As especificações de instrumentos de RF caracterizam o desempenho dos mesmos. Para acompanhar a constante evolução das tecnologias wireless, engenheiros de todos os níveis são convidados frequentemente a projetar e testar componentes de RE Este artigo é a Parte 2 de uma série de três artigos criada para ajudar os engenheiros a entenderas especificações básicas e avançadas de instrumentos de RE, que está focalizada em geradores de sinais de RF, analisando as especificações de tolerância de frequência, precisão do nível de saída, faixa de potência de saída, distorção por intermodulação, e largura de banda de modulação.
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 469 de abril de 2013.
Tolerância de frequência (precisão e resolução)
A Tolerância de Frequência descreve a precisão de frequência de uma frequência central ou sinal de portadora. Especificamente, a tolerância de frequência é o desvio máximo, em hertz, a partir de uma frequência central desejada. Esta especificação normalmente se aplica tanto aos geradores quanto aos analisadores de sinais vetoriais. Você pode utilizar um contador de frequências para medir a tolerância de frequência.
Uma variedade de componentes pode influenciar a tolerância de frequência, mas o oscilador local (OL) do instrumento tem o maior efeito. A síntese de RF de um OL é baseada em um circuito phased-lockerd-loop (PLL), logo a precisão do cristal oscilador, normalmente um cristal oscilador controlado por tensão (VCXO) ou um cristal oscila dor controlado por temperatura (OCX0), pode afetar significantemente a precisão de frequência do OL. Por isso, a precisão da fonte de referência é tipicamente especificada em partes por bilhão (ppb).
Para geradores de sinais de RF que implementam o upconversion diretamente, a tolerância de frequência depende somente da precisão de frequência do OL. A figura 1 mostra que tanto o OL quanto a precisão de frequência do sinal de frequência intermediária (FI) podem afetar a tolerância de frequência em um gerador de sinais de RF.
Para algumas aplicações, a resolução de frequência do instrumento de RF é mais importante do que a precisão de frequência absoluta. Por exemplo, a precisão de frequência de alguns dispositivos wireless geralmente é de 100 Hz ou mais. A precisão de frequência do instrumento de RF nem sempre é essencial porque esses dispositivos utilizam processadores digitais de sinais (DSP) para remover os desvios da portadora.
Ao contrário da tolerância de frequência, a resolução de frequência é a capacidade de um instrumento alcançar frequências exatas em vez de coagir um sinal para a mais próxima frequência alcançável. Para geradores de ondas de RF continuas e para geradores de sinais vetoriais de RF com upconversion direta, a resolução de frequência é baseada inteiramente na resolução de frequência do OL. Uma resolução de frequência mais precisa pode ser obtida por geradores de sinais vetoriais com uma arquitetura super-heteródina. Em alguns desses instrumentos, algumas técnicas de processamento de sinais, como sínteses digitais diretas, permitem que esses instrumentos atinjam uma resolução de frequência menor do que 1 µHz.
Precisão do Nível de Saída
A Precisão do Nível de Saída caracteriza o erro de amplitude de um gerador de RF através de uma larga faixa de frequências. A precisão do nível de saída é medida em dB como o desvio a partir do nível de saída desejado. A figura 2 revela que o nível de precisão de um gerador de sinais vetoriais é afetado por uma variedade de fontes, incluindo a linearidade do conversor digital/analógico (DIA), atenuadores, mixers, e até mesmo a temperatura.
As variações destes componentes em relação ao desempenho ideal são muitas vezes previsíveis e muitos geradores de sinais de RF podem alcançar níveis de precisão da saída melhores através de sofisticados esquemas de calibração.
"Entendendo as especificações de instrumentos de RF – Parte 1 (INS713)", desta série, detalha o ROE, que é uma das mais interessantes contribuições ao nível de precisão da saída. O ROE é resultado de um pequeno descasamento de impedância (a partir de 50Ω) no sistema. Descasamentos de impedância causam reflexões do sinal que reduzem o nível de precisão da saída porque as reflexões podem significantemente afetar a amplitude da saída de RF.
A precisão do nível da saída é particularmente importante em aplicações de banda larga. Diferentes níveis de potência através da faixa de frequências podem distorcer um sinal modulado e aumentar as medidas da Magnitude do Vetor de Erro (EVM, do inglês Error Vector Magnitude). Por exemplo, um receptor WCDMA (Wideband Cade Division Multiple Access) requer 5 MHz de largura de banda. Se o nível de potência através desta banda for inconsistente, a demodulação dos símbolos será afetada negativamente. De fato, qualquer esquema de modulação de ordens superiores, como 256-QAM (Quadrature Amplitude Modulation), pode ser afetado por pequenas variações de amplitude dentro da banda em interesse. Assim, a degradação do EVM para esquemas de banda larga com alta ordem de modulação é resultado da baixa precisão do nível da saída.
Faixa de potências de saída
A Faixa de Potências de Saída indica a faixa de potências disponíveis para os sinais gerados. A potência de saída é a potência gerada que é transmitida, medida em dBm, pelo instrumento de RF antes do sinal viajar através de qualquer meio. Assim, a faixa de potências de saída não considera as perdas criadas pelo canal de transmissão. Você pode aplicar o ganho do canal de transmissão à potência de saída para calcular a potência efetivamente irradiada (ERP, do inglês Effective Radiated Power). A figura 3 ilustra que a faixa de potências de saída é determinada pela potência de FI gerada pelo conversor D/A e qualquer ganho que é aplicado durante a upconversion.
As potências máxima e mínima de saída de um gerador de sinais de RF são especificações importantes. Durante a especificação da potência mínima, o ruído de fundo do instrumento e qualquer espúrio de baixo nível determinam a mínima potência de sinal utilizável. Por exemplo, se um instrumento tem um ruído de fundo de -140 dBm/Hz, um usuário somente alcançará uma faixa dinâmica efetiva de 80 dB em níveis de potência iguais ou maiores do que -60 dBm. Assim, quando determinar a mínima potência de saída, o ruído de fundo do dispositivo também deve ser considerado. Por exemplo, considere os dispositivos GPS (Global Positioning System). Devido a esses dispositivos utilizarem sinais de baixo nível, eles requerem um instrumento com o menor ruído de fundo possível.
A máxima potência de saída tipicamente é função da linearidade do amplificador. Devido aos amplificadores de RF introduzirem produtos de distorção à medida que se aproximam do ponto de saturação, as especificações de máxima potência de saída são mais úteis quando consideradas em conjunto com as especificações de distorção. Para a maioria das aplicações, a potência de saída requerida depende dos requisitos do dispositivo sob teste (DUT, do termo em inglês Device Under Test). Por exemplo, dispositivos como os transceptores Low Power Devim 433 MHz são dispositivos de curto alcance que transmitem cerca de 10 mW. Para testar estes dispositivos, a máxima potência de saída requerida é -20 dBm para uma conexão direta com o DUT. Por outro lado, as especificações de códigos eletrônicos de produtos permitem que transmissores de identificação por radiofrequência transmitam até 1 watt de potência (+30dBm). Este nível está fora do intervalo da maioria dos geradores de sinais vetoriais, logo é necessária a utilização de amplificadores externos.
Distorção por intermodulação
A Medição dos Produtos de Distorção de terceira ordem de um instrumento de RF gera a especificação "distorção por intermodulação" (IMD3, do termo em inglês lntermodulation Distortion), que caracteriza a linearidade do instrumento de RF. Em um sistema de RF, componentes como mixers e amplificadores frequentemente introduzem produtos de distorção. Esses produtos de distorção se tornam mais evidentes à medida que os componentes se aproximam dos níveis de saturação, além de estarem ainda presentes mesmo em níveis baixos de energia. A figura 4 destaca cada um dos componentes responsáveis pela IMD3.
Note que nesta figura a distorção é mais predominante na cadeia de sinal de RF onde os mixers e amplificadores são utilizados.
Uma das formas mais simples de especificar os produtos de distorção de terceira ordem é com um teste de intermodulação de dois tons. Com esse teste, dois tons de mesmo nível de potência e em frequências diferentes (normalmente espaçadas com algumas centenas de quilohertz) são gerados por um gerador de sinais vetoriais. Você pode observar os produtos de distorção e os dois tons de interesse após a geração. A figura 5 mostra os produtos de um teste de IMD3.
Conforme a figura ilustra, os produtos de distorção de segunda ordem (f2 – f1, 2f1, f1 + f2, e 2f2) são gerados longe do sinal de interesse. Por conseguinte, esses produtos de distorção podem ser facilmente filtrados sem afetar o sinal desejado. Entretanto, os produtos de distorção de segunda ordem também produzem distorção com os tons fundamentais. Como resultado temos os produtos de terceira ordem, que são muito mais problemáticos.
A figura 5 mostra que a distorção de terceira ordem existe tanto longe do sinal de interesse (3f1, 2f1 + f2, f1+ 2f2, e 3f2) quanto perto do sinal de interesse (2f1- f2, 2f2- f1). Muitos dos produtos de distorção de terceira ordem podem ser filtrados, mas os produtos próximos ao sinal de interesse não podem. Deste modo, esses produtos de distorção são muito utilizados como uma medida da linearidade de saída do sistema. Assim, o IMD3 especifica a diferença de amplitude em dB entre os tons fundamentais e os produtos de distorção de terceira ordem. Devido às distorções serem mais prevalentes em níveis de potência maiores, a especificação da potência de saída de uma medida de IMD3 também é importante.
A IMD3 é uma importante e interessante especificação de RF. Os produtos de intermodulação não podem ser facilmente filtrados por estarem próximos ao sinal de interesse. Portanto, os produtos de distorção podem afetar significantemente a precisão de uma forma de onda modulada. Esses efeitos normalmente são observados no desempenho degradado da EVM do instrumento. Assim, a distorção IM D3 e mais significante em sistemas com requisitos rigorosos de desempenho de EVM. Testes em receptores com esquemas de modulação de altas ordens (como 64- QAM) resultam em requisitos de EVM mais rigorosos. Para esses dispositivos, escolha um instrumento com excelentes especificações de distorção.
Largura de banda de modulação (I/Q Rate)
Outra especificação de geradores de sinais de RF que é crítica para geradores de sinais vetoriais é a largura de banda de modulação de RF. A Largura de Banda de Modulação é definida pela máxima taxa de amostragem em banda base, ou I/Q rate. Essa largura de banda é uma derivação do teorema de amostragem de Shannon, o qual afirma que uma forma de onda digital deve ser atualizada pelo menos duas vezes mais rápido que a largura de banda do sinal para que a forma de onda digital seja precisamente gerada. A largura de banda de modulação é controlada diretamente pelo gerador de forma de onda aleatória (ARB, do termo em inglês Arbitrary Waveform Generator) do equipamento de RF, destacado na figura 6. Em alguns instrumentos, particularmente os mais antigos, o front-end de RF do equipamento pode realmente ser maior do que a largura de banda de modulação.
Reciprocamente, a largura de banda de passagem do front-end de RF pode afetar a largura de banda de modulação se a largura de banda do upconverter for menor que a largura de banda gerada pelo ARB. Ao gerar sinais modulados com uni gerador de sinais vetoriais, a largura de banda útil do instrumento é apenas tão larga quanto a largura de banda de modulação do instrumento.
A máxima taxa de amostragem em banda base (IIQ rate) define a largura de banda de modulação e é altamente dependente das capacidades de processamento do instrumento. A figura 6 destaca o back-end digital de um diagrama de blocos de um gerador de sinais vetoriais. A largura de banda do sinal de FI (ou sinal em banda base, dependendo do método de upconversion) determina a largura de banda da saída de RF.
Para muitas aplicações, a largura de banda de modulação frequentemente é uma especificação não negociável que é determinada pelo padrão de comunicação em particular. Por exemplo, a geração de sinal WiFi (IEEE 802.11g) requer uma largura de banda de modulação de até 20 MHz. Em contraste, a geração de canais de celular WCDMA requer somente 5 MHz de largura de banda de modulação. Em cada urna dessas aplicações, é importante ter uma largura de banda de modulação que seja muito maior do que o sinal sendo gerado. Os conversores D/A Sample-and-Hold produzem aliases em múltiplos de sua taxa de amostragem. Consequentemente, uma sobre amostragem do sinal pode levar as imagens em banda base ou FI para longe da largura de banda de interesse.
Uma variedade de estratégias pode ser utilizada para aumentar a largura de banda de modulação do instrumento. Por exemplo, frequentemente os geradores de sinais vetoriais que fazem a upconversion diretamente suportam entradas externas de sinais I&Q em banda base para aumentar a largura de banda de modulação do instrumento. Adicionalmente, outros instrumentos utilizam técnicas de processamento de sinais para maximizar a taxa de amostragem em banda base (ou FI) sem a necessidade de armazenar uma forma de onda adicional. Muitos instrumentos NI PXI e NI PXI Express suportam a transferência de dados contínua de unidades de dados digitais na largura de banda de RF total do instrumento.
Conclusão
As especificações descritas neste artigo são apresentadas devido à sua importância na caracterização de geradores de sinais, bem como de todo o sistema de RF. Na parte 3 desta série serão explicadas algumas especificações comuns utilizadas para caracterizar os analisadores de sinais vetoriais de RF, como faixa dinâmica, largura de banda de resolução, e ruído de fundo.
