökas för att stödja ständigt högre datahastigheter i kommunikationssystem eller bättre upplösning och räckvidd i radarsystem.
Det finns flera olika typer av fel som kan påträffas vid generering av bredbandiga, vektormodulerade testsignaler. Här kommer vi att fokusera på hur man löser frågor kring IQ-modulering (se fig 1) av basbandets vågformer på en RF- eller mikrovågorsbärvåg och de icke-linjära produkter intermodulationsprodukter av multi-tons testsignaler.
Det finns lösningar för att motverka brister och få högsta kvalitet på teststimuli genom att använda tekniker för fördistordering av signaler samt justering av basbandets signalvägar. Med dagens teknik för vektoriserade vågformer kan man åstadkomma detta genom att göra ändringar i IQ-filen, vilken laddas in i arbitreringsgeneratorns (AWG) minne eller genom adaptiva förändringar i realtid.

Fördröjning och fasförskjutning av IQ
I system som använder IQ-modulatorer kan speglingar inträffa och är klart synliga i signaler som är icke-symmetriska med avseende på bärfrekvensen. Dessa avbildningar uppträder när det finns en skillnad i vägfördröjning mellan I (i-fas) och Q (kvadratur-) signaler som driver IQ-modulator. Om det finns en tidsfördröjning mellan de två signalerna, är de faktiskt inte längre är i kvadratur och avbildningar presenteras. Även om magnitud och fas av I-och Q-vägarna inte är matchade, och/eller IQ-modulatorn i sig ger en fasförskjutning så att I och Q är inte precis i kvadratur (se fig 2), kommer resultatet att bli speglingar.

Fig 1. Blockschema över vektorsignalgenerering genom att använda en IQ-modulator.

IQ-spegelbilder kan förbättras med små justeringar för att räta ut signalvägens fördröjning mellan I-och Q-signaler, och genom att göra små fasjusteringar av IQ-modulator förstärkning och fasförskjutning. Dock kan IQ-speglingar inte helt tas bort enbart med dessa metoder. Det är en följd av att missanpassning i magnitud och fas starkt avsätter sig i signalvägarna för I och Q. Två vanliga tekniker för fördistorsion kan också användas för att ta itu med IQ-spegling:
Den första metoden går ut på att karakterisera I- och Q-signalvägar och att sedan matcha magnitud och fas svar genom fördistorsion av vågformen.
Den andra metoden alstrar en utsläckningssignal, 180 grader ur fas med spegelbilden.
Den förbättrade signalkvaliteten som resultat är användbart för många tillämpningar, bland annat för att minimera osäkerheten vid distorsionsmätningar av multiton och noise power ratio (NPR), förbättra undertryckningen av grannkanaleffekt (ACPR) vid generering av flera bärvågor och att minimera felspänning, Error Vector Magnitude (EVM), i digitalt modulerade testsignaler.
I frekvensdomänen är IQ-avbildningar identifierade genom sina "fladdermusvingar" av amplitud profil, från centerfrekvensen till bandkanterna av RF-modulationsbandbredden (se fig 3). De flesta vektorsignalgeneratorer ger användaren möjlighet att minimera fördröjningen av IQ-signalvägen och fasskevningen manuellt. Men detta manuella tillvägagångssätt, att iterativ justera och mäta processen, kan vara tidskrävande. För att lösa detta utför vissa signalgeneratorer denna justering automatiskt som en del av deras IQ- kalibreringsrutin. Dessa justeringar kan normalt förbättra avbildningens undertryckning med 10 till 20 dB.

Fig 2. Missanpassning mellan I (i fas) och Q (i kvadratur) i basbandet.

Tekniker för fördistorsion kan nästan eliminera IQ-spegelbilder (se fig 3). För samma signalnivå har en undertryckning av spegelbilder förbättrats med över 50 dB genom att använda en algoritm för fördistorsion som genererar en signal på IQ-spegelns frekvens. På grund av tiden kommer temperatur, frekvens och effektberoende, måste korrigeringar av IQ-vågformen upprepas regelbundet. Hur ofta beror på stabilitet och dess omvärld.

Icke-linjär distorsion
Både intermodulationsdistorsion (IMD) och övertoner inträffar som ett resultat av de signal som passerar komponenter med icke-linjära överföringsfunktioner. IMD är en speciell typ av icke-linjär distorsion som resulterar från oönskade intermodulationsprodukter mellan de många frekvenskomponenter som en signal innehåller. IMD och övertoner är den främsta orsaken till inom- och utombands spektrala återväxt av testetstimuli. Detta försämrar mätsystems prestanda och kan även störa intilliggande kanaler.
Olinjär distorsion inte kan korrigeras med hjälp av enkla utjämningstekniker. De fungerar endast med linjära fenomen. Denna störning kan åtgärdas om den är av deterministisk natur, vilket är fallet med dubbelverkande vågformer.

Fig 3. Dessa spektra visar effekter av fördistorsion. Inom 100 MHz bandbredd har distorsionsprodukterna sänkts med 54 dB.

Programvara för ett generera multitone och NPR teststimuli bygger på avancerade algoritmer för fördistorsion för att praktiskt taget helt eliminera IMD på ett automatiserat sätt. Denna fördistorsionsteknik genererar en annulleringston på IMD-frekvens som är 180 grader ur fas med distorsionsprodukten. Metoden använder en spektrumanalysator för att mäta IMD hos originalstimuli.
På basis av dessa mätningar skapas en fördistorderad vågform som skapats för att ta bort inombands samt utombands IMD-produkter. Det gör det enkelt att generera teststimuli med repeterbar högkvalitetsdistorsion och kan enkelt realiseras med hjälp av en enda vektorsignalgenerator. Tillvägagångssättet kan även ta bort IMD orsakad av ytterligare enheter i testuppställningen, däribland extraförstärkare som är ökända för att förvärra distorsionen i testets stimuli. Exemplet som visas i fig 5 demonstrerar att en anmärkningsvärd förbättring av distorsionsprestanda kan uppnås med användning av metoder för fördistordering. Övertoner, å andra sidan, kan normalt hanteras med externa filter.
Eftersom bandbredden i arbiträra vågformsgeneratorer fortsatt höjs kan mer utom- och inombandsdistorsion tas omhand på ett liknande sätt. Prestanda på denna nivå ha väsentligt bidragit till att minska motsäkerheten på grund av effekterna av provstimuli med icke-linjär distorsion.

Grupplöptidsfördröjning
För bredbandiga kommunikationssystem har fördröjning av grupplöptid blivit ett allt viktigare fenomen. Grupplöptidsfördröjning är ett mått på signalens genomströmningstid genom ett system som funktion av frekvensen. Denna genomströmningstid varierar för en signals olika frekvenskomponenter.
Grupplöptidsfördröjning beräknas genom differentiering av fassvaret hos signalen som funktion av frekvensen. Med andra ord är det den negativa förändringshastigheten för fasen med avseende på frekvens. Den linjära delen av fassvaret kan omvandlas till ett konstant värde (som representerar den genomsnittliga genomloppstiden för signalen) och avvikelser från linjär fas betraktas som avvikelser från konstant grupplöptid. Variabel gruppfördröjning över signalbandbredden avkastningen avvikelse från linjär fas svar och orsaker signaldistorsion, såsom intersymbolinterferens (ISI) och ökning av felvektorns magnitud (EVM).

Fig 4. Icke-linjära distorsionsprodukter minskas med 44 dB.

Grupplöptidsfördröjning är bara ett annat sätt att se på linjär fasdistorsion. För att korrigera för grupplöptidsfördröjningen, kan fördistorsion appliceras på vågformen för att motverka överföringsfunktionen för signalvägen.
Rak RF-amplitudkurva
I takt med att signalbandbredden ökar påverkas uteffektens planhet nivånoggrannheten. Fluktuationer i signalgeneratorns maximala effekt över dess plana frekvensområde kan påverka amplitudkurvans planhet vid bredbandig RF-modulation. Den automatiska nivåkontroll (ALC) påverkar effektnivån bara inom en viss bandbredd på denna effektkurva. Så medan den genomsnittliga effekten fortfarande är korrekt för de flesta bredbandiga signaler, kan effektens noggrannhet vid bandkanterna försämras på grund av amplitudlutning eller rippel i signalgeneratorns svar.

Fig 5. Frekvensgången för Agilent E8267D PSG visa den stora IQ-bandbredden hos IQ-modulatorn.

I ideala fall skulle RF-amplituden vara plan tvärs över hela bandbredden, oberoende av bärvågsfrekvensen. Tyvärr varierar RF-amplitudens planhet beroende på mittfrekvensen. Även om många signalgeneratorer kan ha nivånoggrannhet av 0,5 dB eller mindre, betyder detta inte att bandbredden är platt över hela frekvensområdet.
Frekvensenssvaret för IQ-modulator spelar en stor roll även i amplitudplanhet. Bredbandiga IQ-modulatorer har betydande fluktuationer hos frekvenskurvan, såsom visas i fig 9. I detta fall är modulatorn karaktäriserad över ett 2 GHz band runt 12 GHz och visar en variation på 3 dB.
Liksom fasfel kan fel i amplitudjämnheten förbättras genom fördistorsion. Detta kräver karakterisering av amplitudsvaret hos signalvägen och att man korrigerar förförstärkningen för att kompensera för amplitudvariationer. Eftersom signalgeneratorns amplitudsvar beror på bärvågsfrekvensen måste nya koefficienter för fördistorsion måste fastställas och tillämpas för olika bärvågsfrekvenser. En rak frekvenskurva är viktig för många tillämpningar, inklusive bredbandssignal och generering av multibärvågssignal och multitons distorsionstest.

Fig 6. Utjämning av signalamplituden över en 80 MHz bandbredd: 2,4 dB variation i planhet reduceras till 0,1 dB.

Fig 10 illustrera detta. Man ser RF-signalens amplitudkurva före och efter mätningar av en 32-tons testsignal. Signalen upptar 80 MHz RF-bandbredd. För att understryka vikten av en plan RF-kurva används en skala från 0,5 dB per ruta. Innan fördistorsion användes var som värst amplitudvariationerna 2,4 dB. Efter det att fördistorsion påförs låg alla toner inom 0,1 dB, relativt sett.
Sådan noggrannhet är väsentlig för att minimera mätosäkerheten vid icke-linjära distorsionsmätningar. Istället för att manuellt stämma av amplituden hos varje signal, som när man lägger samman analoga signalgeneratorer, justeras amplituderna genom att tillämpa koefficienter för fördistorsionssignaler för att få en ny IQ-vågform. Fördistorsionens koefficienter härleds från mätdata från den ursprungliga signalen.
John Hansen, Agilent Technologies

Filed under: Radimat