baybakov

Какие преимущества для ВЧ измерений предоставляет цифровое понижение частоты (DDC)?

Blog Post created by baybakov Employee on Aug 21, 2018

Достичь лучших характеристик и повысить скорость измерения

Как-то в демонстрационном павильоне на выставке инженер пожаловался мне на скорость измерения осциллографа PXI. Для выполнения измерения он сам программировал захват данных и последующий анализ. В итоге на получение каждого результата у него уходило больше минуты. Я объяснил ему, что всё это делать не нужно, достаточно лишь настроить измерение в осциллографе и непосредственно считать результат измерения. Этот процесс должен занять всего пару микросекунд. Встроенная в осциллограф специализированная ИС помогает минимизировать объём передаваемых данных и ускоряет анализ.

 

Подобно тому, как осциллограф имеет встроенную систему цифровой обработки сигнала, приборы для анализа ВЧ сигналов имеют встроенную систему обработки, которая повышает скорость измерений.

 

Проблемы ВЧ измерений

В ходе анализа ВЧ сигналов частоту исследуемого сигнала обычно понижают до промежуточной (ПЧ), что позволяет использовать дигитайзер высокого разрешения для захвата сигнала с более широким динамическим диапазоном. Затем полученные данные отправляются в ПК для анализа. Однако современные беспроводные системы связи, такие как 5G, стандарт 802.11ax и т.п., усложнили этот анализ. Анализ этих систем может потребовать измерения сложных схем модуляции (например, мультиплексирование с ортогональным делением частот – OFDM), агрегации несущих или MIMO (несколько входов, несколько выходов).

 

Все эти сложные задачи требуют серьёзной обработки сигнала, что в свою очередь замедляет измерения. Это проблема весьма актуальна, поскольку скорость измерений является определяющим параметром во многих приложениях, особенно в условиях серийного производства.

В большинстве анализаторов сигналов наиболее важным компонентом является дигитайзер. Для расширения полосы анализа нужно захватывать сигналы с помощью быстродействующего дигитайзера. Сердцем быстродействующего дигитайзера является мощная ПЛИС или специализированная ИС, которая обрабатывает данные в режиме реального времени. Это позволяет обрабатывать и сохранять данные в цифровой форме, минимизируя объём передаваемой информации и ускоряя анализ.

 

Ключевая функция, часто присутствующая в дигитайзерах, это функция цифрового понижения частоты в режиме реального времени (DDC). В частотной области DDC позволяет сосредоточиться на конкретной части сигнала, используя высокое разрешение, и передавать в контроллер или ПК только полезные данные. Эта функция работает непосредственно с данными АЦП, обеспечивая преобразование частоты и прореживание выборок, что называют иногда "настройкой" и "растяжением". Базовые концепции DDC иллюстрируются структурной схемой на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1. Структурная схема цифрового понижения частоты

 

Как работает DDC

Блок преобразования частоты (настройки) генерирует комплексные выборки АЦП в виде цифрового косинуса (синфазный канал) и цифрового синуса (квадратурный канал).

Затем синфазный и квадратурный сигналы можно отфильтровать, чтобы удалить из них ненужные частотные составляющие. После этого сигнал можно растянуть и снизить частоту дискретизации (выполнить прореживание).

 

И, наконец, встроенный процессор передаёт для анализа во встроенную память лишь те данные, которые вас интересуют (данные I/Q). Большинство дигитайзеров и анализаторов сигналов Keysight используют DDC для ускорения измерений и демодуляции.

 

Кроме того, к данным I/Q можно параллельно применить БПФ для выполнения спектрального анализа. Некоторые анализаторы сигналов могут применять БПФ в режиме реального времени (300 000 выборок в секунду) и использовать сложные представления спектра (плотность и спектр), что позволяет обнаруживать кратковременные сигналы, как показано на рисунке 2.

 

 

Рисунок 2. Анализ спектра в режиме реального времени в диапазоне ISM 2,4 ГГц (диапазон для промышленного научного и медицинского оборудования)

 

Преимущества и недостатки быстродействующего дигитайзера с DDC

Применение быстродействующего дигитайзера с DDC для измерения ВЧ сигналов может оказаться куда более эффективным:

  1. Преобразование частоты (настройка) сокращает необходимый объём встроенной памяти и снижает объём передаваемых данных. Результирующие данные представлены в комплексной форме (I+jQ), что удобно для прямого анализа демодуляции и повышает скорость измерений.
  2. Цифровая фильтрация и прореживание (растяжение) уменьшает суммарный шум в полосе и улучшает общее отношение С/Ш.

 

Однако DDC обладает и некоторыми недостатками:

  1. Частота дискретизации АЦП ограничена. Высокочастотную несущую нельзя дискретизировать непосредственно. Стандартное решение заключается в применении аналоговой схемы для понижения частоты несущей до ПЧ, чтобы дигитайзер мог захватить сигнал.
  2. Динамический диапазон АЦП тоже ограничен. В беспроводных системах связи может понадобиться одновременный захват сигналов высокого и малого уровня.

 

Новые поколения высокоскоростных АЦП высокого разрешения обеспечивают превосходное разрешение и динамический диапазон на частотах в десятки ГГц, что позволяет захватывать широкополосные сигналы с большим разрешением. DDC ускоряет измерения и предоставляет все преимущества от цифровой обработки сигнала, улучшая общие характеристики.

 

Кроме того, данные I/Q можно подвергнуть дальнейшей обработке для расширенного анализа сигналов в режиме реального времени или использовать специальную ПЛИС для применения к ним пользовательских алгоритмов обработки. Это обеспечивает более высокую достоверность ВЧ измерений, улучшает целостность сигнала и повышает скорость измерений.

 

Дополнительная информация о захвате широкополосных сигналов приведена в официальном документе Отличие захвата широкополосных сигналов осциллографом и дигитайзером. Она поможет понять, какой из этих приборов лучше подходит для решаемых вами задач.

 

Outcomes