Annons

Mät intermodulationen med brus

För att mäta en mottagares intermodulationsegenskaper används traditionellt två signaler. Erfarenheten visar dock dålig korrelation mellan mätvärden och mottagarens uppförande i verkliga situationer. Den typ av mätning av brus, som på 60-talet infördes för att mäta på bärfrekvenssystem inom telekom, har visat sig vara lösningen på problemet.


Särskilt mycket kan det skilja mellan mätvärden och i praktiken upplevda egenskaper gäller SDR-mottagare (software defined radio, mjukvarudefinierad radio).  Så varför inte söka nya mätmetoder?
Ämnet är högaktuellt för test och karakterisering av kortvågsradio, där mottagaringången vid praktiskt bruk påförs ett brett spektrum med massor av signaler. Men problemet finns även på andra frekvensband där många signaler förekommer samtidigt. Intermodulationsproblem blir allt vanligare mellan GSM och nyare system, med mera komplexa modulationssätt, som LTE och efterföljare.
Det pågår nu intensiva diskussioner bland radioamatörer om hur man bäst skall mäta på SDR-mottagare, men man skall inte glömma att kortvågen (och lägre frekvenser) också har stor betydelse för militär kommunikation, nödsamband och forskning! Mätproblemet är aktuellt i alla sammanhang där man har en mottagaringång som måste ta emot ett brett frekvensband, något som speciellt berör kognitiv radio eller radiosystem med hoppfrekvens.
Problemet med många signaler samtidigt är att dessa adderas temporärt. När två signaler, med samma amplitud, ligger i fas uppnår de tillsammans dubbla amplituden. Toppvärdet ökar med antalet signaler. Man talar om crestfaktorn som definierar toppvärdet i förhållande till medelvärdet. Denna är 10 log m, där m är antalet signaler med samma amplitud.

Två signaler
Vid traditionella mätningar påförs mottagaren bara två signaler.  När ingången styrs ut till en viss nivå börjar intermodulationsprodukter (im) dyka upp vid sidorna av nyttosignalernas skillnadsfrekvens, (2f1-f2) och (2f2-f1) dvs 3:e ordningens im, eller femte ordningens im (på dubbla skillnadsfrekvensen vid sidan av nyttosignalerna). Man kan även få 2:a ordningens im, på de två signalernas summafrekvens (f2+f1).
2:a ordningens im-produkt ökar dubbelt så snabbt som insignalen, dvs 1 dB ökning av insignalerna ger 2 dB ökning av 2:a ordningens im. 3:e ordningens im-produkter ökar 3 gånger insignalökningen, 5:e ordningens im 5 gånger osv.
Ett ofta använt mätetal är IP3, dvs 3:e ordningens interceptpunkt. Detta är en tänkt punkt där kurvan för nyttosignalnivån korsar 3:e ordningens im-signalnivå. Denna teoretiska punkt ger bara en del sanning om en superheterodynmottagares egenskaper på grund av  flera olinjäriteter i samverkan. Det finns olika sätt att registrera im-produkterna, t ex genom att mäta mäta störsignalens S/N i LF-spektrum eller genom 3-signalmätning där den 3:e signalen läggs på övre eller undre im-signalens frekvens och man registrerar när SINAD minskar med 3 dB på grund av im. Hur sådana mätningar går till är väl dokumenterat.
För SDR-mottagare är IP3 ett direkt olämpligt jämförelsetal eftersom  im3 kan vara nästan oberoende av inmatad effekt [14] [15].
I det följande går vi i stället in på en annan, ”nygammal” metod där man mäter med mottagarens intermodulationsegenskaper med hjälp av brus. Den metoden mäter inte bara intermodulationsprodukter inom passbandet utan även i mottagaren genererade störningar av annat slag, som exempelvis reciprok blandning med klockgeneratorns sidbandsbrus och blockering (I SDR-fallet, när A/D-omvandlaren styrs ut till klippning av signalen).

Bandbredden påverkar
Det som i många fall påverkar mottagarens funktion i praktiken är graden av förselektion. Om stor bandbredd tas emot samtidigt kommer mängder av signaler inom detta band att temporärt samverka, beroende på deras inbördes faslägen, och skapa höga toppvärden.
Speciellt känsliga för detta är bredbandiga SDR-mottagare. De består ju i princip bara av en A/D-omvandlare med efterföljande signalbehandlare (ofta en FPGA och/eller en DSP). Om A/D-omvandlaren styrs ut helt innebär det att den temporärt ”klipper”.  Många signaler samtidigt betyder stor risk för höga toppvärden.
I praktiken fungerar de SDR-mottagare som har smala filter på ingången, för att selektera bort störande signaler, bäst. Men i vissa fall vill man kunna ta emot bredbandiga signaler (som vid exempelvis mobiltelefoni) eller kunna ta emot ett brett frekvensband vid hoppfrekvens.
Många enklare SDR-mottagare har så breda ingångsfilter (eller inga filter alls) att man får problem med andra ordningens im, något man sällan, eller aldrig, råkade ut för i mottagare med avstämda, smalbandiga ingångsfilter.

Mät med brus
Idealet vore, kan man tycka, att påföra mottagarens en stor mängd okorrelerade signaler, utanför mottagarens önskade passband, och öka signalernas styrka till dess att im-produkterna börjar registreras i mottagarens passband.
Ännu bättre är att mäta med brus. Då täcker mätningen alla kombinationer av starka signaler och deras inbördes faslägen. Vid en stor mängd okorrelerade signaler kommer deras sammanlagda toppvärde att följa en Gaussisk normalkurva. Därför kan man ersätta de många signalerna med brus.
Mätapparatur av det här slaget finns faktiskt redan konstruerad och byggd. För äldre tiders frekvensmultiplexerade bärfrekvenssystem utvecklade mätföretagen redan på 60-talet (eller tidigare) speciell mätapparatur där man påför bredbandigt brus som får passera ett bandspärrfilter (en ”notch”) för den inställda mottagarfrekvensen. Bandspärrfiltret måste då vara bredare än den inställda mottagarbandbredden. Brusets signalstyrka ökas till dess att intermodulationsprodukter börjar registreras, 3 dB över MDS (minimum Detectable Signal).
Metoden kallas Noise Power Ratio, NPR.
Några exempel på äldre kommersiell utrustning för NPR-mätning är Wandel & Goltermann RS-50 och Marconi TF 2080B. Ett modernt instrument är NoiseCom DNG7500, tänkt att användas för mätningar på exempelvis satellitlänkar eller A/D-omvandlare.
Man kan inte använda instrumenten utan vidare som de är för mätning av smalbandiga kortvågsmottagare för CW (telegrafi), SSB (enkelt sidband) eller någon digital modulation. Bruset måste passera ett bandpassfilter som spärrar inom det område mottagaren är inställd. Filtrets bandbredd måste vara lite bredare än den inställda mottagarbandbredden, och det måste vara brant, där flankbrantheten motsvarar ett Q-värde på minst 600.
Ju bredare bandbredd det påförda bruset har – desto högre dämpning måste filtret ha inom sitt passband. Generellt sett måste det kunna dämpa 10 dB bättre än vad det högsta värdet anger vid NPR-mätningar.

Alternativa metoder
Mätmetoden med brus togs som sagt fram för den tid då de fasta bärfrekvenssystemen var i bruk. Men kravet på att kunna kvantifiera olinjäriteter på ett bra sätt blev åter aktuellt när satellitlänkar och olika generationers mobilsystem utvecklades mot allt mer komplexa modulationsformer som QAM med många punkter i ett konstellationsdiagram eller flerbärvågs OFDM.
Ett av de företag som Alcatel-Lucent övertog var Telettra, som 1984 patenterade en mätmetod med minst åtta bärvågor.
Skulle inte det vara tillräckligt för att karakterisera en kortvågsmottagare? Förmodligen, eftersom det i praktiken kanske inte förekommer så många fler riktigt starka signaler på grund av mottagarens förselektion och viss selektion på grund av antennens begränsade bandbredd. Men en mätmetod med brus är ändå mer generell vilket gör det möjligt att jämföra superheterodyn- med SDR-mottagare.
Det här är ett nygammalt område som även aktualiserats vid test av A/D-omvandlare.
Är då den ultimata mätmetoden att karakterisera mottagare, och främst då SDR, med brus?  Jag har diskuterat frågan med några auktoriteter på området. Två av dessa föreslår att att man i stället använder ett antal mätsignaler med full styrka. Den enes argument för detta är att mottagaringången i praktiken inte nås av så många signaler samtidigt i praktiken, den andres att de kortvariga, momentana toppvärdena vid brus inte hinner blockera mottagaren.
Fördelen med stokastiskt brus är att man kan få fram en mätmetod som är generell och reproducerbar och som kan användas för att karakterisera alla slag av mottagare, t ex för att jämföra en superheterodynmottagare med en SDR.
Om du som läsare har synpunkter, kontakta gärna mig på gunnar@elinor.se (SM0DIS)
Referensartiklar om NPR:
[1] ”Noise Power Ratio (NPR) Testing of HF Receivers – Using notched noise to evaluate dynamic receiver performance”, Adam Farson, VA7OJ/AB4OJ. www.ab4oj.com/test/docs/npr_test.pdf

[2] ”Modified Noise Power Ratio Testing of High Resolution Digitizers”, Timothy S McDonald, J & M Systems, Ltd.https://www.osti.gov/scitech/biblio/10153751

[3] ”The Noise Power Ratio – Theory and ADC testing”, FH Irons, KJ Riley and DM Hummels.

[4] ”Noise Power Ratio measurement Tutorial”, Allen Katz och Robert Gray, Linear Technology Inc. http://www.lintech.com/PDF/npr_wp.pdf

[5] ”Analytic Calculation of Noise Power Robbin, NPR, and Polarisation Isolation Degradation”, Robert Peters, Peter Woolner, Ernest Ekelman. https://archive.org/details/NASA_NTRS_Archive_20080023297

[6] ”Measurement of all products intermodulation on HF receivers, with 24 000 telegraph channels”, Gianfranko Verbana, I2VGO. http://www.ab4oj.com/test/docs/test_npr.pdf

[7] ”Simulation of a Noise Power Ratio test set and use of it to analyze High Power Amplifier Models in Multicarrier Mode”, Adnan Zafar, dr Paul Thompson, dr Quamar ul Islam, Journal of Space Technology. http://www.ist.edu.pk/jst/previous-issues/july-2012

[8] ”Analytic Calculation of Noise Power Robbin, NPR, and Polarisation Isolation Degradation”. https://archive.org/details/NASA_NTRS_Archive_20080023297

[9]”Noise Power Ratio (NPR) – A 65 year old Telephone System Specification Finds New Life in Modern Wireless Applikations, MT-005 Tutorial”, Walt Kester, Analog Devices. http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-005.pdf

[10] Measurement Procedure for Noise Power Ratio”, Society of Cable Telecommunications Engineers, SCTE 119 2011. http://www.scte.org/documents/pdf/standards/SCTE_119_2011.pdf

[11] ”Signal-to- Noise, Carrier-to-Noise, EbNo on Signal Quality Ratios, Wolfgang Damm, Noisecom. http://noisecom.com/~/media/Noisecom/Webinars/SN CN EbNo.ashx

[12] ”The test and measurement page”, Adam Farson, http://www.ab4oj.com/test/main.html
[13] ”Improved methods for Measuring Distortion in Broadband Devices”, Keysight Technologies applikationsnot 5989-9880EN. http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-9880EN.pdf
[14] HF receiver testing: Issues and advances, Adam Farson VA7OJ, 2014 North Shore Amateur Radio Club. http://www.nsarc.ca/hf/rcHYPERLINK ”http://www.nsarc.ca/hf/rcvrtest.pdf”vrtest.pdf
[15] ”IMD in Digital Receivers”, Leif Åsbrink, SM5BSZ, QEX nov/dec 2006. http://www.nitehawk.com/sm5bsz/dynrange/qex/digital-imd.pdf

Comments are closed.