Signaal- en spectrumanalyse houdt gelijke tred met de nieuwste mobiele en draadloze communicatietoepassingen

Van de hand van Wolfgang Wendler, product manager bij Rohde & Schwarz, verscheen afgelopen mei in Microwave Journal het artikel ‘Overcoming the Limitations of Modern Signal & Spectrum Analyzers’. Rond die tijd vond ook de introductie plaats van de FSWX-signaal- en spectrumanalyzer, die met zijn nieuwe architectuur deze beperkingen het hoofd weet te bieden. Op de European Microwave Week 2025 was het instrument voor het eerst in Nederland te zien.

Aangezien mobiele en draadloze communicatietoepassingen steeds hogere datasnelheden vereisen, blijft voor het testen er van de behoefte toenemen aan grotere modulatiebandbreedtes en hogere modulatie-ordes. Deze vereisten vragen om een betere signaal-ruisverhouding om het juiste punt in het constellatiediagram te bereiken. Het dynamische bereik van de signaalanalyzers, die tot nu toe op de markt zijn gebracht, schiet echter tekort voor nauwkeurige metingen over een breed frequentie- en vermogensbereik. De FSWX-signaal- en spectrumanalyzer kan dat brede bereik wel aan met de vereiste precisie en meetsnelheid. De nieuwe architectuur biedt hiervoor twee ingangspoorten, ingebouwde kruiscorrelatiefunctionalitet en geavanceerde filterbanken.

Omslachtig

IQ-middeling is een techniek die vaak wordt gebruikt voor ruisonderdrukking. Deze methode vereist een repetitief signaal. Door dezelfde IQ-data meerdere keren te middelen, wordt de random Gaussiaanse ruis verminderd, terwijl het signaal of de IQ-vector consistent blijft voor alle opnames. Deze strategie vergroot het dynamische bereik en minimaliseert de ruis die door het meetinstrument wordt toegevoegd.

Wanneer er geen repetitieve signalen zijn, wordt kruiscorrelatie toegepast om de beperkingen in het dynamische bereik te overwinnen. Deze techniek vereist echter twee signaalanalyzers, die in tijd op elkaar moeten worden afgestemd (time-aligned), waardoor extra signaalverwerking nodig is. Dit verhoogt niet alleen de complexiteit van de meting, maar ook de testkosten.

Andere instrumenten, zoals oscilloscopen, kunnen twee of zelfs meer ingangen bieden voor deze toepassing. Oscilloscopen hebben echter doorgaans een beperkt dynamisch bereik. De ADC’s zijn geoptimaliseerd voor breedbandige digitalisering van signalen, een eigenschap die de situatie niet verbetert, zelfs niet wanneer kruiscorrelatietechnieken worden toegepast. PXI-modules met meerdere ingangen hebben doorgaans een breder dynamisch bereik, maar het ontbreken van pre-selectie beperkt het dynamisch bereik wanneer ongewenste signalen zich in de range van de image-frequentie bevinden.

Nieuwe architectuur

Door signaalanalyzers te ontwerpen met twee interne ingangspaden kan je ongewenste signalen op de image-frequentie of ongewenste mengsignalen onderdrukken via pre-selectie aan de ingang. De twee paden, inclusief de splitter, kunnen door de fabrikant van het instrument worden uitgelijnd, gekalibreerd en gelijkgeschakeld. Kruiscorrelatie kan met een simpele druk op de knop worden geactiveerd, waardoor externe splitters en extra kalibratiestappen overbodig worden. Als de interne splitter niet wordt gebruikt en de twee RF-ingangen rechtstreeks naar de ontvanger worden geleid, kunnen meerdere receiverpaden worden gebruikt voor moderne mobiele of draadloze communicatiestandaarden, zoals WLAN of 5G, evenals radartoepassingen.

De FSWX heeft de mogelijkheid om meerdere signaalbronnen tegelijkertijd aan te sluiten, ongeacht of ze op dezelfde of verschillende frequenties werken. Met twee synchrone ingangspoorten, elk met een analysebandbreedte van 4 GHz, kunnen meettechnici de interacties tussen verschillende signalen naadloos analyseren.

Faseruis te lijf

De implementatie van kruiscorrelatie kan ook meetresultaten opleveren die met traditionele signaal- en spectrumanalyzers niet haalbaar zijn. Kruiscorrelatietechnieken van faseruis-testers, zoals de R&S FSWP en FSPN, worden gebruikt bij faseruismetingen om de faseruis van de interne lokale oscillatoren in de faseruis-tester te onderdrukken. Dit is relevant omdat moderne communicatietoepassingen vaak op hogere frequenties werken, waar de faseruis van de oscillatoren evenredig is met 20 log (f). Deze faseruis verhoogt de EVM (‘error vector magnitude’) naarmate de frequentie toeneemt. Een onstabiele fasemeting maakt het moeilijk om het juiste constellatiepunt in het constellatiediagram te detecteren. Als gevolg hiervan moet het systeem mogelijk overschakelen naar een modulatieschema van lagere orde, waardoor de datasnelheid afneemt. Om deze reden moeten de synthesizers of oscillatoren nauwkeurig worden gemeten om geoptimaliseerde faseruisprestaties te garanderen. Bijgevolg vereisen moderne communicatietoepassingen vaak dure faseruis-testers en een goede signaal- en spectrumanalyzer.

Snel vinden van verborgen spurs

Voor moderne radartoepassingen wordt het steeds belangrijker om doelen met een kleine radardoorsnede (RCS), zoals drones, te detecteren. Dit vereist een verbetering van de gevoeligheid van testapparatuur voor deze toepassingen. Een belangrijke factor hierbij is het over een breed frequentiespectrum verlagen van de basislijn van de ruis van de ontvanger en het verbeteren van de faseruisprestaties van de lokale oscillator. Dit helpt bij het detecteren van de RCS-reflectie van een klein doel dat na een lichte Doppler-frequentieverschuiving niet langer verborgen blijft door de reflectie van allerhande stoorsignalen.

Naast het verminderen van faseruis en het onderdrukken van breedbandige ingangsruis, is het ook cruciaal om ongewenste spurs en storingen in het systeem te kunnen detecteren. Deze kleine smalbandige signalen kunnen verkeerd worden geïnterpreteerd als doelen, waardoor de gevoeligheid van de toepassing wordt beperkt omdat het betrouwbaarheidsniveau voor het detecteren van echte doelen moet worden verhoogd.

Om spurs die dichtbij de basislijn van de ruis van de ontvanger zitten te kunnen zien, moet de resolutiebandbreedte (RBW) van de spectrumanalyzer worden teruggebracht tot slechts enkele hertz. Dit vertraagt de sweep aanzienlijk vanwege de langere stabilisatietijd van de filters. Dit leidt tot een lange meettijd om het systeem te karakteriseren en ongewenste interferenties te detecteren.

Bij een architectuur van een ontvanger met twee paden kan je door het toepassen van kruiscorrelatie de basislijn van de ruis van de signaalanalyzer verlagen tot de fysische limiet zonder dat de RBW hoeft te worden verlaagd. Dit maakt snellere sweeps mogelijk bij zeer lage intrinsieke ruisniveaus.

De kruiscorrelatiefunctie is standaard ingebouwd in de FSWX. Een enkel signaalingangssignaal wordt intern opgesplitst in twee onafhankelijke signaalpaden, elk uitgerust met een eigen lokale oscillator en ADC. Dit ontwerp maakt de toepassing van geavanceerde kruiscorrelatiealgoritmen in de digitale backend mogelijk, waardoor de inherente ruis van het meetinstrument effectief wordt weggefilterd en de kwaliteit, precisie en betrouwbaarheid van de meting wordt vergroot.

Filterbanken in plaats van YIG-filters

Standaard signaalanalyzers die breedbandmodulatie-analyse uitvoeren beschikken momenteel niet over pre-selectie voor IQ-analyse bij microgolffrequenties. Tot een specifieke frequentie van enkele GHz wordt het signaal omhoog geconverteerd naar een hoge tussenfrequentie, met nog veel hogere image-frequenties. Een laagdoorlaatfilter wordt gebruikt om het die te onderdrukken. Bij frequenties boven 5 tot 10 GHz voegt omhoogconversie voor onderdrukking van de image-frequentie echter te veel ruis toe. Daarom worden YIG-filters gebruikt voor pre-selectie. Deze filters hebben echter een beperkte bandbreedte, van maximaal 50 MH. Ze vertonen ook nog eens een sterke rimpel, in het bereik van enkele dB, waardoor ze niet kunnen worden gebruikt voor IQ-analyse. Voor IQ-analyse zou je dan het YIG-filter moeten omzeilen, wat weer leidt tot extra ruis of ongewenste signalen op de image-frequentie en dus slechtere meetresultaten.

Een alternatieve benadering is het gebruik van filterbanken voor pre-selectie. Zo’n reeks van filters, waarmee de FSWX is uitgerust, voorziet in een grotere bandbreedte en vertoont over het hele werkfrequentiebereik een vlakke frequentierespons. Dit zorgt voor een hoge nauwkeurigheid, waardoor filterbanken ideaal zijn voor IQ-analyse. Breedbandige IQ-analyse met image-onderdrukking zou dan mogelijk zijn bij een analysebandbreedte die veel groter is dan 50 MHz. Die kan variëren tot enkele GHz, afhankelijk van de IF-frequentie en de analoog-naar-digitaal converters. Dit vergroot het dynamische bereik en vermindert de fout ten gevolge van interferenties met de image-frequentie. Bovendien zou met een vlakke frequentierespons de absolute fout voor meting van het niveau van CW-carriers of spurs aanzienlijk kleiner zijn, aangezien er nu geen verslechtering is door de rimpel van het YIG-filter. Met pre-selectie zijn in het microgolfbereik meetonzekerheden in het bereik van 1 dB of zelfs beter mogelijk, waardoor een extra power sensor voor bepaalde toepassingen niet meer nodig is. Dit maakt een meer nauwkeurige specificatie van spur-niveaus voor radartoepassingen mogelijk.

Testen van fase-array antennes

Bij beam steering toepassingen in de lucht- & ruimtevaart en defensie, maar ook bij mobiele communicatie en radars, wordt vaak gebruikgemaakt van fase-array antennes. De fase tussen de verschillende transmissiepaden moet voor deze antennes goed worden uitgelijnd en getest. 

Een denkbare meetoplossing hiervoor is een opstelling met een signaalanalyzer, die de signalen van alle elementen van een fase-array antenne tegelijkertijd en met perfecte fase-synchronisatie kan meten. Dit maakt het mogelijk om de prestaties van de antenne –vooral de nauwkeurigheid van de signaalbundel– gedetailleerd te analyseren. De opstelling meet niet alleen de prestaties van de hele antenne, maar ook de bijdrage van elk individueel element. Door bijvoorbeeld de prestaties van het eerste element te vergelijken met een ander element (het ‘n’-de), kan men zien of alle onderdelen van de antenne naar behoren functioneren.

Hiervoor kan een vector netwerkanalyzer (VNA) worden gebruikt. Maar bij complexe, gemoduleerde signalen kan dit extra verwerkingstijd met zich meebrengen, omdat een VNA immers niet een breed frequentiebereik met alle details in één keer kan meten en door stitching vanuit afzonderlijke metingen een compleet beeld moet reconstrueren. Als alternatief kan een oscilloscoop worden gebruikt, maar deze heeft als beperking een beperkt dynamisch bereik. PXI-modules, die dezelfde lokale oscillator delen, bieden een groter dynamisch bereik. Maar net als de oscilloscoop past deze doorgaans geen pre-selectie toe. Zonder pre-selectie kunnen signalen op de image-frequentie het dynamisch bereik verder beperken en om deze beperkingen te overwinnen zijn testopstellingen nodig die behoorlijk complex en foutgevoelig kunnen zijn.

Impact van signaalinterferentie

Om de complexe interacties en interferentie tussen verschillende, hedendaagse draadloze signalen, zoals 5G, WiFi en radar, goed in kaart te brengen, is een meetinstrument nodig dat een breed spectrum in één keer kan meten. Een analyzer met een zeer grote bandbreedte versnelt de analyse en zorgt voor een nauwkeuriger resultaat.

Als alternatief kan een analyzer met verschillende ingangen of met één ingang en verschillende ontvangers worden gebruikt. Met oscilloscopen of PXI-gebaseerde signaalanalyzers kunnen speciale ingangsinstellingen, zoals demping of voorversterking van bepaalde signaalpaden, niet worden aangepast. Dit beperkt het dynamische bereik voor bijvoorbeeld een meetscenario waarbij de kleine hogere harmonische niveaus van een radartoepassing moeten worden gedetecteerd terwijl er een sterk mobiel communicatiesignaal aanwezig is.

Een uitkomst is een signaalanalyzer met meerdere ingangen of een multipadstructuur, waarbij verschillende frequenties kunnen worden ingesteld voor de lokale oscillatoren of verschillende versterkings- of dempingsniveaus kunnen worden ingesteld aan de ingang. Een dergelijke setup zou zelfs kunnen triggeren op een frequentie die volledig verschilt van de frequentie waarop de meting wordt uitgevoerd. 

Componenten karakteriseren

De mogelijkheid om twee signalen tegelijkertijd te meten, op verschillende frequenties of zelfs op dezelfde frequentie, heeft ook zijn waarde bij het karakteriseren van componenten. Meettechnici kunnen met de FSWX bijvoorbeeld de signaal-ruisverhouding of de EVM aan de ingang en uitgang van een versterker vergelijken. Dit kan ook worden gedaan voor up- en down-converters met verschillende frequentie-instellingen. Dit biedt onmiddellijke visualisatie van vervormingen die door de versterker worden geïntroduceerd, inclusief frequentierespons en niet-lineariteiten. Beide signalen kunnen tegelijkertijd worden vastgelegd en de modulatie van het ingangssignaal hoeft niet eens bekend te zijn.

Extra gebruikersfuncties

Naast het verbeteren van de mogelijkheden voor het analyseren van ondermeer communicatie- en radarsignalen, faciliteert de FSWX vanuit de nieuwe architectuur ook verschillende gebruikersfuncties. Bijvoorbeeld de CrossAct-firmwarefunctie (cross-application control and triggering) synchroniseert verschillende metingen over verschillende ingangskanalen, waardoor gelijktijdige analyse met meerdere tools mogelijk is. Deze mogelijkheid vereenvoudigt vergelijkingen, zoals het bepalen of de hogere harmonischen van een radarsignaal direct van invloed zijn op de EVM-prestaties van een 5G-signaal.

Conclusie

Door twee interne ontvangstpaden, pre-selectie aan de ingang en ingebouwde kruiscorrelatie in signaalanalyzers te implementeren, kan het dynamische bereik worden vergroot, de meetsnelheid worden verhoogd en de testopstellingen aanzienlijk worden vereenvoudigd.