Metodi e Strumenti per la Caratterizzazione e la Diagnostica di Trasmettitori Digitali RF ing. Gianfranco Miele g.miele@unicas.it

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1 Corso di laurea magistrale in Ingegneria delle Telecomunicazioni Metodi e Strumenti per la Caratterizzazione e la Diagnostica di Trasmettitori Digitali RF ing. Gianfranco Miele g.miele@unicas.it

2 Trasmettitore digitale RF Le componenti I e Q che trasportano l informazione binaria, proveniente dalla conversione A/D del segnale di ingresso e successive codifiche di sorgente e di canale, modulano due portanti in quadratura a frequenza intermedia (IF). Lo stadio finale garantisce al segnale in uscita allocazione appropriata nello spettro a radiofrequenza (RF) e potenza adeguata per la comunicazione.

3 Modulazione IF analogica Una volta convertite in analogico da un DAC, le componenti I e Q modulano le due portanti IF in quadratura, anch esse analogiche. Sono necessari due DAC.

4 Modulazione IF digitale La modulazione IF avviene in forma numerica. E necessario un solo DAC, che funge da elemento di separazione tra la sezione IF, completamente numerica, e quella RF, analogica.

5 Trasmettitore digitale RF Il filtraggio nel trasmettitore riduce le radiazioni nei canali adiacenti. Il filtraggio nel ricevitore riduce il rumore a banda larga e l interferenza dai trasmettitori vicini. Problemi legati alle differenti implementazioni dei costruttori.

6 Misurazioni sul trasmettitore Le misurazioni sul trasmettitore sono tipicamente effettuate alla porta dell antenna. In questo caso la strumentazione di misura è utilizzata come ricevitore ideale. Spesso, però, può essere necessario esaminare il trasmettitore in punti intermedi fra i vari stadi che lo costituiscono.

7 Caratterizzazione del trasmettitore L analisi delle prestazioni di un trasmettitore digitale RF e/o la verifica della sua conformità a normative e/o raccomandazioni in essere prevedono l esecuzione di misurazioni sul segnale trasmesso per poter: stabilire il valore di alcuni parametri sintetici, ed, eventualmente, confrontare lo stesso con limiti imposti; valutare l andamento temporale o la composizione spettrale di alcune grandezze legate al segnale, ed eseguire un confronto con maschere opportunamente prediposte.

8 Domini delle misurazioni Per eseguire le misurazioni necessarie alla caratterizzazione di un trasmettitore digitale RF, occorre disporre di strumentazione di misura capace di operare sul segnale trasmesso in uno dei seguenti domini: dominio del tempo: valutazione dell andamento temporale di una data grandezza; dominio della frequenza: valutazione della composizione spettrale di una data grandezza; dominio della modulazione: valutazione della qualità delle componenti in banda base del segnale trasmesso.

9 Dominio della modulazione Confronto La strumentazione che opera nel dominio della modulazione esegue un confronto tra le componenti in banda base misurate e quelle ideali. Strumento nel dominio della modulazione Trasmettitore sotto Test Demodulatore Componente I misurata Componente Q misurata Recupero simboli Ricostruzione I e Q ideali Il confronto si particolarizza in differenza e/o, correlazione tra le traiettorie nel tempo.

10 Strumentazione disponibile Sistemi di Acquisizione Dati Sono caratterizzati da: estesa banda passante (oltre 10 GHz); elevata frequenza di campionamento in tempo reale (oltre 40 GS/s); grande profondità di memoria; measurement personality per ciascun sistema di comunicazione su cui occorre specializzarsi. Operano essenzialmente nel dominio del tempo.

11 Strumentazione disponibile Analizzatori di Spettro Sono caratterizzati da: ampia regolazione della resolution bandwidth (1Hz-20MHz); modalità zero-span; RMS detector; modalità time-gated; measurement personality per ciascun sistema di comunicazione su cui occorre specializzarsi. Operano essenzialmente nel dominio della frequenza. Possono essere utilizzati come down-converter.

12 Strumentazione disponibile Wattmetri a Radiofrequenza (Power Meter) Eseguono solo misurazioni di potenza media e di picco. Sono dotati di banda (in frequenza) di analisi regolabile, in relazione ai differenti sistemi di comunicazione. Operano nel dominio del tempo.

13 Strumentazione disponibile Analizzatori di segnale vettoriali (VSA) Di recente introduzione. Applicano algoritmi di elaborazione numerica ai campioni del segnale in analisi, preliminarmente convertito a frequenza intermedia. Operano nel dominio del tempo, della frequenza e della modulazione. Coprono in maniera quasi esaustiva tutte le misurazioni necessarie nelle fasi di progettazione, produzione, manutenzione e diagnostica.

14 Limiti strumentazione senza analisi vettoriale Essere spesso vincolata ad un particolare tipo di modulazione e/o tecnologia. Data una modulazione e/o tecnologia, misura, talvolta, un numero limitato di grandezze. Banda in tempo-reale ridotta. Numero di strumenti e/o measurement personalities crescente in relazione al grado di esaustività del processo di qualificazione. Difficoltà nell eseguire misurazioni in presenza di tipologie di modulazione non-standard.

15 Classificazione delle misurazioni Misurazioni in banda Nel canale obiettivo: verificare le prestazioni del trasmettitore in relazione al canale che sta impegnando. Fuori canale obiettivo: verificare l entità dell interferenza prodotta sui canali adiacenti. Misurazione fuori banda obiettivo: evidenziare prodotti di intermodulazione e non linearità del trasmettitore.

16 Misurazioni in banda / nel canale Misurazioni nel dominio del tempo Potenza di inviluppo Potenza di picco (peak envelope power) Potenza media Rapporto potenza di picco-potenza media (PAR) Curve CCDF Frequenza della portante (intrusiva) Misure di temporizzazione

17 Misurazioni in banda / nel canale (dominio del tempo) Potenza di inviluppo definizione: potenza, P(t), del segnale complesso in banda base: P( t) I 2 ( t) Q ( t) strumentazione: VSA, SAD con post-elaborazione (demodulazione inclusa), analizzatori di spettro in modalità zero-span. 2 Tipica potenza di inviluppo di un segnale WCDMA.

18 Misurazioni in banda / nel canale (dominio del tempo) Potenza di picco (peak envelope power) definizione: picco della potenza di inviluppo del segnale RF trasmesso in un prefissato intervallo di tempo; strumentazione: power meter, SAD con post-elaborazione, analizzatore di spettro (zero-span). Potenza media (average envelope power) definizione: media della potenza di inviluppo del segnale RF trasmesso in un prefissato intervallo di tempo; strumentazione: power meter, SAD con post-elaborazione, analizzatore di spettro (zero-span).

19 Misurazioni in banda / nel canale (dominio del tempo) PAR (Peak Average Ratio) definizione: è valutato in senso statistico. È definito come il rapporto tra un valore di potenza del segnale e la sua potenza media in cui il segnale è confinato con un certo intervallo di confidenza; strumentazione: power meter, SAD con post-elaborazione, analizzatore di spettro (zero-span) con post elaborazione.

20 Misurazioni in banda / nel canale (dominio del tempo) Curve CCDF (Complementary Cumulative Distribution Functions) definizione: è la probabilità che la potenza del segnale sia uguale o superiore ad uno specifico PAR, per differenti valori di probabilità e PAR; obiettivo: fornire una descrizione statistica dei livelli di potenza del segnale RF trasmesso; strumentazione: VSA, SAD con post-elaborazione (demodulazione inclusa), analizzatore di spettro in modalità zero-span con post-elaborazione.

21 Misurazioni in banda / nel canale (dominio del tempo) Curve CCDF (Complementary Cumulative Distribution Functions) Più è alto il PAR, più bassa è la probabilità di raggiungerlo. Sono estremamente utili nella progettazione degli amplificatori di potenza del trasmettitore e di altri componenti del sistema di comunicazione.

22 Misurazioni in banda / nel canale (dominio del tempo) Curve CCDF (Complementary Cumulative Distribution Functions) Tipica procedura di valutazione della curva CCDF, nota la potenza di inviluppo del segnale RF trasmesso su un dato intervallo temporale.

23 Misurazioni in banda / nel canale (dominio del tempo) Frequenza della portante definizione: frequenza centrale dello spettro di potenza del segnale RF trasmesso; obiettivo: verificare che il trasmettitore operi alla frequenza nominale; strumentazione: contatore numerico; procedura: misurare la frequenza di una portante non modulata (assenza di informazione, misurazione intrusiva).

24 Misurazioni in banda / nel canale (dominio del tempo) Misure di temporizzazione si riferiscono alla potenza di inviluppo del segnale RF trasmesso ed includono: tempo di salita; tempo di discesa; tempo durante il quale il segnale di potenza è al livello logico alto; tempo durante il quale il segnale di potenza è al livello logico basso; valore di picco; valore medio nello stato logico alto; valore medio nello stato logico basso; duty cycle.

25 Misurazioni in banda / nel canale (dominio del tempo) Misure di temporizzazione obiettivo: verificare il rispetto dei valori limite, necessari a minimizzare le interferenze fra i canali in frequenza e i timeslot quando il segnale passa dal livello logico alto a quello basso e viceversa. strumentazione: VSA, SAD con post-elaborazione (demodulazione inclusa), analizzatore di spettro in modalità zerospan e time-gated con post-elaborazione.

26 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della frequenza) Misurazioni nel dominio della frequenza Larghezza di banda del canale Potenza nel canale Banda occupata Frequenza della portante (non intrusiva)

27 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della frequenza) Larghezza di banda del canale definizione: banda a 3dB dello spettro di potenza del segnale RF trasmesso; obiettivo: rilevare la presenza di uno scostamento significativo della frequenza di simbolo dal suo valore nominale; strumentazione: VSA, analizzatore di spettro.

28 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della frequenza) Larghezza di banda del canale

29 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della frequenza) Larghezza di banda del canale L uso di un filtro formatore con risposta impulsiva di tipo radice di coseno rialzato (root raised cosine) determina una larghezza di banda a -3dB del segnale trasmesso pari circa alla metà della frequenza di simbolo.

30 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della frequenza) Potenza nel canale definizione: potenza media nella banda d interesse (ampiezza nominale del canale) del segnale RF esaminato; integrale della densità spettrale di potenza del segnale RF trasmesso sull intervallo di frequenze coincidente con la banda d interesse; obiettivo: determinare la potenza utile nella trasmissione; strumentazione: VSA, analizzatore di spettro con postelaborazione.

31 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della frequenza) Potenza nel canale

32 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della frequenza) Potenza nel canale La potenza nel canale è un parametro di fondamentale importanza in ogni sistema di comunicazione. Nel caso dei sistemi wireless occorre perseguire la minimizzazione della potenza nel canale nella realizzazione di ciascun collegamento. In questo modo si hanno due benefici fondamentali: l interferenza complessiva del sistema è mantenuta ai valori minimi e la vita delle batterie si allunga. Nei sistemi CDMA, dove l interferenza complessiva è un fattore di limitazione della capacità, il controllo della potenza emessa nel canale dai trasmettitori è un punto critico nella definizione della capacità del sistema, della copertura e della qualità del segnale.

33 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della frequenza) Banda occupata definizione: intervallo di frequenze che contiene una prefissata percentuale (spesso il 99%) della potenza complessiva associata al segnale RF trasmesso; obiettivo: verificare la capacità del trasmettitore di confinare la potenza complessiva del segnale RF trasmesso nella banda di interesse (ampiezza nominale del canale); strumentazione: VSA, analizzatore di spettro con postelaborazione.

34 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della frequenza) Banda occupata

35 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della frequenza) Frequenza della portante definizione: frequenza centrale dello spettro di potenza del segnale RF trasmesso; obiettivo: verificare che il trasmettitore operi alla frequenza nominale; strumentazione: VSA, analizzatore di spettro con postelaborazione; procedura: individuare il valore di soglia f* che divide al 50% la potenza nella banda occupata (presenza di informazione, misurazione non intrusiva).

36 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della frequenza) Frequenza della portante

37 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) Vettore errore EVM (Error Vector Magnitude) Ampiezza del vettore errore Fase del vettore errore Errore di ampiezza Errore di fase Offset sui rami I e Q Errori di fase e di frequenza Rho Potenza nel dominio dei codici

38 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) Vettore errore importanza: parametro di qualità della modulazione largamente applicato nei sistemi di comunicazione che fanno uso di schemi di modulazione numerica lineare; definizione: differenza in banda base tra segnale misurato e segnale di riferimento (ideale) in un determinato istante di tempo (generalmente un istante di simbolo); entrambi i segnali sono in formato numerico. Il segnale di riferimento è ottenuto estraendo l informazione binaria dal segnale misurato, e ricostruendo, a partire da essa, l andamento che caratterizza, in condizioni ideali, il segnale in banda base dello specifico schema di modulazione adottato dal trasmettitore.

39 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) Vettore errore Il vettore errore è una grandezza complessa caratterizzata, quindi, da ampiezza e fase. E importante non creare confusione tra l ampiezza del vettore errore e l errore di ampiezza, oppure tra la fase del vettore errore e l errore di fase. strumentazione: VSA, analizzatore di spettro dotato di specifica measurement personality.

40 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) Vettore errore L EVM (Error Vector Magnitude) è, tra le grandezze associate al vettore errore, quella più adottata per descrivere sinteticamente la qualità di uno schema di modulazione numerica lineare. Formalmente l EVM può essere definito nel modo seguente: EVM % P P e ref 100 dove: P e è la potenza media del vettore errore; P ref è la potenza media del segnale di riferimento.

41 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) Vettore errore Il vettore errore e le grandezze ad esso associate sono molto sensibili alle alterazioni che può subire il segnale generato dal trasmettitore e che possono condizionare la traiettoria di fase e di ampiezza del segnale stesso. L analisi del vettore errore e delle grandezze ad esso associate, unita a specifiche strategie di test, è un valido strumento diagnostico. Vettori errore di una certa entità, sia in corrispondenza di un simbolo sia della transizione fra due simboli successivi, possono, infatti, derivare da problemi localizzati nella sezione in banda base (generatore I/Q, filtri formatori, modulatore) e/o nelle sezioni IF o RF del trasmettitore (amplificatori intermedi e finali).

42 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) Vettore errore Diagramma polare Spettro del vettore errore Ampiezza del vettore errore nel tempo Descrizione sintetica

43 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) Offset sui rami I e Q obiettivo: verificare la presenza di carrier feedthrough; definizione: traslazione rigida del diagramma di costellazione di una modulazione numerica lineare rispetto alla sua tipica posizione sul piano I/Q (slittamento del diagramma di costellazione rispetto all origine del piano I/Q); strumentazione: VSA, analizzatore di spettro dotato di specifica measurement personality.

44 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) Offset sui rami I e Q

45 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) Errori di fase e di frequenza obiettivo: valutare la qualità di modulazioni numeriche non lineari (quali, ad esempio, la modulazione GMSK peculiare del sistema GSM); è generalmente adottata un unica procedura per la valutazione di entrambi gli errori. Errore di fase: fornisce indicazioni su quanto accuratamente l informazione binaria modula la portante RF. Errore di frequenza: fornisce indicazioni su quanto diversa sia la frequenza effettiva della portante RF dal suo valore nominale.

46 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) Errore di fase Cause Sezione in banda base Generatore I/Q Filtro formatore Modulatore Sezione a radiofrequenza Amplificatori intermedi e finali Effetti Demodulazione non corretta al ricevitore

47 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) Errore di frequenza Cause Effetti Errore costante Frequenza portante diversa da quella nominale Errore non costante Instabilità a breve termine nell oscillatore locale Conversione AM-PM nell amplificatore Indice di modulazione non appropriato (nel caso di modulazioni analogiche) Perdita capacità di aggancio al ricevitore Interferenza con altri utenti

48 Misurazioni in banda / nel canale (dominio della modulazione) Errori di fase e di frequenza Traiettoria di fase misurata Retta ai minimi quadrati Demodulazione Traiettoria di fase ideale Errore di frequenza: Df DT D T D f GSM900 < 90Hz DCS1800 < 180Hz Differenza tra la traiettoria ideale e quella misurata Errore di fase Picco < 20 RMS < 5

49 Misurazioni in banda / fuori canale Misurazioni nel dominio della frequenza ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) Segnali spuri

50 Misurazioni in banda / fuori canale (dominio della frequenza) ACPR obiettivo: verificare che durante la trasmissione non occorrano interferenze con i canali adiacenti; definizione: rapporto tra la potenza nel canale adiacente e la potenza nel canale di trasmissione (in frequenza); dove: ACPR P P P AC è la potenza nel canale adiacente; P è la potenza nel canale di trasmissione. AC

51 Misurazioni in banda / fuori canale (dominio della frequenza) ACPR L ACPR può essere misurato con riferimento all upper channel o al lower channel, a seconda se ci si riferisca all intervallo di frequenze rispettivamente superiore o inferiore a quello definito dalla banda di trasmissione. La ricrescita spettrale (spectral regrowth) è un indice di quanto aumenta la potenza nei canali adiacenti (i.e. di quanto maggiore è la fuga di potenza nei canali adiacenti) per uno specifico incremento della potenza nel canale di trasmissione.

52 Misurazioni in banda / fuori canale (dominio della frequenza) Segnali spuri obiettivo: verificare che fenomeni interferenti che interessano la banda del sistema di comunicazione e dovuti a differenti combinazioni dei segnali presenti nel trasmettitore siano al di sotto dei livelli indicati dalla normativa; definizione: ampiezza e posizione in frequenza di emissioni spurie che si manifestano all interno della banda del sistema; strumentazione: analizzatore di spettro.

53 Misurazioni fuori banda Misurazioni nel dominio della frequenza Armoniche Segnali spuri

54 Misurazioni fuori banda (dominio della frequenza) Armoniche obiettivo: verificare l eventuale comportamento non-lineare del trasmettitore e l assenza di interferenza con altri sistemi di comunicazione; definizione: ampiezza di fenomeni interferenti centrati a multipli della frequenza portante del segnale RF trasmesso; strumentazione: analizzatore di spettro.

55 Misurazioni fuori banda (dominio della frequenza) Segnali spuri obiettivo: verificare che fenomeni interferenti che cadono all esterno della banda del sistema di comunicazione e dovuti a differenti combinazioni dei segnali presenti nel trasmettitore siano al di sotto dei livelli indicati dalla normativa; definizione: ampiezza e posizione in frequenza di emissioni spurie che si manifestano all esterno della banda del sistema; strumentazione: analizzatore di spettro.