Soluciones para Medidas de radar y comunicación por satélite de banda ancha Medida y análisis directos de salidas de transmisores de radar y comunicación por satélite de bandas X, Ku y Ka de hasta 32 GHz con osciloscopios de gran ancho de banda Nota de aplicación Introducción El sector aeroespacial y de defensa necesita cada vez más que los sistemas de comunicación por satélite y radar cuenten con una mayor ganancia, ancho de banda y procesamiento de señal y análisis. La evolución de los sistemas de comunicación por satélite se debe a la demanda de mayores velocidades de transmisión de datos, mientras que los sistemas de radar precisan de más ganancia de procesamiento para mejorar su resolución, lo que a su vez genera anchos de banda de modulación más amplios. Los sistemas de radar modernos además emplean formatos de señal de modulación por pulsos más complejos para mejorar dicha resolución y reducir las probabilidades de puntos de corte e inyecciones de errores. Muchos sistemas de radar y de comunicación por satélite funcionan con frecuencias de microondas (por ejemplo, bandas X, Ku y Ka), lo que contribuye a admitir anchos de banda de modulación más amplios y una mayor capacidad. Asimismo, ofrece la ventaja de poder emplear antenas más pequeñas. En algunos casos, la amplitud de los anchos de banda necesaria supera los anchos de banda de frecuencia intermedia (FI) de los analizadores de espectro de RF y los analizadores vectoriales de señales (o FFT) disponibles en el mercado. Esto, unido a las frecuencias de funcionamiento más elevadas, crea numerosas dificultades para los ingenieros de RF que prueban transmisores de radar y comunicación por satélite. Problema Medir de forma rápida, precisa y rentable el rendimiento de los transmisores de RF/microondas de las aplicaciones actuales de radar y comunicación por satélite es una tarea desafiante. Hay casos en los que no siempre es posible medir directamente la salida del transmisor, por ejemplo, al medir la magnitud del vector de error (EVM) de un transmisor de comunicación por satélite. A menudo los ingenieros se ven obligados a utilizar downconverters hardware específicos para bajar las frecuencias de RF/microondas a una FI que pueda medirse con un equipo de medida disponible en el mercado. Por desgracia, los costes puntuales de ingeniería asociados al diseño, la construcción y la prueba del hardware pueden resultar contraproducentes. Además, el hardware del downconverter añade sus propias perturbaciones de RF que pueden ocultar el rendimiento real del transmisor de RF/microondas sometido a prueba. Asimismo puede producirse una distorsión que contribuya al EVM total medido, lo que supone una dificultad a la hora de determinar qué parte del EVM procede en realidad de la salida del transmisor. Al no disponer de otra opción, muchos ingenieros de RF no tienen más remedio que aceptar la incertidumbre en la precisión de la medida provocada por este enfoque que dista mucho de ser idóneo.
Solución La respuesta a este problema radica en encontrar una solución que permita realizar medidas y análisis directos en la salida del transmisor de RF/microondas sin utilizar un downconverter hardware específico. Una solución idónea para esta tarea es el osciloscopio gran ancho de banda que puede medir y analizar directamente señales de banda X, Ku y Ka (de hasta 32 GHz) de los transmisores actuales de radar y comunicación por satélite. Al utilizar el osciloscopio de gran ancho de banda, se ahorran el tiempo y el coste asociados al uso de hardware específico del downconverter y, además, el ingeniero se libra de tener que tratar con otros problemas como la calibración del hardware, las correcciones de las perturbaciones del sistema y la incertidumbre sobre los resultados de las medidas. Otros aspectos de las medidas de radar y comunicación por satélite de banda ancha que suelen plantear algún nivel de dificultad a los ingenieros de RF incluyen: Creación de señales de gran ancho de banda personalizadas/propias. Hasta ahora, crear esas señales para probar transmisores ha resultado difícil, puesto que en muchos casos los equipos disponibles en el mercado no las admiten. Por consiguiente, los ingenieros han tenido que desarrollar equipos de prueba personalizados, una opción que precisa de una gran inversión de tiempo y dinero. Análisis de señales de gran ancho de banda personalizadas/propias. Los formatos de las señales de radar y comunicación por satélite pueden ser personalizados o propios, y quizá exijan algún nivel de análisis de señales específico. Por todo ello, es fundamental encontrar una solución de prueba disponible en el mercado que pueda crear y analizar señales personalizadas/propias con un software integrado. Con el osciloscopio de gran ancho de banda 90000X, los ingenieros de RF pueden medir y analizar directamente las salidas de transmisores de radar y comunicación por satélite de banda ancha. Dado que cuenta con hasta 32 GHz de ancho de banda analógico real, ofrece precisión de medida en tiempo real para la medida directa de salidas de transmisores, sin necesidad de utilizar ningún hardware externo de conversión de frecuencia. Se puede realizar un análisis del dominio del tiempo para medir características de RF pulsada del transmisor (por ejemplo, tiempo de subida, tiempo de bajada y anchura de pulso). El generador M8190A es un instrumento modular con factor de forma AXIe. Se utiliza para generar las formas de onda de banda ancha necesarias para probar los sistemas de radar y comunicación por satélite que van apareciendo hoy en día. Puesto que se trata de un AWG de precisión con 1 o 2 canales y una resolución del convertidor digital analógico (DAC) de 14 bits a una velocidad de 8 Gmuestras/s y de 12 bits a 12 Gmuestras/s (de 2 a 4 bits más que lo que ofrece el mercado actual), brinda unas prestaciones de señales excelentes. El M8190A incluye también hasta 2 Gmuestras de memoria de formas de onda por canal (30 veces superior a la de los AWG disponibles en el mercado), lo que permite a los ingenieros crear escenarios prolongados y realistas, como simulaciones de radar. Una salida con un ancho de banda de 3 db y alrededor de 5 GHz hace que pueda utilizarse como generador de banda base de I/Q y FI. El generador de señales PSG ofrece señales de prueba de alta calidad. Las entradas IQ de banda ancha hacen que resulte idóneo para utilizarlo con medidas de radar y comunicación por satélite de banda ancha. Al combinar el PSG con el generador M8190A, se obtiene la flexibilidad necesaria para crear señales de radar personalizadas/propias y señales moduladas de banda ancha (por ejemplo, QPSK y 16 QAM) para aplicaciones de comunicación por satélite. Esas señales se pueden utilizar en las pruebas de dispositivos sometidos a prueba (DUT) en entornos de laboratorio sin tener que recurrir a la costosa personalización de los equipos de prueba. Cuando se utiliza el generador M8190A para probar DUT de componentes, genera señales IQ de banda ancha que se dirigen a las entradas IQ de banda ancha del PSG. A continuación, el PSG genera la señal de prueba de microondas que se utilizará como estímulo del DUT. Seguidamente, la salida del DUT se conecta al osciloscopio 90000X donde se toman las medidas de radar y comunicación por satélite (Figura 1). Para medir un transmisor autónomo, el ingeniero de RF no tiene más que conectar el osciloscopio directamente a la salida del transmisor. Agilent Technologies ofrece una solución de esas características; está compuesta por el osciloscopio de altas prestaciones Infiniium Serie 90000 X (90000X), un generador vectorial de señales PSG, un generador de forma de onda arbitraria (AWG) M8190A, y el software de análisis vectorial de señales (VSA). Juntas, estas soluciones aportan a los ingenieros de RF la capacidad y la flexibilidad que necesitan para tomar medidas de radar y comunicación por satélite de banda ancha. FIGURA 1: Aquí se muestra la configuración típica de prueba de hardware empleada para crear y analizar señales de radar y comunicación por satélite de banda ancha. Arriba a la izquierda hay un AWG de gran ancho de banda M8190A; abajo a la izquierda vemos un PSG con entradas I/Q de banda ancha, y a la derecha encontramos un osciloscopio de gran ancho de banda de la Serie 90000X con el software VSA. 2
Medidas personalizadas/propias Crear formas de onda personalizadas/propias y tomar dichas medidas en aplicaciones de radar y comunicación por satélite es una tarea que se puede simplificar en gran medida utilizando MATLAB. Puede utilizarse para que la generación de señales cree formas de onda simuladas que, a continuación, se descargan al AWG M8190A. El generador las sintetiza en formas de onda IQ diferenciales que se envían a las entradas I/Q externas del generador de señales PSG. Seguidamente se generan las señales de prueba de RF/microondas moduladas. Forma de onda del osciloscopio Función MATLAB personalizada Envolvente de pulso RF extraída de la función MATLAB personalizada Traza aplicada de MATLAB Realizar medidas de osciloscopio adicionales Soltar las medidas de osciloscopio preconfiguradas en la envolvente mostrada Asimismo, en el osciloscopio 90000X pueden emplearse funciones MATLAB personalizadas definidas por el usuario y aplicarse a la forma de onda de la traza (por ejemplo, para calcular la envolvente de RF pulsada) de forma que pueda medirse y mostrarse la envolvente de la forma de onda de RF pulsada. Las medidas preconfiguradas del osciloscopio 90000X se utilizan para medir el tiempo de subida, el tiempo de bajada, la anchura de pulso y el overshoot en los pulsos de radar de RF (Figura 2). En este caso, la memoria de captura profunda (2 Gmuestras) del 90000X desempeña un papel fundamental, puesto que le permite capturar y analizar una gran cantidad de pulsos de radar. FIGURA 2: Medidas de la envolvente y el tiempo de subida de la RF pulsada tomadas en la envolvente. Espectro con frecuencia chirp LFM centrado en 10 GHz Medir el tiempo de subida del pulso RF Fase con frecuencia chirp La memoria segmentada optimiza aún más la cantidad de pulsos de radar que se pueden capturar y analizar con la memoria disponible en el osciloscopio. Básicamente, permite al usuario ampliar un pulso y capturar solo el tiempo de actividad del pulso omitiendo el tiempo sin actividad. Tenga en cuenta que, aunque la memoria segmentada se puede utilizar con funciones de MATLAB definidas por el usuario, esta característica no está disponible con el software VSA. 2 GHz Magnitud logarítmica de la amplitud de la envolvente respecto al tiempo 6 µs 2 GHz Frecuencia chirp Facilitar la migración al osciloscopio FIGURA 3: Esta figura muestra una medida de radar tipo chirp LFM de ancho de banda amplio con el software VSA del osciloscopio 90000X. Si bien tradicionalmente se han utilizado el analizador de espectro y los analizadores vectoriales de señal para las pruebas de RF, las dificultades para tomar medidas de radar y comunicación por satélite en la actualidad han impulsado a los ingenieros de RF a migrar a osciloscopios de gran ancho de banda. Por suerte, el software VSA de Agilent se ejecuta en el osciloscopio 90000X y facilita la migración aportando a los ingenieros de RF lo mejor de ambos instrumentos: la funcionalidad y la interfaz de usuario de un analizador vectorial de señal, y acceso a las capacidades de gran ancho de banda del osciloscopio, con lo que pueden tomarse medidas de hasta 32 GHz para aplicaciones de radar y comunicación por satélite de banda ancha. Gracias a su interfaz de usuario ya conocida por los ingenieros de RF, el software VSA les permite especificar en el osciloscopio parámetros de RF tradicionales (por ejemplo, span y ancho de banda de resolución). A continuación, procesa los datos del osciloscopio y muestra los resultados digitalizados utilizando una representación de amplitud y fase del analizador vectorial de señal. Asimismo, el software VSA puede realizar análisis en el dominio de la frecuencia para medir características del espectro (frecuencia y fase), por ejemplo las características de fase y frecuencia chirp o de salto de frecuencia que se muestran en un espectrograma de RF y la EVM (Figura 3). 3 Además, el software VSA es compatible con muchos estándares de señales y tipos de modulación para demodular formatos de señales como QPSK, 16 QAM y 64 QAM para aplicaciones de comunicación por satélite y de otro tipo. Este análisis proporciona al ingeniero más visibilidad sobre el rendimiento real del hardware del transmisor de radar o de comunicación por satélite.
Ejemplo: 16 QAM de banda ancha Además de las medidas de radar, el mismo equipo de prueba disponible en el mercado se puede utilizar para toda una variedad de aplicaciones diferentes, entre ellas, las comunicaciones de banda ancha. Tome como ejemplo una señal 16 QAM de gran ancho de banda de 1,76 GHz. Se crea y analiza con el setup de prueba disponible en el mercado que hemos visto en la Figura 1. Se utiliza MATLAB para generar una forma de onda 16 QAM que se descarga al AWG M8190A. Tal como muestra la Figura 4, el software VSA instalado en el osciloscopio se emplea para demodular la forma de onda 16 QAM. Recuerde que el EVM es un indicador de la distorsión de la amplitud y la fase de una señal modulada digitalmente. En este caso, el EVM residual es de alrededor del 1,17%, una cifra bastante aceptable para una forma de onda de 1,76 GHz en la banda X (10 GHz). Por el contrario, con el equipamiento existente, el EVM que se puede obtener a esta velocidad de datos suele ser de entre un 2 y un 3%, lo que conlleva un error de medida y una incertidumbre considerablemente más elevados. AWG Modulador IQ analógico Memoria D/A Memoria D/A Modulación digital de banda ancha: 16 QAM, 1,76 Gsímbolos/s Fs = 7,2 GHz con correcciones de amplitud EVM = 1,17% FIGURA 4: Los cuatro cuadrantes de la pantalla del VSA muestran la constelación (arriba a la izquierda), el espectro de banda X de 10 GHz (abajo a la izquierda), el EVM respecto al tiempo (arriba a la derecha) y el resumen del EVM (abajo a la derecha). En este ejemplo, el rendimiento del EVM residual es una combinación del AWG y el PSG con las entradas IQ de banda ancha y el osciloscopio digital de 32 GHz. Resumen de los resultados Utilizar un downconverter hardware para medir el rendimiento de los transmisores de radar y comunicación por satélite de gran ancho de banda puede convertirse en una tarea que precisa de una gran inversión de tiempo y dinero. Esta solución puede no ser óptima para tener visibilidad del verdadero rendimiento de los transmisores de RF/microondas. El osciloscopio 90000X de Agilent ofrece a los ingenieros de RF una alternativa viable, un modo de medir y analizar directamente el rendimiento de los transmisores de RF/microondas para las aplicaciones de radar y comunicación por satélite. El osciloscopio puede combinarse con el AWG M8190A y un generador de señales PSG para que juntos creen y analicen señales de prueba. Con MATLAB se pueden generar formas de onda 4 de señales específicas/propias que luego se pueden descargar al AWG M8190A junto con un generador de señales PSG para crear la señal de prueba. El osciloscopio 90000X permite medir la salida del transmisor con el software VSA de Agilent, una función de MATLAB definida por el usuario o las capacidades de análisis del dominio del tiempo integradas en el osciloscopio. Dado que las aplicaciones actuales de radar y comunicación por satélite emplean anchos de banda más amplios y frecuencias más elevadas, es fundamental tomar una medida directa y precisa de la salida del transmisor utilizando el osciloscopio 90000X para determinar el verdadero rendimiento del transmisor, ahorrar tiempo y contribuir a reducir los costes de volver a realizar el diseño.
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