Đo băng thông chiếm dụng OBW: phương pháp 99 % công suất và cấu hình máy phân tích phổ

Hồ sơ hợp chuẩn một thiết bị phát vô tuyến gần như luôn có một dòng “băng thông chiếm dụng”. Con số đó quyết định thiết bị có nằm gọn trong băng được cấp phép, có vượt giới hạn 20 MHz của một thiết bị Wi-Fi không thích nghi hay không. Nhưng cùng một mẫu, hai phòng thí nghiệm có thể ra hai kết quả khác nhau chỉ vì đặt RBW, span hay detector khác nhau. Bài viết giải thích cách đo băng thông chiếm dụng theo phương pháp 99 % công suất, quan hệ với phép đo x dB, cách cấu hình máy phân tích phổ theo ITU-R, ETSI và thiết lập mặc định của Keysight X-Series, cùng các bẫy sai số thường gặp.

Băng thông chiếm dụng theo định nghĩa ITU và FCC

Thể lệ Vô tuyến điện của ITU (Điều 1, số 1.153, được trích trong khuyến nghị ITU-R SM.328-12) định nghĩa băng thông chiếm dụng là độ rộng dải tần mà ở ngoài biên dưới và biên trên của nó, công suất trung bình phát ra mỗi bên bằng một tỉ lệ β/2 của tổng công suất trung bình. Nếu không có khuyến nghị riêng cho loại phát xạ, β/2 lấy bằng 0,5 %. Hai phía mỗi bên 0,5 % bị loại ra, phần còn lại chứa 99 % công suất: đó là nguồn gốc của tên gọi OBW 99 %. Quy định FCC 47 CFR 2.1049 dùng cùng định nghĩa 0,5 % mỗi phía.

Cần phân biệt với băng thông cần thiết (số 1.152): độ rộng dải vừa đủ để truyền thông tin với tốc độ và chất lượng yêu cầu. SM.328 coi một phát xạ là tối ưu khi băng thông chiếm dụng trùng với băng thông cần thiết của loại phát xạ đó. Chênh lệch giữa hai con số là thước đo phát xạ thừa, thường do méo và tái sinh phổ.

Cách máy phân tích phổ đo băng thông chiếm dụng theo phương pháp 99 %

Phụ lục 1 của ITU-R SM.443-4 mô tả thuật toán, và chức năng Occupied BW của máy Keysight X-Series làm đúng như vậy:

1. Cộng công suất của mọi điểm trên vết phổ trong span đã đặt để có tổng công suất, coi là 100 %.
2. Từ tần số thấp nhất, cộng dồn công suất cho tới khi đạt 0,5 % tổng; đặt marker f₁.
3. Làm tương tự từ biên trên xuống; đặt marker f₂.
4. Băng thông chiếm dụng là f₂ − f₁.

Tài liệu tham chiếu chế độ phân tích phổ của X-Series cho biết phép đo trả về bảy kết quả, trong đó có băng thông chiếm dụng, tổng công suất trong span, sai số tần số phát (hiệu giữa (f₁ + f₂)/2 và tần số trung tâm đã đặt) và băng thông x dB. Tỉ lệ công suất đặt được từ 10 % tới 99,99 %, mặc định 99,00 %. Bảng thông số của MXA và PXA ghi độ chính xác tần số của phép đo OBW là ±(Span/1000), danh định.

Phép đo x dB và quan hệ với OBW 99 %

SM.328 định nghĩa băng thông x dB là độ rộng mà ngoài hai biên của nó, mọi vạch phổ hoặc mật độ phổ đều thấp hơn ít nhất x dB so với mức tham chiếu 0 dB. Mức tham chiếu có thể là mật độ phổ cực đại, sóng mang không điều chế hay công suất đỉnh, nên phải ghi rõ khi báo cáo. Trên X-Series, phép đo x dB lấy mức cao nhất của tín hiệu trong span làm mốc, nội suy tuyến tính để tìm hai điểm biên, và mặc định x = −26 dB.

Phụ lục 3 của SM.443 dùng phép đo x dB khi nhiễu trong băng lớn hơn tín hiệu cần đo hoặc khi thiết bị không làm được phương pháp β %: luôn đo băng thông −26 dB rồi nhân hệ số chuyển đổi. Ví dụ bảng hệ số cho A1A/A2A là B₂₆ = 0,9 B_n, F3C là B₂₆ = B_n. Với tín hiệu số, SM.443 lưu ý vạch cao nhất không đại diện cho tổng công suất phát, nên giá trị x phù hợp khác với tín hiệu tương tự. Cần phân biệt thêm: băng thông 6 dB tối thiểu 500 kHz của thiết bị DTS theo FCC KDB 558074 là một giới hạn riêng, không phải OBW 99 %; chính KDB 558074 coi phương pháp 99 % là chính xác nhất cho phát xạ dạng nhiễu.

Cấu hình RBW, span và detector: ITU, ETSI và thiết lập mặc định Keysight

Ba nguồn tham chiếu không đặt máy giống nhau, và đây là chỗ các kết quả bắt đầu lệch nhau:

• ITU-R SM.443 (phương pháp β %): span bằng 1,5–2 lần băng thông ước lượng; RBW nhỏ hơn 3 % span; VBW từ 3 lần RBW; chỉnh mức để tỉ số tín hiệu trên nhiễu trên 30 dB; detector peak hoặc sample; vết MaxHold cho điều chế tương tự, ClearWrite cho điều chế số.
• ETSI EN 300 328 V2.2.2 (băng 2,4 GHz): RBW khoảng 1 % span và không thấp hơn 1 %; VBW 3 lần RBW; span bằng 2 lần băng thông kênh danh định; detector RMS; vết Max Hold; thời gian quét 1 s; sau đó dùng chức năng 99 % của máy.
• Keysight X-Series, chế độ SA (tài liệu tham chiếu bản 2014): span OBW mặc định 3 MHz (người đo phải chỉnh theo tín hiệu); RBW tự động với tỉ lệ Span/RBW khoảng 106:1, tức gần 0,94 % span; VBW tự động giữ tỉ lệ 10:1 với RBW; detector Average (trung bình công suất RMS); lấy trung bình 10 lần; Max Hold tắt.

Cấu hình RBW tự động của Keysight rơi gần mức 1 % mà ETSI yêu cầu và nằm trong giới hạn dưới 3 % của ITU. Khác biệt lớn nhất là detector: ITU cho peak hoặc sample, ETSI và máy Keysight dùng RMS. Khi làm hồ sơ theo một tiêu chuẩn cụ thể, hãy đặt đúng detector và chế độ vết của tiêu chuẩn đó thay vì giữ mặc định, và ghi cấu hình vào báo cáo.

Bốn bẫy sai số khi đo băng thông chiếm dụng

Mục 4 Phụ lục 1 của SM.443 liệt kê các yếu tố ảnh hưởng độ chính xác:

• RBW quá rộng: vết phổ hiển thị luôn bị bộ lọc đo làm rộng ra, nên RBW nhỏ hơn cho kết quả chính xác hơn. RBW rộng làm OBW đo được lớn hơn thực tế.
• Span không hợp lý: span quá rộng đưa thêm nhiều nhiễu vào tổng công suất; span quá hẹp thì không chứa được các thành phần phổ dưới điểm 0,5 % (hoặc −26 dB), và thuật toán tính sai tổng 100 %.
• Nhiễu nền: SM.443 khuyến nghị chênh lệch tối thiểu 30 dB giữa đỉnh tín hiệu và biên ngoài cùng của span để sai số dưới 10 %. EN 300 328 cũng yêu cầu đường bao công suất phải cao hơn đủ so với nhiễu nền của máy để nhiễu không bị tính vào.
• Tín hiệu lạ trong span: một tín hiệu nhiễu nằm trong span bị coi là một phần của tín hiệu cần đo, gây sai số lớn. Với tín hiệu số vốn dao động, SM.443 khuyến nghị lặp phép đo ít nhất 400 lần để lấy OBW trung bình.

Khi OBW đo được rộng bất thường, hãy nhìn hình dạng phổ trước khi đổi cấu hình. Hướng dẫn đo X-Series lưu ý “vai” hai bên phổ là dấu hiệu tái sinh phổ và xuyên điều chế, và mọi méo như hài hay xuyên điều chế đều sinh công suất ngoài băng. Khi đó vấn đề nằm ở bộ phát, và phép đo công suất rò kênh lân cận là bước tiếp theo; xem bài đo ACLR và bẫy mức trộn tối ưu.

Ví dụ áp dụng: thiết bị 2,4 GHz theo EN 300 328

Với thiết bị băng rộng 2,4 GHz, EN 300 328 V2.2.2 định nghĩa băng thông kênh chiếm dụng là băng thông chứa 99 % công suất tín hiệu và yêu cầu nó nằm trong dải 2 400–2 483,5 MHz. Thiết bị không thích nghi, không nhảy tần, có e.i.r.p. trên 10 dBm còn phải có băng thông kênh chiếm dụng không quá 20 MHz; thiết bị nhảy tần không thích nghi thì mỗi tần số nhảy không quá 5 MHz. Phép thử chỉ thực hiện ở tần số thấp nhất và cao nhất trong dải công bố, mỗi độ rộng kênh danh định (ví dụ 20 MHz và 40 MHz) thử riêng. Kênh 20 MHz nghĩa là span 40 MHz và RBW khoảng 400 kHz.

Chọn máy phân tích phổ Keysight

Keysight N9020B MXA có các tuỳ chọn tần số từ 3,6 GHz tới 50 GHz và băng thông phân tích tới 160 MHz. Nhiễu pha tại 1 GHz, độ lệch 10 kHz là −113 dBc/Hz theo chỉ tiêu (−114 dBc/Hz điển hình). Đây là cấu hình phổ biến cho phòng thử hợp chuẩn thiết bị vô tuyến dân dụng.

Keysight N9021B MXA dùng giao diện cảm ứng đa điểm, trang sản phẩm ghi băng thông phân tích tới 510 MHz và nhiễu pha −130 dBc/Hz tại 1 GHz / 10 kHz, phù hợp khi cần đo kênh rộng như Wi-Fi 160 MHz.

Keysight N9030B PXA phủ 2 Hz tới 50 GHz với băng thông phân tích tới 510 MHz. Với tuỳ chọn EP0, nhiễu pha tại 1 GHz / 10 kHz là −134 dBc/Hz theo chỉ tiêu (−136 dBc/Hz điển hình). Nhiễu nền thấp giúp giữ biên 30 dB mà SM.443 khuyến nghị khi đo tín hiệu yếu.

Kết luận

Đo băng thông chiếm dụng theo phương pháp 99 % là phép cộng công suất đơn giản, nhưng kết quả phụ thuộc trực tiếp vào RBW, span, detector và nhiễu nền. Hãy đặt máy theo đúng tiêu chuẩn của hồ sơ (ITU, ETSI hay FCC), kiểm tra biên tín hiệu trên nhiễu, loại tín hiệu lạ khỏi span, và dùng phép đo x dB như một phép kiểm chéo có ghi rõ mức tham chiếu. Với phép đo phát xạ theo CISPR có detector và RBW chuẩn hoá khác hẳn, xem bài đo EMI EMC theo CISPR.

Tổng công suất trong span và vị trí hai marker đều dựa vào độ phẳng biên độ và độ chính xác tần số của máy phân tích phổ. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy phân tích phổ và phân tích tín hiệu theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo và lịch hiệu chuẩn.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.