Instrumentos de RF possuem muitas especificações que caracterizam o seu desempenho. Embora as tecnologias wireless estejam sempre mudando, os engenheiros são convidados frequentemente a projetar e testar dispositivos e componentes de RF que podem estar além do seu nível de experiência. Este artigo de três partes foi criado para ajudá-lo a entender as especificações básicas e avançadas de instrumentos de RE Os artigos abordarão as especificações de geradores e analisadores genéricos. Esta "Parte 1" detalha as especificações, incluindo faixa de frequência, largura de banda instantânea, velocidade de ajuste, ruído de fase, e relação de onda estacionária (ROE).
Guilherme Kenji Yamamoto, Gustavo Guirao Licínio Peixinho, Renan Airosa M. de Azevedo -National Instruments
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 468 de Março/Abril de 2013.
Faixa de frequência
A faixa de frequência é, sem dúvida, a mais importante característica dos instrumentos de RF. Por exemplo, uma solução de teste WiFi requer operação em frequências acima de 2,5 GHz. Similarmente, ao realizar a análise de um componente que opera em 900 MHz, o instrumento deve operar nesta faixa de frequência para ser útil. Uma variedade de componentes pode afetar a máxima faixa de frequência de um instrumento de RF, incluindo mixers, filtros de entrada e osciladores locais (OLs). No entanto, a configuração do instrumento para funcionar em uma frequência específica é realizada principalmente pelo ajuste do OL. Alguns instrumentos usam uma série de múltiplos OLs, mas o diagrama de blocos simplificado do instrumento mostrado na figura 1 utiliza um único OL.
O sinal do OL é misturado com a entrada de RF, o que ajuda a converter o sinal de RF para um sinal de frequência intermediária (FI). A mesma técnica de síntese de frequência também é aplicada aos geradores de sinais de RF.
A síntese de frequência é realizada utilizando um oscilador controlado por tensão (VCO), ou uma Yttrium Iron Garnet (YIG). Historicamente, instrumentos de RF usam uma arquitetura baseada em YIG como um mecanismo para gerar o OL. O YIG é um oscilador controlado por corrente conhecido por seu pequeno ruído de fase e grandes faixas de frequência (até 20 GHz, ou maiores). Contudo, instrumentos baseados em YIG normalmente consomem mais energia e podem ter um custo maior. Além disso, ajustar o YIG de uma frequência para a próxima requer tempos de ajuste maiores do que outros métodos. Como resultado, arquiteturas de OL baseadas em VCO recentemente se tornaram mais comuns. O VCO tem uma faixa de frequência menor do que o YIG, mas sua velocidade de ajuste é muito mais rápida.
Largura de Banda Instantânea (Tempo Real)
O termo Largura de Banda Instantânea, ou Tempo Real, é utilizado para descrever a máxima largura de banda em RF contínua que um instrumento pode gerar ou adquirir. Por exemplo, um gerador de sinais vetoriais deve gerar um sinal em uma frequência central de 2,45 GHz, mas a largura debanda instantânea do instrumento, ou largura de banda do sinal, pode ter somente 20 MHz de largura. Esta largura de banda do sinal significa que o dispositivo pode continuamente adquirir 20 MHz do espectro de RF sem reajustar o OL.
A largura de banda instantânea é largamente determinada pelo front-end analógico de RF do instrumento. Para um melhor entendimento da especificação largura de banda instantânea, é útil entender a arquitetura básica de um instrumento de RF. A tecnologia atual não permite digitalizar todos os sinais na faixa de giga-hertz. Assim, os instrumentos de RF utilizam uma série de OLs, mixers, e filtros para trazer um sinal de RF para uma faixa de frequência intermediária ou em banda base. A figura 2 mostra o diagrama de blocos de um analisador de sinais vetoriais simplificado.
Nessa figura, o analisador de sinais vetoriais converte uma porção do espectro de RF para uma FI que seja reconhecida pelo ADC. A largura de banda instantânea de um instrumento de RF é determinada por dois componentes principais:
• Os filtros implementados no instrumento;
• Taxa de amostragem e largura de banda do ADC.
A largura de banda do instrumento é importante, dependendo da aplicação. Por exemplo, a geração de um sinal FM debanda estreita requer somente uma largura debanda instantânea de 200 kHz. Porém, a geração e análise de sinais de banda larga, como um IEEE Padrão 802.11g (WiFi), requer no mínimo, 20 MHz de largura de banda instantânea. Outras aplicações, como um teste de máscara espectral, são executados mais rapidamente quando a largura de banda instantânea é significantemente mais larga do que o sinal de interesse. No caso em que um teste de máscara espectral requerer mais largura de banda instantânea do que o instrumento provê, o instrumento deverá se reajustar para adquirir a informação de frequência por partes.
Velocidade de Ajuste
A Velocidade de Ajuste mede o tempo necessário para o OL mudar de uma frequência central para outra, com um nível de precisão especificado. Ao sintonizar um oscilador para uma frequência diferente, o tempo de estabilização do OL determina a velocidade de ajuste.
Em sistemas típicos, quando se sintoniza de uma frequência para outra, o OL geralmente ultrapassa levemente a frequência desejada e, em seguida, estabiliza-se na frequência desejada em certo período de tempo. Na maioria dos casos, a velocidade de ajuste é função do tamanho do passo de frequência. Quanto maior o passo de frequência, maior é o tempo necessário para o OL sintonizar com uma faixa especificada. A tabela 1 ilustra o tempo de estabilização para um OL baseado em YIG.
A velocidade de ajuste é uma importante especificação em aplicações como um teste de produção automatizado de um transceptor 802.11g. Devido ao padrão 802.11g especificar que os dispositivos devem funcionar em um dos 14 canais entre 2,4 GHz e 2,48 GHz, os instrumentos de RF devem ser utilizados para testar a operação dos dispositivos através de uma variedade de frequências. Quanto mais rápido o sinal de teste varrer de uma estação para a próxima, mais rápido o transceptor é testado.
Ruído de fase
O ruído de fase descreve a estabilidade de frequência de curto prazo de um instrumento de RF. O ruído de rase é causado por pequenas diferenças instantâneas na fase do OL e resulta em sinais indesejados em frequências adjacentes à portadora.
Um modo fácil para visualizar os efeitos do ruído de fase é analisar um único tom no domínio da frequência. A figura 3 representa duas portadoras simuladas — uma portadora ideal e outra portadora com ruído de fase.
O gráfico da esquerda na figura 3 ilustra a geração de um único tom, o qual idealmente resulta em um único pico de potência concentrado em uma frequência muito precisa. Um resultado ligeiramente diferente é mostrado no gráfico da direita, onde o ruído de fase (essencialmente um jitter no domínio do tempo) resulta em um ligeiro espalhamento periódico do sinal no domínio da frequência.
O ruído de fase é caracterizado para medição da amplitude do sinal em vários pontos de offset a partir da frequência desejada. No gráfico da direita na figura 3, nós medimos um ruído de fase de -95 dBc em um offset de 1 kHz e -146 dBc em um offset de 10 kHz.
A significância do ruído de fase de um instrumento de RF varia de uma aplicação para outra. Um pequeno ruído de fase é requerido na detecção de sinais bloqueadores debaixo nível que estejam perto de um sinal de interesse em particular. Quando se utiliza um OL com ruído de fase significativo, o ruído de fase é amplificado no sinal de FI resultante. A figura 4 mostra o ruído de fase do OL traduzido para o ruído de fase do sinal de FI resultante.
Nesta aplicação em particular, o ruído de fase de dois sinais que interferem um com o outro, tornando mais difícil a identificação das características do sinal bloqueador específico.
A visualização da demodulação de um sinal através da constelação é outro meio para ilustrar os efeitos do ruído de fase. Um sinal com ruído de fase significativo mostra ligeiras rotações periódicas na constelação. A figura 5 compara um sinal modulado QPSK ideal como quatro símbolos, representado por pontos pretos, sendo transmitido no gráfico à esquerda para um sinal como ruído de fase significativo no gráfico à direita.
O ruído de fase afeta as medições reais devido à degradação do desempenho da magnitude do vetor de erro (EVM — Error Vector Magnitude) de um instrumento de RF. Para testes de taxa de erro de bit (BER — Bit Error Rate), o ruído de fase contribui significantemente para maiores taxas de erro.
Relação de onda estacionária (ROE)
A relação de onda estacionária (ROE ou VSWR, do termo em inglês Voltage Standing Wave Ratio) está intimamente relacionada com a teoria de linhas de transmissão e se torna mais importante à medida com que a faixa de frequência do instrumento cresce. Em altos níveis, o ROE mede reflexões do sinal que ocorrem devido ao descasamento de impedância ao longo da linha de transmissão.
Idealmente, a impedância de um instrumento de RF (tipicamente 50 O) combina com a impedância de cada um dos cabos e com a impedância do dispositivo em teste. Entretanto, diversas imperfeições como assimetrias das trilhas do sinal e variações entre componentes do mesmo modelo alteram a impedância característica do instrumento. Como resultado, reflexões do sinal ocorrem na transmissão e afetam a precisão de amplitude e fase do sinal.
A amplitude do sinal refletido é dependente das propriedades do material utilizado e da faixa de frequência. O descaramento de impedância na linha de transmissão provoca diretamente o ROE, que geralmente é mais problemático em frequências mais altas. Por exemplo, um ROE de 1:1 representa um sistema perfeitamente casado. Ao contrário, um ROE de 1,1:1 significa que até 10% da amplitude do sinal é refletido na linha de transmissão.
Assim como o ROE é dependente das propriedades do material, seu valor pode ser calculado baseado em um coeficiente de reflexão, T, como mostrado na seguinte equação: ROE=(1+11-1)/(1-11-1)
O ROE afeta substancialmente um sinal de teste porque gera variações na sua fase ou na amplitude. Além disso, a amplitude do sinal gerado aumenta ou diminui, dependendo da fase de reflexão do ROE. A figura 6 ilustra como as reflexões do ROE afetam a amplitude do sinal. Uma reflexão que está fora de fase com o sinal original pode causar um leve efeito de cancelamento. O sinal composto nessa figura mostra uma amplitude ligeiramente reduzida. Na maioria dos casos, o ROE é reduzido através do uso de atenuadores internos ou externos. Assim, o aumento do nível de referência do instrumento reduz o ROE através de atenuação interna.
A Relação de Onda Estacionária é uma importante especificação porque ela afeta significantemente a precisão de amplitude do instrumento. Algumas aplicações, como caracterização de filtros de RF, requerem a maior precisão de amplitude possível. Devido a um filtro de RF ser caracterizado através da medição da perda de amplitude de acordo com a frequência do sinal de estímulo, a precisão de amplitude tanto do sinal de estímulo quanto do instrumento de análise são fundamentais.
Conclusão
O artigo "Entendendo as especificações de instrumentos de RF — Parte 1" fornece informações básicas sobre relevantes especificações de RF. Relembre que muitas destas especificações se aplicam a todos os dispositivos de RF e não somente aos instrumentos. Assim, você provavelmente encontrará algumas destas especificações em seus próprios projetos. O próximo artigo desta série de três partes explicará as especificações utilizadas para caracterizar os geradores de RF, incluindo tolerância de frequência, linearidade, potência de saída, ponto de compressão de 1 dB, e ponto de interceptação de terceira ordem.
