Para se garantir que um sistema de telecomunicações funcione perfeitamente, livre de interferências, ruídos, desvios de fase, temporização e muito mais é necessário realizar a medida precisa de diversos parâmetros. Estas medidas incluem a análise do circuito modulador e do circuito demodulador, caracterização do sinal transmitido, etc. Este artigo, baseado em material da Keysight (*) tratamos um pouco das medidas feitas nos circuitos de RF digital.
(*) Keysight é o novo nome da divisão de instrumentação eletrônica da Agilent Technologies. No site esta empresa o leitor poderá encontrar vasta documentação sobre instrumentação como, por exemplo, sobre o uso de osciloscópio e isso em português. Basta clicar aqui e acessar o conteúdo.
O uso do osciloscópio nas medidas de RF digital não é tão simples como ocorre na maioria dos circuitos analógicos tanto de alta como de baixa frequência. O modo como os sinais são gerados e a própria modulação exigem técnicas especiais para a medida e a interpretação dos parâmetros deve ser feita com pleno de seu significado.
Assim, as medidas em RF digital normalmente são divididas em quatro categorias, potência, frequência, temporização e precisão de modulação, as quais passamos a analisar a seguir.
Potência
As medidas de potência normalmente estão relacionadas com a potência da portadora, o ganho dos circuitos amplificadores e as perdas introduzidas nos circuitos atenuadores.
Os circuitos usados nos sistemas modulados digitalmente têm as mesmas características dos ruídos. Eles se espalham por certa banda de frequências, tendo uma assim de ser feita uma integração numa certa faixa ou ainda devem ser feitas medidas de densidade espectral (PSD). As medidas de potência têm normalmente a faixa normatizada em uma largura de 1 H. Na figura 1 damos um exemplo de como a energia se distribui numa medida deste tipo.
Outra medida realizada nos sistemas digitais é a da potência no canal adjacente. Essa medida permite verificar o nível de interferência que afeta os usuários de canais adjacentes.
Esta medida testa a quantidade de energia de um sinal de RF modulado digitalmente que se espalha pelos canais próximos. O resultado desta medida é a relação (em dB) da medida no canal adjacente com a potência total transmitida, conforme mostra a figura 2.
Para sistemas pulsantes como o TDMA, as medidas de potência possuem uma componente de tempo também que deve ser levada em conta. Os tempos de “burst” devem ser considerados quando o circuito liga e desliga. Neste caso também pode ser feita uma média da média do tempo em que os ciclos de sinal estão presentes.
Frequência
As medidas de frequência são também complexas nos sistemas digitais de comunicações. Nestes sistemas, a faixa ocupada é uma medida importante a ser feita, pois ela permite verificar se a faixa destinada à comunicação está sendo usada corretamente.
A medida da faixa ocupada (BW = bandwidth ou largura de faixa) mede como o espectro de frequências é ocupado pelo sinal, conforme mostra a figura 3.
Esta faixa é medida em Hz e a potência envolvida nesta faixa é especificada por uma porcentagem. Por exemplo, um sinal coloca 99% da potência na faixa analisada. Uma forma de expressar o resultado desta medida seria “99% da potência do sinal está contida numa faixa cuja largura é 30 kHz”.
As larguras de faixa encontradas nos sistemas variam bastante, dependendo de diversos fatores. Temos, por exemplo, 30 kHz para os sinais NADC/DQPSK e 350 kHz para os sinais GSM, e GSMK.. Para vídeo digital a faixa é tipicamente de 6 a 8 MHz.
Veja que a simples utilização de um frequencímetro nestas medidas não fornece precisão, dada a distribuição de um sinal por um espectro relativamente amplo.
Temporização
As medidas de temporização feitas principalmente nos sistemas pulsados ou por “burst”. As medidas incluem a determinação de parâmetros como os intervalos de repetição, ciclos ativos, tempos entre erros de bits, tempo on, tempo off, etc.
Uma medida importante é a da precisão de modulação. Ela envolve a medida de quão próximos dos estados da constelação ou da trajetória do sinal está o sinal real em relação ao sinal teórico. Neste caso, o sinal analisado é demodulado e comparado com uma referência. Os dois sinais são combinados restando a diferença residual que pode ser medida.
Para estas medidas é necessário ter recursos para se gerar um sinal de referência preciso. Este tipo de medida é muito importante para se avaliar a qualidade de um sinal, encontrando problemas no sistema.
Uma vez que o sinal residual seja obtido é muito fácil visualizar pequenas discrepâncias que podem ter sido obscurecidas pelo processo de modulação e que não seriam visualizadas de outra forma.
Para estas medidas também é importante saber interpretar os erros de magnitude de vetor. Para entender como realizar estas medidas é interessante recordar alguns princípios da modulação vetorial. Os bits de informação são colocados numa portadora de RF variando a intensidade e a fase do sinal portador.
A cada transição do clock, a portadora ocupa uma única de certas posições no plano I x Q, conforme mostra a figura 4.
Cada locação corresponde a um conjunto específico de dados, formando assim um diagrama de constelação, conforme mostra a figura 5.
Para demodular este sinal é preciso que o circuito demodulador consiga identificar exatamente a posição na constelação (fase e intensidade) do sinal transmitido, fornecendo assim o conjunto de bits correspondentes.
O layout do diagrama de constelação e as localizações ideais dos sinais dependem do formato de modulação escolhido como BPSK, 16QAM, DQPSK, etc. A trajetória tomada pelo sinal ao passar de uma locação para outras depende da implementação do sistema.
Nessa medida, o que se faz é determinar o fasor do sinal real correspondente a cada posição da constelação e compará-lo com o fasor do sinal ideal, conforme mostra a figura 6.
A diferença entre os dois fornece um “vetor de erro”, conforme mostra a mesma figura.
A medida deste vetor de erro consiste numa ferramenta poderosa de análise de problemas em sistemas de comunicações digitais. Podemos, pela análise deste vetor determinar diversos desvios que ocorrem na transmissão de um sinal. Assim, a análise deste vetor consiste num recurso importante de service que o profissional de telecomunicações deve conhecer.
Por este vetor pode-se determinar que tipo de degradação está ocorrendo num sinal no seu percurso do transmissor ao receptor.
A Keysight possui um documento que ensina a usar as medidas da magnitude de erro na análise do sinal, ajudando a identificar suas origens. Trata-se do Product Note 89400-14.
Existem diferentes mecanismos de erro que afetam os sinais de diversas formas. Esses mecanismos podem afetar o sinal apenas em intensidade, em fase ou em ambos ao mesmo tempo. Conhecendo o modo como cada erro se manifesta pode-se chegar a determinados tipos de problemas.
Quando o erro de fase (em graus) é substancialmente maior que o erro de intensidade (em porcentagem), algum tipo de modulação de fase indesejável está ocorrendo. Isso pode ser causado por ruído, problemas de espúrios ou acoplamentos cruzados ou ainda frequências indevidas geradas em etapas do circuito.
Os Erros de fase I/Q é uma medida referenciada no tempo. Assim, quando analisados em função do tempo, ele mostra a forma de onda de qualquer sinal residual ou interferente.
A presença de sinais senoidais ou outras forma regulares de onda indicam um sinal interferente. Ruído uniforme é sinal de alguma forma de ruído de fase (random, jitter, PM/FM residual, etc.). Na figura 7 mostramos como um ruído de fase pode aparecer no sinal.
Um sinal perfeito tem uma constelação que é simétrica em relação à origem. Um sinal deslocado desta posição indica que a constelação não é “quadrada”, havendo um erro de quadratura. Também devemos analisar a Magnitude do Vetor de Erro em relação ao tempo.
EVM (Magnitude do Vetor de Erro) é a diferença entre o sinal de entrada e o sinal de referência interno. Quando analisado como função do tempo, os erros podem ser relacionados com pontos específicos da forma de onda de entrada como por exemplo picos, passagem por zero, etc. O EVM é uma magnitude escalar e os picos indicam que compressão ou corte do sinal.
Um exemplo de não linearidade no cruzamento por zero pode ser dado tomando como exemplo um amplificador push-pull, quando as duas metades do sinal são manuseadas por transistores diferentes.
O Espectro de Erro (EVM) em função da frequência é calculado a partir da Fasta Fourier Transformer (FFT ou Transformada Rápida de Fourier) e resulta na apresentação de uma imagem no domínio da frequência com detalhes que não são visíveis no domínio do tempo, como mostra a figura 8.
Conclusão
Não basta ter a instrumentação apropriada para se analisar os sinais existentes nos circuitos de telecomunicações digitais. É preciso saber interpretar esses sinais.
Em função deste conhecimento a realização de medidas específicas num sistema pode revelar problemas importantes de funcionamento que, de outra forma, seriam muito mais difíceis de localizar.
Obs. Este artigo é atualização de INS009.
