Medidas de la potencia de canal adyacente en el análisis de espectros

Jueves, 08 Mayo 2014

En este artículo abordaremos la medida de la potencia de canal adyacente (ACP). La ACP es una medida de la calidad no lineal de un dispositivo e indica la cantidad de recrecimiento espectral que se produce en los canales adyacentes. Aprenderemos cómo se realiza esta medida y cómo optimizar su velocidad, repetibilidad y rango dinámico. Asimismo, estudiaremos nuevas técnicas para hacer que esta medida logre los resultados más rápidos y repetibles.

Historia de la ACP
Ya hace muchos años que se realizan medidas de la ACP. En un principio, la medida de la ACP se utilizaba para señales moduladas analógicas de banda estrecha, y medía la relación de los canales superior e inferior respecto a la potencia total transmitida. Esta última se definía como la potencia de la portadora más la mayor parte de la potencia de los canales superior e inferior. Actualmente, esta medida se define como la relación de uno o más intervalos superiores e inferiores de potencia respecto a la potencia total de la portadora en el ancho de banda del canal.
Las comunicaciones móviles han confiado en la medida de la ACP para garantizar que la potencia que se irradia al canal adyacente es limitada, de modo que la relación señal-ruido en el canal adyacente no interfiera con las comunicaciones en dicho canal. Los estándares móviles, como W-CDMA, cdma2000® y LTE, establecen métodos de medida y límites que la definen. Estos estándares van incluso más allá y proporcionan un nombre descriptivo para la medida de la ACP. Por ejemplo, el estándar cdma2000 utiliza el nombre “potencia relativa del canal adyacente (ACPR)” y el estándar W-CDMA adoptó el nombre “factor de fugas del canal adyacente (ACLR)” como nombres más específicos para la medida de la ACP. GSM y EDGE presentan requisitos parecidos que utilizan la medida del espectro de RF de salida (ORFS) para garantizar que la potencia irradiada a los canales adyacentes no supera determinados niveles. La mayoría de los analizadores de espectros modernos incorporan ajustes predefinidos para los distintos estándares que permiten configurar las medidas con rapidez.
En señales moduladas analógicas de banda estrecha, el ruido de fase presente en el oscilador local dominaba la potencia presente en los canales adyacentes en esos sistemas. Actualmente, con la introducción de las señales de amplio ancho de banda, la potencia en los canales adyacentes puede ser una combinación de varios factores, entre los que se incluyen el ruido de fase, la distorsión de intermodulación y el nivel de ruido del sistema. Del mismo modo, estos factores afectan al rango dinámico de la ACP que un analizador de espectros puede alcanzar al realizar la medida.
El resultado de la ACP se puede expresar de la manera siguiente:

Donde P_ady es la potencia en el canal adyacente y P_canal es la potencia en el canal.
La Figura 1 es la imagen de pantalla del analizador de señales MXA N9020A de Agilent al realizar una medida de la ACLR de una señal W-CDMA. La medida de la ACLR se define como la potencia relativa en los canales adyacentes y alternos respecto a la potencia de la portadora medida en un ancho de banda de 3,84 MHz. El espacio de los canales adyacentes y alternos a la portadora es de 5 y 10 MHz, respectivamente. Las potencias en los canales se calculan utilizando el método de la potencia integrada, según se indica en la ecuación 2, donde todos los puntos de la traza (dBm) de los canales se convierten a mW y se suman con los parámetros de integración adecuados.

A continuación se aplica la compensación de potencia para dar cuenta del filtro de coseno alzado que se utiliza según el estándar W-CDMA.

Rango dinámico
El recrecimiento espectral en las señales de amplio ancho de banda en los canales adyacentes y alternos se compone fundamentalmente de productos de distorsión coherentes y no coherentes. Los productos coherentes suelen componerse de productos de distorsión no lineal de tercer y quinto orden que se desarrollan en el propio dispositivo sometido a prueba (DUT). Los productos no coherentes son, por naturaleza, similares al ruido y proceden del ruido de fase asociado al oscilador local (LO) del sistema o del nivel de ruido del dispositivo.
Los analizadores de espectros no son inmunes al recrecimiento espectral. Sin embargo, la cantidad de distorsión generada puede verse muy afectada por los ajustes del instrumento. Los productos de distorsión de tercer o quinto orden que se generan internamente en el analizador de espectros son una función del nivel del mezclador, el cual se puede calcular mediante la ecuación 3.

Si se incrementan la atenuación interna o la externa, disminuirán los productos de distorsión coherentes del analizador de espectros generados internamente gracias a la reducción del nivel presente en el mezclador. Aumentar la atenuación tiene un efecto perjudicial: incrementa el nivel de ruido del analizador de espectros. Por eso resulta complicado optimizar el rango dinámico en las medidas de la ACP.
Optimizar los ajustes del analizador de espectros para el rango dinámico
En primer lugar, debemos comprender la dinámica asociada a los distintos productos de distorsión antes de intentar elegir los ajustes óptimos para el analizador de espectros. Los productos de distorsión de tercer orden aparecerán fundamentalmente en los canales adyacentes, mientras que los productos de distorsión de quinto orden serán predominantes en los canales alternos. A medida que se reduce el nivel del mezclador y va aumentando la atenuación, el producto de distorsión de quinto orden caerá a una velocidad mucho más rápida que los productos de tercer orden (5:1 frente a 3:1). Esto provocará una rápida caída de los productos de distorsión coherente de los canales alternos al nivel de ruido del analizador de espectros, mientras que los productos de distorsión de tercer orden de los canales adyacentes seguirán siendo superiores al nivel de ruido. Ahora, incrementar la atenuación perjudicará el rendimiento de la ACP en los canales alternos, puesto que aumentará el nivel de ruido.
El mejor método para equilibrar la reducción de la distorsión coherente de los canales adyacentes sin perturbar el rango dinámico de los canales alternos consiste en usar correcciones de ruido o ampliaciones del nivel de ruido. En primer lugar, se debe aumentar la atenuación para reducir los productos de distorsión generados internamente en los canales adyacentes hasta que los resultados de la ACP no cambien al incrementar la atenuación. Con este nivel de atenuación, podemos estar seguros de que medimos el rendimiento de la ACP del DUT en los canales adyacentes. Podemos emplear las correcciones de ruido o ampliaciones de nivel de ruido para reducir el ruido no coherente que estará presente en los canales alternos y que procede del nivel de ruido del analizador de espectros.
Si el ruido de fase es el factor limitador, los analizadores de espectros más modernos permiten optimizar el ruido de fase del entorno inmediato o de los puntos más alejados al realizar medidas de estándares como Tetra, en los que el ruido de fase domina la medida.
Incertidumbre de las medidas
Como sucede con la mayoría de las medidas de distorsión no lineal, como los armónicos, el punto de corte de tercer orden (TOI) y la inversión del segundo armónico (SHI), hay que tener cuidado de que los productos de intermodulación generados internamente no cancelen los productos de distorsión del DUT. Esto puede suceder cuando los productos de distorsión generados internamente tienen una amplitud próxima a la del producto de distorsión del DUT pero con 180 grados fuera de fase. Si observa una gran mejoría en sus resultados de la ACP con leves cambios en la atenuación de entrada o el nivel de entrada, esta es la causa más probable. Cuando las amplitudes de los productos de distorsión del DUT y los generados internamente son iguales, la incertidumbre de la medida es de +6 dB hasta –infinito. La incertidumbre en sus resultados de medida será más baja cuando los productos de distorsión del analizador de espectros sean varios dB inferiores a los productos de distorsión del DUT. Para eliminar estas incertidumbres, en determinados casos puede ser necesario utilizar un analizador de espectros de más altas prestaciones.
Los analizadores de señales de la Serie X de Agilent integran la función Adjust for Minimum Clip (ajustar para el corte mínimo) que se puede utilizar para establecer automáticamente el nivel del mezclador en función del nivel de la señal de entrada. El nivel del mezclador se optimiza para proporcionar el rango dinámico óptimo sin demasiada incertidumbre de medida.
Velocidad frente a repetibilidad
Al realizar una medida de la ACP de barrido sintonizado, los analizadores de espectros más modernos utilizan un detector de promedios o rms para medir la potencia en los canales. La variación observada se expresará como:

Donde

es el tiempo de barrido del analizador de espectros.

En muchos casos, el ancho de banda del canal, el ancho de banda de resolución (ABR) y el recorrido se fijan en función del estándar de ACP que se mide. Si se necesitan resultados repetibles, habrá que aumentar el tiempo de barrido. Esto tendrá un efecto perjudicial en el tiempo de medida total.
Opción Fast Power de Agilent
Los analizadores de señales de la Serie X de Agilent disponen de una opción Fast Power que permite realizar con rapidez medidas de potencia como medidas de potencia de canal, potencia de canal adyacente, ancho de banda ocupado y X-dB (opción FP2). En primer lugar, las medidas de potencia se aceleran desde el hardware mediante cálculos superpuestos de la FFT en tiempo real en el código FPGA. Se realiza la media de rms de cada resultado de la FFT para obtener el espectro en tiempo real en el que se calculan los resultados de potencia. Se trata de una función solo de SCPI que permite a los usuarios realizar medidas como la ACP directamente desde el hardware. Por ejemplo, se puede solicitar programáticamente un resultado de la ACLR según el estándar W-CDMA desde la medida de la magnitud del vector de error (EVM). Con un tiempo de adquisición de 1 ms, se puede conseguir un tiempo total de medida de 3 ms.
El método Fast Power mejora la repetibilidad porque todos los canales se medirán simultáneamente en un ancho de banda mucho más amplio. Por ejemplo, podemos calcular la repetibilidad de la medida de la ACLR de barrido de la Figura 1. La configuración de medida emplea un tiempo de barrido de 3 ms, un ancho de banda de resolución de 100 kHz y un ancho de banda de canal de 3,84 MHz en un recorrido de 25 MHz. Esta medida de barrido tarda en completarse un total de 13 ms. Podemos calcular la repetibilidad de la medida de barrido usando la ecuación 4.

Ahora podemos comparar la repetibilidad y el tiempo de medida del ejemplo de barrido con los del método Fast Power utilizando un tiempo de adquisición de 1 ms y un tiempo de medida total de 3 ms. Para Fast Power podemos usar la siguiente relación para:

Por tanto, la repetibilidad de Fast Power es:

En resumen, Fast Power permite realizar medidas de la ACLR de Fast Power cuatro veces más rápido y multiplicar por nueve la repetibilidad en comparación con la medida de barrido.

La Figura 2 muestra varios valores de repetibilidad para tiempos de adquisición de medidas de la ACP con barrido sintonizado y Fast Power. Las líneas azul y roja son los resultados teóricos de la ecuación 4.
Las medidas de barrido sintonizado siempre proporcionarán un rango dinámico más elevado, porque utilizan un filtro de IF analógico de ancho de banda estrecho. Este filtro de ancho de banda de IF estrecho proporciona una potencia pico mucho más baja (observable en el ADC) que cuando se mide de una sola vez todo el ancho de banda, como sucede con Fast Power. Si el rango dinámico es un requisito importante, debe utilizarse la medida de la ACP con barrido sintonizado. Si es necesario utilizar la velocidad de medida y la repetibilidad en un entorno de pruebas automatizado en el que el rango dinámico máximo no es el factor dominante, la opción Fast Power de los analizadores de señal de la Serie X de Agilent es muy superior a los otros métodos.
Resumen
En este artículo hemos abordado diversos problemas relacionados con la realización de medidas de la ACP. A medida que los estándares de modulación evolucionan, otras medidas, como la máscara de emisión del espectro (SEM), permitirán a los usuarios obtener más información sobre la linealidad de su DUT. Estas medidas realizadas junto con medidas de la distorsión lineal, como la magnitud del vector de error (EVM), garantizarán que los usuarios finales de los equipos disfruten de mejores comunicaciones y hagan un uso más limpio del espectro limitado.