Neste artigo, baseado em material da Agilent Technologies, trataremos um pouco das medidas feitas nos circuitos de RF digital.
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. Essas medidas incluem a análise do circuito modulador e do circuito demodulador, caracterização do sinal transmitido, etc.
O uso do osciloscópio nas medidas de RF digital não é tão simples como acontece na maioria dos circuitos analógicos, tanto de alta quanto 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 conhecimento 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 realmente 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 uma certa banda de frequências, tendo que ser feita uma integração numa certa faixa, ou ainda devem ser tomadas medidas de densidade espectral (PSD).
As medidas de potência têm geralmente a faixa normatizada em uma largura de 1 Hz. Na figura 1 damos um exemplo de como a energia se distribui numa medida deste tipo.
Uma outra medida realizada nos sistemas digitais é a da potência no canal adjacente. Ela permite verificar o nível de interferência que afeta os usuários de canais adjacentes. Além disso, 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 ilustra a figura 2.
Para sistemas pulsantes como o TDMA, as medidas de potência possuem também uma componente de tempo que deve ser levada em conta. Os tempos de "burst" devem ser considerados quando o circuito liga e desliga. Neste caso, 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, observe a figura 3.
Esta faixa é medida em Hz e a potência envolvida nela 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".
Instrumentação
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.
Observe que a simples utilização de um frequencímetro nessas medidas não fornece precisão, dada a distribuição de um sinal por um espectro relativamente amplo.
Temporização
As medidas de temporização são feitas principalmente nos sistemas pulsados, ou por "burst". Elas 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, então, a diferença residual que pode ser medida.
Para estas medidas, é necessário ter recursos para gerar um sinal de referência preciso. Este é muito importante para se avaliar a qualidade de um sinal, encontrando problemas no sistema. Uma vez que o sinal residual seja obtido, torna-se 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 fundamental saber interpretar os erros de magnitude de vetor. Para entender como realizá-las, convém 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 ilustra 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, tais 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, observe a figura 6.
A diferença entre os dois fornece um "vetor de erro" (exemplo na 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 em um recurso fundamental de service que o profissional de telecomunicações deve conhecer. Por este vetor pode-se determinar que tipo de degradação está ocorrendo em um sinal no seu percurso do transmissor ao receptor.
A Agilent Technologies 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.
Há diferentes mecanismos de erro que afetam os sinais de diversas formas. Esses mecanismos podem alterar 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 acontecendo. 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 são medidas referenciadas no tempo. Logo, quando analisados em função do tempo, eles mostram a forma de onda de qualquer sinal residual ou interferente. A presença de sinais senoidais ou outras formas 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.
Devemos, inclusive, 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 analisados 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 caso típico 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 Fast 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, veja exemplo na figura 8.
Conclusão
Não basta ter a instrumentação apropriada para se analisar os sinais existentes nos circuitos de telecomunicações digitais. É preciso saber interpretá-las. Em função deste conhecimento, a realização de medidas específicas em um sistema pode revelar problemas importantes de funcionamento que, de outra forma, seriam muito mais difíceis de localizar.
Nota: O artigo é de 2011.
