АЛГОРИТМ  АВТОМАТИЗАЦИИ  ИЗМЕРЕНИЙ  МОЩНОСТИ  СОСТАВЛЯЮЩИХ  СПЕКТРА  СИГНАЛА

Михлин  Евгений  Юрьевич

аспирант, "Сибирский Федеральный Университет",  РФ,  г.  Красноярвск

E -mail:  emikhlin@yandex.ru

AN  ALGORITHM  FOR  AUTOMATION  PROCESS  OF  MEASUREMENT  OF  ELEMENTS  POWER  SPECTRUM

Mikhlin  Evgeny

postgraduate student,  Siberian Federal University,  Russia,  Krasnoyarsk

АНТОАЦИЯ

В  статье  описываются  проблемы  автоматизации  измерений  мощности  сигналов,  а  также  предлагается  алгоритм  реализации  автоматических  измерений  величин  составляющих  спектра  мощности.  Основные  рассматриваемые  проблемы:  автоматическое  детектирование  пиков  гармоник;  оптимальные  настройки  для  автоматического  измерения;  методы  снижения  влияния  искажений  сигнала  на  точность  измерения.

ABSTRACT

This  article  describes  the  problems  of  automating  measurement  of  the  signal  power,  and  propose  an  algorithm  for  automatic  measurement  of  the  adjacent  channels  of  the  power  spectrum.  The  main  issues  under  consideration  in  article:  automatic  detection  of  peaks  of  harmonics;  optimal  settings  for  automatic  measurement;  methods  to  reduce  the  impact  of  signal  distortion  on  the  measurement  accuracy.

Ключевые  слова:   автоматизация  тестирования;  измерение  мощности;  спектр  мощности;

Keywords:  test  automation;  power  measurement;  power  spectrum;

В  настоящее  время,  оборудование  для  автоматизации  процессов  тестирования  радиооборудования  и  его  составных  частей,  занимает  все  более  прочное  место  в  отделах  поверки,  тестирования,  и  прочих  метрологических  отделах.  Автоматизация  метрологических  процессов  происходит  не  только  на  крупных  производствах,  но  и  в  небольших  организациях  выпускающих  штучный  продукт,  каждый  из  которых  требует  всесторонних  испытаний  [1]. 

В  основном,  испытаниям  в  приемо-передающих  радиоустройствах  подвергаются:  модуляторы-демодуляторы  (далее  по  тексту  —  модемы),  а  также,  радиотракт  приемо-передающего  устройства  (система  фильтрации,  АРУ,  конвертер  и  т.  д.).  Наиболее  распространенными  показателями,  по  версии  компании  National  Instruments,  для  оценки  цифровой  модуляции,  являются:  частота  появления  ошибок  по  битам  (BER),  коэффициент  ошибки  модуляции  (MER)  и  модуль  вектора  ошибки  (EVM).  Для  спектральных  измерений:  спектр  мощности,  мощность  и  частота  пиков,  полосовая  мощность  сигнала,  мощность  в  соседнем  канале,  измерение  занимаемой  полосы  [2].  Эти  же  показатели  являются  широко  распространенными  и  у  других  лидеров  рынка  измерительного  оборудования,  таких  как  Agilent  Technology,  Rohde  &  Schwarz,  Tektronix  и  др.  [3]. 

Спектральные  измерения,  из-за  разнообразности  процессов  приводящих  к  ошибкам  в  тестировании,  часто  требуют  наличие  оператора  и  ручного  измерения  показателей  (выставление  маркеров,  настройка  RBW  и  VBW,  усреднение  и  т.  д.).  В  качестве  процессов,  затрудняющих  автоматизацию  спектральных  измерений  могут  быть:  значительные  шумы  в  канале  мешающие  автоматическому  детектированию  отдельных  спектральных  гармоник  сигнала;  дрожание  частот;  спектральные  утечки,  вызванные  неполным  числом  периодов  на  сетку  анализатора;  изменчивость  характеристик  сигнала  (скорости  данных,  мощности,  центральной  частоты  и  т.  д.)  усложняющих  автоматизацию  измерений; 

В  данной  работе  был  разработан  алгоритм  автоматических  измерений  мощности  боковых  гармоник  принимаемого  сигнала. 

Алгоритм  был  разработан  на  основе  аппаратной  платформы  PXI  компании  National  Instruments,  включающей  в  себя  векторный  анализатор  PXIe-5663  и  векторный  генератор  PXIe-5673.  Использовалось  программное  обеспечение  LabView,  и  драйвера  RFSA  и  RFSG  для  анализатора  и  генератора  соответственно.

Блок  схема  разработанного  алгоритма  представлена  на  рисунке  1.

Рисунок  1.  Блок  схема  алгоритма  автоматического  измерения  мощности  боковой  гармоники,  с  заданным  значением  отклонения  частоты

Как  видно  из  рисунка  1,  на  первом  этапе,  после  стандартных  настроек  спектра  устанавливают  значение  возможного  отклонении  нужной  нам  гармоники.  Этот  показатель  настраивается  исходя  из  поведения  детектируемого  сигнала,  в  общем  случае  он  должен  быть  равен  или  больше  значения  дрожания  частоты  и  учитывать  постоянные  частотные  отклонения,  если  они  имеют  место  во  входном  сигнале,  либо  при  его  получении  и  обработки.  А  также,  значение  отклонения  частоты  должно  покрывать  влияние  фазовых  шумов  на  спектр.  Следующими  важными  настройками  при  начале  измерения  являются  настройки  детектирования  пиков  сигнала,  программа  позволяет  ограничивать  максимальное  число  пиков  в  сигнале,  выделяя  пики  с  максимальной  мощностью,  а  также  устанавливать  порог  детектирования  пиков  в  спектре  мощности  входного  сигнала.  Эти  характеристики  устанавливаются  исходя  из  ожидаемой  формы  спектра  и  мощности  измеряемых  гармоник,  правильно  подобранные  значения  предела  по  мощности  и  количества  детектируемых  пиков  позволяет  снизить  вероятность  ошибочных  измерений,  в  случае  если  паразитных  пиков  слишком  много  —  программа  измеряет  значение  спектра  без  корректировки  частоты.

После  получения  спектра  происходит  среднеквадратичное  усреднение  его  значений  для  снижения  влияния  гаусовского  шума  и  прочих  сторонних  помех.  После  чего,  происходит  переход  к  процессу  детектирования  пиков  во  всей  полосе  частот  и  выявление  пиков  в  полосе  интересующей  боковой  гармоники  с  заданной  девиацией.  При  не  обнаружении  пиков  в  указанной  полосе,  на  индикатор  выводится  сообщение  об  их  отсутствии  и  измерение  мощности  происходит  в  изначально  заданном  значении  частоты.  Причинами  отсутствия  вершин  могут  быть  значительные  спектральные  утечки,  в  таком  случае  подбирается  более  подходящее  окно  измерения,  корректируются  значения  RBW,  если  возможно,  меняется  режим  генерации  передатчика  сигнала.  Другим  случаем  при  анализе  вершин  в  полосе,  является,  уже  затронутая  ранее  ситуация,  когда  пиков  в  выбранной  полосе  больше  одного.  Как  показывает  практика,  даже  при  корректной  настройке  всех  входных  характеристик  такой  случай  является  не  редкостью,  в  измеряемый  канал  могут  попасть  побочные  составляющие  входного  сигнала  при  неэффективной  системе  фильтрации  полосы  сигнала  в  анализаторе,  либо  возникновение  побочных  составляющих  в  самом  анализаторе  после  прохождения  конвертора  и  отсутствия  дальнейшей  фильтрации.  При  обнаружении  нескольких  пиков  в  измеряемой  полосе,  программа  выделяет  два  наибольших  и  сравнивает  их  значения,  если  разница  между  пиками  более  6дБ  —  выбирается  максимальный,  в  противном  случае  программа  выдает  сообщение  о  некорректной  настройке  входных  характеристик  и  измерения  проводятся  без  корректировки  частоты.  Значение  разницы  между  максимальными  пиками  может  варьироваться  в  зависимости  от  свойств  измеряемого  сигнала  и  формы  спектра,  в  некоторых  случаях,  этап  определения  разницы  между  наибольшими  пиками  может  быть  упразднен  и  выбираться  будет  пик  с  максимальным  значением,  независимо  от  разницы  с  остальными  пиками.  Также,  часто,  в  измеряемой  полосе  присутствует  два  практически  равнозначных  пика,  в  таком  случае,  следует  выбирать  пик  соответствующий  наименьшей  девиации  от  нескорректированной  частоты.

После  выбора  гармоники,  значение  частоты  проходит  среднеквадратичное  усреднение  и  устанавливается  новое,  скорректированное  значение  частоты  измеряемой  гармоники. 

Завершающим  этапом  является  непосредственное  измерение  мощности  гармоники,  на  этом  этапе,  важное  значение  играет  полоса  в  которой  измеряется  мощность.  Для  корректного  измерения,  полоса  должна  превышать  шаг  между  спектральными  линиями  спектра  (RBW),  а  также  в  значительной  мере  учитывать  спектральные  утечки  измеренного  сигнала.  Определение  меры  распределения  энергии  сигнала  по  оси  частот  предлагаемый  алгоритм  не  учитывает  и  данная  задача  ложится  на  плечи  оператора.  Помимо  определения  ширины  измеряемой  полосы  гармоники,  для  уменьшения  влияния  спектральных  утечек  необходимо  выбрать  оптимальную  функцию  окна  измерений.  После  измерения,  значения  мощности  усредняется,  для  устранения  влияния  шумов  и  фиксируется  в  окне  измерений  программы  в  дБм.  Код  верхнего  уровня,  части  программы  автоматического  измерения  боковых  гармоник,  представлен  на  рисунке  2.  Часть  кода  является  составным  блоком  программы  управления  (SubVI)  измерительной  установкой  на  базе  программно-аппаратной  платформы  NI  PXI. 

Рисунок  2.  Код  верхнего  уровня  программы  автоматического  измерения  боковых  гармоник

На  рисунках  3  и  4  представлены  графики  спектра  мощности  (полный  и  укрупненная  часть)  входного  сигнала  с  модуляцией  4QAM  и  смещением  центральной  частоты  в  8  кГц.  Маркерами  указаны  полоса  измерения  мощности  смежного  канала  без  корректировки  частоты  (справа)  и  полоса  измерения  канала  с  корректировкой  частоты  (слева).  Как  видно  из  рисунка  4,  корректировка  позволяет  точно  определить  пик  боковой  гармоники  и  захватить  полную  мощность  смежного  канала  не  зависимо  от  смещения  или  дрожания  частоты.  Многоступенчатые  усреднения  позволяют  значительно  снизить  влияние  шумов  и  исключить  возможные  ошибки  при  ручном  измерении  мощности  гармоник.

Рисунок  3.  Спектр  мощности  входного  сигнала  с  модуляцией  4QAM  и  смещением  центральной  частоты  в  8  кГц

Рисунок  4.  Спектр  мощности  входного  сигнала  с  модуляцией  4QAM,  укрупненная  часть

Как  было  представлено  выше,  автоматизация  измерений  мощности  отдельных  гармоник  спектра  не  только  позволяет  сократить  использование  человеческого  труда  и  понизить  стоимость  и  время  тестирования,  но  и  позволяет  повысить  точность  измерений  из-за  устранения  статистических  ошибок.  Тем  не  менее,  для  корректной  автоматизации  измерительных  процессов  необходима  тщательная  настройка  тестирующего  оборудования  в  соответствии  с  решаемыми  задачами.  Дальнейшие  перспективы  развития  лежат  в  максимальной  автономизации  работы  программы  включающей  в  себя  глубокий  анализ  входного  сигнала  и  автоматическое  выставление  настроек  измерения  спектра,  включающие  в  себя  оценку  спектральных  утечек,  выбора  подходящего  фильтра  окна  измерений,  а  также  определения  полосы  в  которой  сосредоточена  полная  мощность  измеряемой  гармоники. 

Список  литературы:

1.Федосов  В.П.,  Нестеренко  А.К.  Цифровая  обработка  сигналов  в  LabVIEW:  учеб.  Пособие.  М.:  ДМК  Пресс,  2007.  —  456  с.

2.Agilent  Fundamentals  of  RF  and  Microwave  Power  Measurements.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5965-6630E.pdf  (дата  обращения:  12.05.2014).

3.Designing  proactive  assembly  systems  —  Criteria  and  interaction  between  automation,  information,  and  competence  /  A.  Fasth,  T.  Lundholm,  L.  Martensson,  K.  Dencker,  J.  Stahre.  //  The  42nd  CIRP  conference  on  manufacturing  systems.  —  2009.  —  Vol.  2  —  P.  1—13.