Trois mesures RF à maîtriser Olivier LAURENT Ingénieur avant-vente
Sommaire Puissance RF Linéarité (compression, IM3, IP3) Qualité de la modulation (EVM)
Outils de l ingénieur RF NI USB-5681 Wattmètre en valeur efficace NI PXIe-5663 Analyseur de signaux vectoriels NI PXIe-5630 Analyseur de réseaux vectoriels Puissance Puissance Linéarité Fréquence Phase Paramètres S Puissance et gain délais de groupe
1) Mesure de puissance RF
Mesure de puissance : VSA vs Wattmètre Caractéristiques du VSA Temps de mesure très court Puissance absolue : bonne précision Puissance relative : excellente précision NI PXIe-5663 VSA Caractéristiques du wattmètre Temps de mesure plus long Puissance absolue : excellente précision Puissance relative : excellente précision NI USB-5681
Puissance relative vs absolue Puissance absolue Capacité d un instrument à mesurer la puissance d un signal RF Puissance relative Capacité d un instrument à mesurer le delta de puissance entre différents signaux (ou différentes composantes d un même signal)
Puissance crête vs moyenne PAPR (peak to average power ratio) constant et faible pour signaux continus (CW) PAPR plus élevé pour signaux modulés GSM (GMSK) < 1 db PAPR EDGE (8-PSK) ~ 3 db PAPR OFDM (WLAN, WiMAX, LTE) PAPRs > 10 db Puissance moyenne mesurée dans le domaine fréquentiel ou temporel Puissance crête mesurée en temporel uniquement
Puissance signal CW en fréquentiel -6,01 dbm
Puissance signal CW en temporel (Bursté)
Signal EDGE en temporel Crête = +2dBm Moyenne = -3,5 dbm
Signal WLAN en temporel Les signaux OFDM ont un PAPR plus élevé que les autres types de signaux modulés
Utilisation dans LabVIEW d un wattmètre Face-avant logicielle Scope mode Slot mode RMS vs Time API de programmation Mesures automatiques
Calcul de puissance moyenne dans LabVIEW VSA configuré en mode zéro-span (= temporel) Puissance calculée à partir de la magnitude (r) des samples IQ RMSPower dbm 1000 10log 50 * r 2 2 10log 20 r 2 2
Minimiser l incertitude sur la mesure ROS (ou VSWR) Minimisé en adaptant l impédance de la ligne (atténuateur) Bruit Distribution gaussienne Minimisé en moyennant Linéarité Inhérent à l appareil de mesure Minimisé en utilisant l appareil dans sa plage de fonctionnement nominale Zéro offset Minimisé par calibration de l appareil Démo
Astuce 1 : utilisation d atténuateur Atténue la puissance des signaux réfléchis Réduit l impact du VSWR À utiliser de part et d autre de l UUT Typiquement si l UUT a un mauvais VSWR Atténuateur de bonne qualité = coefficient de réflexion faible Générateur de signaux PA Analyseur de signaux
VSWR et incertitude Démo
Astuce 2 : atténuation du bruit Plus de points = meilleure répétabilité Augmenter le moyennage ou le temps d ouverture
Astuce 3 : utilisation du VSA en mode Zéro-Span Méthode hybride : VSA + wattmètre VSA pour la rapidité des mesures Wattmètre pour calibrer la mesure (précision) Générateur de signaux PA VSA Wattmètre
Répétabilité du VSA (NI PXIe-5663E)
Exemple : Etalonnage du VSA pour le test de PA Générateur de signaux PA VSA Wattmètre Étape 1 : Etalonnage de la source avec le wattmètre Étape 2 : Etalonnage du VSA avec la source et le wattmètre Mesure l offset de puissance entre le VSA et le wattmètre Opération répétée pour différentes fréquences et puissances Étape 3 : mesure de puissance du PA avec le VSA
2) Mesures de linéarité
Fondamentaux de la linéarité La non-linéarité produit de la distorsion Un signal 2 tons est généralement utilisé pour les mesures Mesures effectuées sur les produits de distorsion d ordre 3 Entrée PA Sortie
Non-linéarité dans un PA : point de compression 1dB Pout P sat Ideal Amplifier Pin vs. Pout = 1:1 1 db Compression Non-Ideal Amplifier Pin
Démo : compression 1 db Démo
Distorsion d intermodulation d ordre 3 (IM3) Produit de distorsion de 3ème ordre Distorsion d intermodulation (IM3) Produits de distorsion de 2ème ordre Produits de distorsion de 3ème ordre ƒ 1 + ƒ 2 2ƒ1 + ƒ2 ƒ1 + 2ƒ2 ƒ 2 - ƒ 1 2ƒ 1 - ƒ 2 2ƒ 2 ƒ 1 ƒ 1 ƒ 2 2ƒ 1 2ƒ 2 3ƒ 1 3ƒ 2 Fréquence Signal deux tons à des fréquences ƒ 1 et ƒ 2
Interception d ordre 3 (TOI) Mesure théorique Au-delà du point de saturation de l amplificateur Spécifié en dbm Power TOI 1 db Gain Max Power Produces 3 db of Distortion Intermodulation Distortion 2ƒ 1 - ƒ 2 ƒ 1 ƒ 2 2ƒ 2 ƒ 1 Frequency
TOI sur un graphe de compression TOI Pout Fundamental Power Ideal Amplifier Pin versus Pout = 1:1 Third-Order Distortion 3:1 Slope Pin
Simulation de TOI Démo
Adjacent Channel Power (ACP) et non-linéarité Mesure de la puissance du canal adjacent au canal utilisé Exprimé sous forme de ratio Pourquoi cette mesure? Quantifier les interférences possibles Vérifier que la puissance est transmise dans la bande d intérêt ACP mesuré sous différentes formes : GSM : Output RF Spectrum (ORFS) W-CDMA : Adjacent Channel Leakage Ratio (ACLR) ZigBee : Spectrum Mask
Mesure d ACP avec le SFP RFSA
ACP Cause : non-linéarité du circuit (compression, IM3) La longueur du Pulse shaping filter affecte aussi l ACP La compression (distorsion) augmente l ACP
3) Qualité de modulation (EVM)
Amplitude du vecteur d erreur (EVM) Mesure la qualité de la modulation d un signal Encapsule les erreurs de multiples sources Non-linéarité du système Le bruit gaussien (AWGN) Bruit de phase Erreurs de quadrature Utilisé pour des modulations en quadrature BPSK, QPSK, 8-PSK, etc. QAM (4, 16, 64, 256, etc.)
Comprendre un diagramme de constellation Le graphe de constellation représente les symboles dans le plan IQ Perturbations visibles Chaque point est un symbole Étalement des symboles dus aux perturbations (ici AWGN)
Q Mesure EVM ΔQ Symbole mesuré ΔI Symbole idéal V EVM rms (ΔI) 2 ( Q) V 2 Ө I
EVM comme mesure RMS Le bruit affecte chaque symbole aléatoirement (non répétable) Mesure répétable si faite sur un grand nombre de symboles EVM RMS EVM 2 symbol1 EVM 2 symbol 2 n... EVM 2 symbol n Symbole 1 Symbole 2 Symbole 3 Symbole 4 Contribution du bruit à l erreur Emplacement du symbole idéal
Porteuse simple Fréquence Sous-porteuse OFDM EVM par symbole, par sous-porteuse Symbole No. 1 Symbole No. 2 Symbole No. n EVM peut être mesuré par : RMS EVM (2 dimensions) RMS par sous-porteuse (tous les symboles) RMS par symbole (toutes les sousporteuses) Symbole No. 1 Symbole No. 2 Symbol e No. n EVM peut être mesuré par : RMS EVM (tous les symboles) Par symbole (valeur seule) Temps (nombre de symboles)
Conversion EVM : % en db Les nouveaux systèmes OFDM mesurent l EVM en db Le SNR limite souvent l EVM en OFDM car sous- porteuses très proches EVM % EVM db 20log 100 EVM (%) EVM (db) 0.5% -46 db 1.0% -40 db 2.0% -34 db 5.0% -26 db
Distorsion et signaux modulés Démo
À retenir Mesures de puissance RF Matériel : VSA ou wattmètre Amélioration des mesures : atténuateurs, moyennage et calibrage pour la précision VSA en mode zéro-span pour la vitesse Mesures de linearité Matériel : VSA Compression 1dB, TOI, ACP Mesure de la qualité de modulation EVM grandeur fondamentale des systèmes de communication Sensible à tous les types de perturbation
Aller plus loin Plate-forme RF NI : http://www.ni.com/rf/ Formation sur les fondamentaux des mesures RF : http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/203390
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