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 приведен пример использования такой системы в комплексной системе управления «умным» домом, а на рис. 2 – схема взаимодействия в системе интернета вещей.
Самыми распространенными стандартами передачи данных в системах умного дома и интернета вещей являются Wi-Fi, Bluetooth и Zigbee. Для стабильной работы данных систем необходимо быть уверенным в безотказной работе передатчика, приемника и антенного тракта. В статье рассматривается оптимальный способ измерения параметров этих 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 приемных и пере- дающих антенн (КСВН);
- уровень полезного сигнала в точке приема.
Вариант построения измерительного комплекса
Состав измерительного комплекса для оценки перечисленных выше параметров должен включать в себя:- анализатор спектра;
- измеритель качественных параметров модуляции;
- измеритель мощности;
- измеритель комплексных коэффициентов передачи (векторный анализатор цепей).
|
Таблица. Основные потребительские характеристики анализатора спектра реального времени RIGOL RSA5065N |
|
|
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.) |
<108 дБн/Гц |
|
Средний уровень собственных отображаемых шумов (DANL) с включенным предусилителем (тип.) |
<165 дБм |
|
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 (опц.) |
|
Минимальное время захвата сигнала с вероятностью захвата сигнала (POI) 100% в режиме RTSA |
7,45 мкс |
Широкий набор поддерживаемых спецификаций беспроводной передачи данных (опция RSA5000-VSA) – Wi-Fi (IEEE 802.11), Zigbee, Bluetooth; сотовой связи – GSM, WCDMA; коммуникационных – TETRA, DECT, APCO-25 – делает прибор незаменимым помощником радиоинженера для работы с приемопередатчиками беспроводных систем связи большинства стандартов (рис. 3–4).
Для измерения параметров передающего устройства необходимо собрать схему измерений, приведенную на рис. 5.
Сигнал с антенного выхода передатчика посредством коаксиального кабеля подается на измерительное устройство через аттенюатор и последующий коаксиальный кабель. Таким образом, удается не только уменьшить уровень РЧ-сигнала, но и обеспечить согласование в широкой полосе частот. Поскольку большинство передатчиков стандартов беспроводной связи имеют выходную мощность не более нескольких десятков ватт и диапазон рабочих частот до 3 ГГц, уместно в качестве аттенюатора использовать RIGOL ATT03301H 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 осуще- ствить детальные измерения параметров сигнала:
- уровень сигнала во временной области/ZERO SPAN (Time domain Power, T-Power);
- мощность в основном и соседних каналах (Adjacent Channel Power, ACP);
- мощность в нескольких каналах (Multi- chan Pwr);
- занимаемую полосу частот (Occupied Bandwidth, OBW);
- ширину полосы передачи (Emission Bandwidth, EBW);
- отношение несущей сигнала к шуму (C/N Ratio);
- гармонические искажения (Harmo Dist: Harmonic Distortion);
- интермодуляционные искажения 3-го по- рядка (TOI).
В системах беспроводной передачи данных применяются сложные виды цифровой модуляции сигнала, например QAM, QPSK, OQPSK, 4FSK и т. д., использующиеся в протоколах связи Zigbee, Bluetooth, Wi-Fi и др. Качество модулированного сигнала можно оценить с помощью модуля вектора модуляционных ошибок (EVM).
При активации опции RSA5000-VSA пользователю становятся доступными режимы анализа модулированных сигналов с собственной ошибкой EVM в 2% (СКЗ) при символьной скорости 1 МГц, что является достаточным для формирования качественного сигнала Wi-Fi (IEEE 802.11b) при норме EVM £ 35% (СКЗ).
На рис. 7 представлен пример работы анализатора спектра в режиме анализа сигналов с цифровой модуляцией.
Антенна является одной из важнейших частей приемопередающего устройства. Степень согласования приемных и передающих антенн (параметр КСВН) измеряется RSA5065N в режиме VNA (Vector Network Analyzer). Поскольку КСВН-мост уже встроен в измерительный прибор, для проведения измерений необходимо только откалибровать анализатор в диапазоне частот до 6,5 ГГц с помощью набора калибровочных мер RIGOL CK106A. После этого, подключив измеряемую антенну к выходу TG, можно выполнить измерения КСВН и уровня сигнала на входе приемника (рис. 8–9).
Выводы
Построение комплексов для тестирования широкого спектра радиочастотных параметров беспроводных приемопередатчиков с достаточно высокой точностью возможно при относительно невысоких материальных затратах. Примером тому является рассмотренное в статье решение на базе анализатора спектра реального времени RIGOL RSA5065N со встроенным трекинг-генератором и векторным анализатором цепей, который можно использовать для широкого круга задач.