Geschichte der ACP-Messung:
ACP-Messungen werden seit vielen Jahren durchgeführt. Ursprünglich wurden sie für schmalbandige, analog modulierte Signale verwendet und maßen das Verhältnis der Leistung des oberen und unteren Kanals zur gesamten Sendeleistung. Letztere wurde als Trägerleistung plus dem größten Teil der Leistung im oberen und unteren Kanal definiert. Heute wird diese Messung als das Verhältnis eines oder mehrerer Leistungsintervalle im oberen und unteren Kanal zur gesamten Trägerleistung in der Kanalbandbreite definiert.
Die Mobilkommunikation nutzt ACP-Messungen, um sicherzustellen, dass die in den Nachbarkanal abgestrahlte Leistung begrenzt ist und somit das Signal-Rausch-Verhältnis im Nachbarkanal die Kommunikation auf diesem Kanal nicht beeinträchtigt. Mobilfunkstandards wie W-CDMA, cdma2000® und LTE legen Messmethoden und Grenzwerte fest, die die ACP definieren. Diese Standards gehen sogar noch weiter und geben der ACP-Messung eine beschreibende Bezeichnung. Beispielsweise verwendet der CDMA2000-Standard den Begriff „Adjacent Channel Relative Power (ACPR)“ und der W-CDMA-Standard den Begriff „Adjacent Channel Leakage Factor (ACLR)“ als präzisere Bezeichnungen für die ACP-Messung. GSM und EDGE stellen ähnliche Anforderungen, die die Messung des Ausgangs-HF-Spektrums (ORFS) nutzen, um sicherzustellen, dass die in benachbarte Kanäle abgestrahlte Leistung bestimmte Grenzwerte nicht überschreitet. Die meisten modernen Spektrumanalysatoren verfügen über Voreinstellungen für die verschiedenen Standards, was eine schnelle Messvorbereitung ermöglicht.
Bei schmalbandigen analog modulierten Signalen dominierte das Phasenrauschen im Lokaloszillator die Leistung in benachbarten Kanälen. Mit der Einführung von Breitbandsignalen kann die Leistung in benachbarten Kanälen heutzutage von mehreren Faktoren abhängen, darunter Phasenrauschen, Intermodulationsverzerrungen und das Systemrauschen. Diese Faktoren beeinflussen auch den Dynamikbereich des ACP, den ein Spektrumanalysator bei der Messung erreichen kann.
Das Ergebnis der ACP lässt sich wie folgt ausdrücken:
Dabei ist P<sub>ady</sub> die Leistung im Nachbarkanal und P<sub>channel </sub> die Leistung im Kanal.
Abbildung 1 zeigt einen Screenshot des Agilent MXA N9020A Signalanalysators bei der ACLR-Messung eines W-CDMA-Signals. Die ACLR-Messung definiert die relative Leistung in Nachbar- und Alternativkanälen bezogen auf die Trägerleistung, gemessen über eine Bandbreite von 3,84 MHz. Der Abstand zwischen Nachbar- und Alternativkanal beträgt 5 MHz bzw. 10 MHz. Die Kanalleistungen werden mithilfe der integrierten Leistungsmethode berechnet (siehe Gleichung 2). Dabei werden alle Kanalmesspunkte (dBm) in mW umgerechnet und mit den entsprechenden Integrationsparametern summiert.
Anschließend wird eine Leistungskompensation angewendet, um den gemäß dem W-CDMA-Standard verwendeten Raised-Cosine-Filter zu berücksichtigen.
Dynamikbereich:
Spektrale Wiederanstiege in Breitbandsignalen benachbarter und alternierender Kanäle bestehen hauptsächlich aus kohärenten und nicht-kohärenten Verzerrungsprodukten. Kohärente Produkte setzen sich typischerweise aus nichtlinearen Verzerrungsprodukten dritter und fünfter Ordnung zusammen, die im Prüfling (DUT) entstehen. Nicht-kohärente Produkte sind rauschähnlicher Natur und entstehen durch Phasenrauschen des lokalen Oszillators (LO) des Systems oder des Eigenrauschens des Geräts.
Spektrumanalysatoren sind nicht immun gegen spektrale Wiederanstiege. Die Stärke der erzeugten Verzerrungen kann jedoch maßgeblich von den Geräteeinstellungen beeinflusst werden. Die im Spektrumanalysator intern erzeugten Verzerrungsprodukte dritter und fünfter Ordnung sind eine Funktion des Mischerpegels, der mithilfe von Gleichung 3 berechnet werden kann.
Eine Erhöhung der internen oder externen Dämpfung verringert die intern erzeugten kohärenten Verzerrungsprodukte des Spektrumanalysators aufgrund des reduzierten Mischpegels. Allerdings hat eine erhöhte Dämpfung einen negativen Effekt: Sie erhöht das Rauschen des Spektrumanalysators. Dies erschwert die Optimierung des Dynamikbereichs bei PCA-Messungen.
Um die Spektrumanalysatoreinstellungen hinsichtlich des Dynamikbereichs zu optimieren
, müssen wir zunächst die Dynamik der verschiedenen Verzerrungsprodukte verstehen, bevor wir optimale Einstellungen auswählen. Verzerrungsprodukte dritter Ordnung treten vorwiegend in benachbarten Kanälen auf, während Verzerrungsprodukte fünfter Ordnung in alternierenden Kanälen dominieren. Mit sinkendem Mischpegel und zunehmender Dämpfung nimmt das Verzerrungsprodukt fünfter Ordnung deutlich schneller ab als das der dritten Ordnung (5:1 vs. 3:1). Dies führt zu einem raschen Abfall der kohärenten Verzerrungsprodukte der alternierenden Kanäle auf das Rauschen des Spektrumanalysators, während die Verzerrungsprodukte dritter Ordnung der benachbarten Kanäle über dem Rauschen bleiben. Eine Erhöhung der Dämpfung beeinträchtigt nun die PCA-Leistung in den alternativen Kanälen, da sie den Rauschpegel erhöht.
Die beste Methode, um die Reduzierung kohärenter Verzerrungen in den benachbarten Kanälen mit der Beeinträchtigung des Dynamikbereichs der alternativen Kanäle in Einklang zu bringen, ist die Verwendung von Rauschkorrekturen oder Rauschpegelverstärkungen. Zunächst sollte die Dämpfung erhöht werden, um die intern erzeugten Verzerrungsprodukte in den benachbarten Kanälen zu reduzieren, bis sich die PCA-Ergebnisse bei weiterer Dämpfung nicht mehr ändern. Bei diesem Dämpfungsgrad können wir sicher sein, dass wir die PCA-Leistung des Prüflings in den benachbarten Kanälen messen. Anschließend können wir Rauschkorrekturen oder Rauschpegelverstärkungen einsetzen, um das inkohärente Rauschen in den alternativen Kanälen zu reduzieren, das vom Rauschpegel des Spektrumanalysators herrührt.
Wenn Phasenrauschen der limitierende Faktor ist, ermöglichen moderne Spektrumanalysatoren die Optimierung des Phasenrauschens in der unmittelbaren Umgebung oder an weiter entfernten Punkten bei Messungen von Standards wie Tetra, bei denen das Phasenrauschen die Messung dominiert.
Messunsicherheit:
Wie bei den meisten nichtlinearen Verzerrungsmessungen, z. B. der Messung von Harmonischen, der Grenzfrequenz dritter Ordnung (TOI) und der Inversion zweiter Harmonischer (SHI), ist darauf zu achten, dass intern erzeugte Intermodulationsprodukte die Verzerrungsprodukte des Prüflings (DUT) nicht aufheben. Dies kann auftreten, wenn die Amplitude der intern erzeugten Verzerrungsprodukte nahe an der des DUT-Verzerrungsprodukts liegt, sie jedoch um 180 Grad phasenverschoben sind. Eine deutliche Verbesserung der PCA-Ergebnisse bei geringfügigen Änderungen der Eingangsdämpfung oder des Eingangspegels ist höchstwahrscheinlich die Ursache. Sind die Amplituden der DUT- und der intern erzeugten Verzerrungsprodukte gleich, liegt die Messunsicherheit zwischen +6 dB und –∞. Die Unsicherheit der Messergebnisse verringert sich, wenn die Verzerrungsprodukte des Spektrumanalysators um einige dB niedriger sind als die des Prüflings. Um diese Unsicherheiten zu eliminieren, kann in bestimmten Fällen der Einsatz eines leistungsfähigeren Spektrumanalysators erforderlich sein.
Agilent X-Series Signalanalysatoren verfügen über die Funktion „Minimale Clipping-Anpassung“, mit der der Mischpegel automatisch anhand des Eingangssignalpegels eingestellt werden kann. Der Mischpegel wird optimiert, um einen optimalen Dynamikbereich ohne übermäßige Messunsicherheit zu gewährleisten.
Geschwindigkeit vs. Wiederholgenauigkeit:
Bei einer ACP-Messung mit abgestimmtem Sweep verwenden die meisten modernen Spektrumanalysatoren einen Mittelwert- oder RMS-Detektor zur Leistungsmessung in den Kanälen. Die beobachtete Variation wird wie folgt ausgedrückt:
Wo
Und
ist die Abtastzeit des Spektrumanalysators.
In vielen Fällen sind Kanalbandbreite, Auflösungsbandbreite (ABR) und Messpfad basierend auf dem gemessenen ACP-Standard festgelegt. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, muss die Messzeit erhöht werden. Dies wirkt sich negativ auf die Gesamtmesszeit aus.
Agilent Fast Power Option:
Agilent Signalanalysatoren der X-Serie bieten eine Fast Power Option für schnelle Leistungsmessungen wie Kanalleistung, Nachbarkanalleistung, belegte Bandbreite und X-dB (FP2-Option). Die Leistungsmessungen werden hardwareseitig beschleunigt, indem Echtzeit-FFT-Berechnungen im FPGA-Code überlagert werden. Anschließend wird der Effektivwert jedes FFT-Ergebnisses berechnet, um das Echtzeitspektrum zu erhalten, auf dem die Leistungswerte berechnet werden. Diese SCPI-exklusive Funktion ermöglicht es Anwendern, Messungen wie ACP direkt in der Hardware durchzuführen. Beispielsweise kann ein ACLR-Ergebnis gemäß W-CDMA-Standard programmatisch aus der Fehlervektormagnitudenmessung (EVM) angefordert werden. Bei einer Erfassungszeit von 1 ms lässt sich eine Gesamtmesszeit von 3 ms erreichen.
Die Fast-Power-Methode verbessert die Wiederholgenauigkeit, da alle Kanäle gleichzeitig über eine deutlich größere Bandbreite gemessen werden. Beispielsweise lässt sich die Wiederholgenauigkeit der ACLR-Sweep-Messung in Abbildung 1 berechnen. Der Messaufbau verwendet eine Sweep-Zeit von 3 ms, eine Auflösungsbandbreite von 100 kHz und eine Kanalbandbreite von 3,84 MHz über einen 25-MHz-Pfad. Diese Sweep-Messung dauert insgesamt 13 ms. Die Wiederholgenauigkeit der Sweep-Messung kann mithilfe von Gleichung 4 berechnet werden.
Nun können wir die Wiederholgenauigkeit und die Messzeit des Sweep-Beispiels mit denen der Fast-Power-Methode vergleichen, die eine Erfassungszeit von 1 ms und eine Gesamtmesszeit von 3 ms verwendet. Für Fast Power gilt folgende Beziehung:
Daher beträgt die Wiederholgenauigkeit von Fast Power:
Zusammenfassend ermöglicht Fast Power ACLR-Messungen, die viermal schneller und neunmal wiederholbarer sind als Sweep-Messungen.
Abbildung 2 zeigt verschiedene Wiederholbarkeitswerte für die Messzeiten von ACLR-Messungen mit abgestimmtem Sweep und Fast Power. Die blauen und roten Linien stellen die theoretischen Ergebnisse aus Gleichung 4 dar.
Abgestimmte Sweep-Messungen bieten stets einen höheren Dynamikbereich, da sie einen schmalbandigen analogen ZF-Filter verwenden. Dieser schmalbandige ZF-Filter liefert eine deutlich geringere Spitzenleistung (am ADC messbar) als die Messung der gesamten Bandbreite, wie sie bei Fast Power verwendet wird. Ist der Dynamikbereich eine kritische Anforderung, sollte die abgestimmte Sweep-ACLR-Messung verwendet werden. Sind Messgeschwindigkeit und Wiederholbarkeit in einer automatisierten Testumgebung erforderlich, in der der maximale Dynamikbereich nicht der dominierende Faktor ist, ist die Fast-Power-Option der Agilent X-Series Signalanalysatoren anderen Methoden deutlich überlegen.
Zusammenfassung:
Dieser Artikel behandelt verschiedene Aspekte der Durchführung von ACP-Messungen. Mit der Weiterentwicklung von Modulationsstandards werden andere Messmethoden, wie z. B. die Spektrumsemissionsmaskierung (SEM), Anwendern einen tieferen Einblick in die Linearität ihrer Prüflinge ermöglichen. Diese Messungen, kombiniert mit Messungen linearer Verzerrungen wie der Fehlervektormagnitude (EVM), gewährleisten, dass die Endnutzer der Geräte eine bessere Kommunikation genießen und das begrenzte Spektrum effizienter nutzen können.
Autor: Bob Nelson, Agilent Technologies, Inc.
Hinweis: cdma2000 ist eine in den USA eingetragene Zertifizierungsmarke der Telecommunications Industry Association.
