Analizator spektra radiofrekvencijskih signala Silvio Hrabar, Mario Rašpica
Download 0.57 Mb. Pdf ko'rish
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- Slika 2.10 Heterodinski analizator sa prebrisavanjem frekvencije u prvome stupnju
- Slika 2.11 Heterodinski analizator s prebrisavanjem frekvencije u drugom stupnju
- Slika 2.12a Objašnjenje odziva na zrcalne signale kod heterodinskog analizatora s prebrisavanjem u prvom stupnju miješanja.
- Slika 2.9 b) Dodatno sklopovlje na ulazu za kontrolu dinamike miješala i prevenciju pojave lažnih odziva
- Slika 2.13 Osnovna izvedba sintezatora pomoću zamke fazne
|
Slika 2.9 a) Objašnjenje rada miješala uz pretpostavku jednostavne kvadratne prijenosne karakteristike 21
Promotrimo član n-tog stupnja u izrazu (2.7) koji je oblika a n [V u sin(
t) + V LO sin(
t)] n . Taj
član sadrži i komponentu proporcionalnu sa V u V LO sin(
t) sin n-1 (
t), a to odgovara miješanju ulaznog signala s n-1 harmonikom lokalnog oscilatora. U praksi se cijeli frekvencijski opseg analizatora spektra dijeli na više podopsega u kojima se vrši miješanje s različitim harmonicima lokalnog oscilatora. Loša strana ove izvedbe je ta što je gubitak pretvorbe za harmoničko miješanje veći nego kod miješanja s osnovnim harmonikom signala lokalnog oscilatora. Ovo je razlog zbog kojega mnogi komercijalni analizatori spektra imaju lošiju osjetljivost (odnosno veći faktor šuma) u višim frekvencijskim opsezima. Praktično gledajući, moguće je vrlo lako prepoznati analizator spektra koji koristi harmoničko miješanje. Samo je potrebno analizator na svome ulazu zaključiti s prilagođenim teretom što će prouzročiti da će se na zaslonu samo pojaviti krivulja praga šuma. Ako analizator koristi harmonijsko miješanje, ova će krivulja imati oblik „stepenica“ koje rastu se porastom frekvencije (miješanje s osnovnim harmonikom lokalnog oscilatora je prva „stepenica“, miješanje s drugim harmonikom je druga „stepenica“ itd.).
Analizator spektra se redovito izvodi s više stupnjeva miješanja, pa se prebrisavanje frekvencije može također vršiti u različitim stupnjevima. Prva je mogućnost prebrisavanja u prvom stupnju miješanja (slika 2.10).
Ulazni signal MF
filter rezolucijski
MF
Detektor Video
Zaslon I Lokalni oscilator II Lokalni oscilator Generator pilastog napona
Miješalo MF pojačalo Miješalo MF
pojačalo Slika 2.10 Heterodinski analizator sa prebrisavanjem frekvencije u prvome stupnju 22
Kod ovakve izvedbe analizatora prvi stupanj mora raditi s velikom širinom frekvencijskog opsega, što znači da njegov lokalni oscilator također mora raditi u velikom rasponu frekvencija. Kod takvih oscilatora teško je postići vrlo finu razlučivost frekvencije, pa je upravljanje frekvencijom u prvome stupnju pogodno za veće raspone prebrisavanja.
Za manje raspone prebrisavanja pogodnija je izvedba s prebrisavanjem u drugom stupnju miješanja (slika 2.11).
U ovome analizatoru se centralna frekvencija odabire namještanjem frekvencije prvoga lokalnog oscilatora, a prebrisavanje u opsegu oko ove frekvencije vrši se u drugome stupnju. Bitno je uočiti da prvo MF pojačalo mora imati širinu pojasa veću od raspona prebrisavanja drugog lokalnog oscilatora. U protivnom bi dolazilo do izobličenja amplitude signala koji se nalaze izvan opsega prebrisavanja drugog lokalnog oscilatora.
Iz izraza (2.7) vidljivo je da na izlazu iz miješala uz željeni signal postoji i cijeli niz neželjenih produkata miješanja. Ako se frekvencije ovih produkata nađu u području međufrekvencije na Generator pilastog napona
Prvi lokalni oscilator Prvo miješalo Širokopojasno MF
pojačalo Drugo
miješalo Drugi lokalni oscilator Prema detektoru i zaslonu Ulaz
Uskopojasno MF
pojačalo Namještanje centralne frekvencije Slika 2.11 Heterodinski analizator s prebrisavanjem frekvencije u drugom stupnju 23
zaslonu analizatora spektra pojaviti će se lažni odzivi. Stoga je važno te produkte potisnuti, odnosno razlikovati ih od stvarnog spektra mjerenog signala.
Između mnogo tipova neželjenih produkata miješanja, dva tipa utječu na točnu identifikaciju frekvencije signala na zaslonu: zrcalne frekvencije i produkti harmonijskog miješanja. Pored ovih produkata, lažni odziv može prouzročiti i neželjeni signal čija je frekvencija jednaka frekvenciji međufrekvencije. Utjecaj ova tri tipa neželjenih signala različit je kod izvedbi analizatora s prebrisavanjem u prvome i drugome stupnju miješanja.
U analizatoru s prebrisavanjem u drugome stupnju (slika 2.11) drugi stupanj miješanja ne bi smio stvarati nikakve lažne odzive jer prvo (širokopojasno) MF pojačalo ograničava spektar signala koji se dovodi na drugo miješalo. Dakle, za analizu lažnih odziva bitno je miješanje u prvome stupnju koje se može opisati jednostavnim izrazima:
LO izlI f n f m f
(2.10) LO ul izlI f m f n f (2.11)
U ovim izrazima je f izl frekvencija signala na izlazu miješala, f ul je frekvencija ulaznoga RF signala a f
frekvencija signala lokalnog oscilatora. Mjerenje frekvencije pojedine komponente na zaslonu se kod prve generacije analizatora (sedamdesete godine dvadesetog stoljeća) vršilo očitavanjem položaja dugmeta za podešavanje frekvencije lokalnog oscilatora. Ovo je dugme bilo tako baždareno da pokazuje frekvenciju komponente signala koja se nalazi u centru zaslona. Kod novijih tipova analizatora frekvenciju pojedine komponente izračunava računalo za proizvoljni položaj na zaslonu (marker). U oba načina očitavanja očitana je frekvencija pojedine komponente f x opisana s jednom od tri jednostavne jednadžbe:
(2.12)
24
MFI LO x f f m f (2.13)
LO MFI x f m f f (2.14)
Kada je frekvencija signala na izlazu prvoga miješala jednaka (f izlI ) jednaka centralnoj frekvenciji prve međufrekvencije (f
), pojavit će se odziv na zaslonu analizatora spektra. U tom trenutku frekvencija ulaznog RF signala (f
) može biti jednaka očitanoj frekvenciji (f x ), ali
i različita od nje. Ako su ove dvije frekvencije jednake radi se o pravome odzivu dok je u protivnom odziv lažan.
Pretpostavimo da se na ulazu analizatora pojavi signal frekvencije jednake frekvenciji prve međufrekvencije (f ul = f MFI ). U tom slučaju signal prođe kroz prvo miješalo, prvo međufrekvencijsko pojačalo i dođe do drugog miješala gdje se pretvara na razinu druge međufrekvencije i čini dio odziva na zaslonu. Kako je očito da ovaj signal nije opisan izrazima (2.12), (2.13) i (2.14) radi se o lažnom odzivu. Ovakav tip lažnog odziva moguć je samo za signale čija se frekvencija nalazi unutar pojasa propuštanja prvog međufrekvencijskog pojačala. Odziv na neželjeni ulazni signal čija je frekvencija jednaka prvoj međufrekvenciji može se na zaslonu prepoznati po tome što njegov položaj ne ovisi o namještenoj frekvenciji lokalnog oscilatora (namještena centralna frekvencija).
Drugu grupu lažnih odziva čine signali zrcalnih frekvencija. Frekvenciju međufrekvencije daju ulazni signali čija je frekvencija jednaka zbroju frekvencija lokalnog oscilatora i iznosa međufrekvencije (f LO +f MFI ), i razlici njihovih frekvencija (f LO -f MFI ). Jedan od tih signala je koristan, dok drugi zrcalni predstavlja lažni odziv. Stoga se na ulazu miješala redovito postavlja filter zrcalnog pojasa (slika 2.9.b) koji propušta signala u željenom pojasu. Istovremeno, filter potiskuje zrcalne frekvencije koje su od korisnih signala pomaknute za dvostruki iznos međufrekvencije (2
). Ovi lažni odzivi se prilikom promjene centralne frekvencije pomiču u suprotnom smjeru od stvarnih odziva, što je vidljivo iz jednadžbi (2.10) i (2.11).
25
Treću grupu lažnih odziva čine produkti koji nastaju kod miješanja ulaznog signala s višim harmonicima lokalnog oscilatora. Karakteristika takvih odziva je da se prilikom promjene centralne frekvencije oni pomiču brže od pravih odziva.
Problemi identifikacije lažnih odziva znatno su slabije izraženi kod izvedbe analizatora s prebrisavanjem u prvom stupnju miješanja (slika 2.10). Uzrok leži u mogućnosti konstrukcije uskopojasnog međufrekvencijskog pojačala na znatno višoj frekvenciji u odnosu na frekvenciju širokopojasnog pojačala koji se koristi kod analizatora s prebrisavanjem u drugome stupnju. Viši iznos međufrekvencije uzrokuje veći frekvencijski razmak između stvarnih i lažnih odziva pa time i manje problema prilikom mjerenja. Iako su problemi s lažnim odzivima kod analizatora s prebrisavanjem u prvome stupnju manje izraženi, način njihove identifikacije je drukčiji i ponekad kompliciraniji nego u prethodnoj izvedbi.
Ako se signal frekvencije jednake međufrekvenciji pojavi na ulazu analizatora s prebrisavanjem u prvome stupnju, on će proći kroz miješalo i međufrekvencijsko pojačalo te direktno, bez sudjelovanja u frekvencijskoj pretvorbi prouzročiti odziv na zaslonu. To znači da CW signal nije pretvoren u njegov ekvivalent u frekvencijskoj domeni, tj. u uski impuls. Ovaj CW signal postoji unutar frekvencijskog pojasa MF pojačala cijelo vrijeme, bez obzira na trenutnu vrijednost prebrisavane frekvencije, što uzrokuje pomak u razini signala na izlazu. Dakle, lažni odziv na signale čija je frekvencija jednaka frekvenciji međufrekvencije može se kod analizatora s prebrisavanjem u drugome stupnju prepoznati po pomaku referentnog nivoa na zaslonu.
Kao i kod analizatora s prebrisavanjem u drugome stupnju, odziv na zrcalnu frekvenciju je od stvarnog odziva pomaknut za dvostruki iznos međufrekvencije. Međutim, lažni se odziv ne kreće u različitom smjeru od stvarnog odziva prilikom promjene centralne frekvencije (slika 2.12.).
26
Pretpostavimo da su na ulazu analizatora spektra prisutna dva CW signala frekvencija f ul1 i f ul2 . Prvom signalu odgovara signal na izlazu iz miješala na frekvenciji f LO -f ul1 , a drugom na frekvenciji f
-f LO . Jedan od ova dva signala odgovara pravom odzivu, dok je drugi odziv na signal zrcalne frekvencije. Kada se mijenja centralna frekvencija oko koje analizator vrši prebrisavanje, frekvencijsko-vremenska krivulja lokalnog oscilatora (koja je pilastog valnog oblika) pomiče se s položaja označenog sa f
na položaj označen sa f LO2 . Odgovarajući signali na izlazu iz miješala određeni su s f
-f ul1 i f LO2 -f ul1 za prvi odziv i s f ul2 -f LO1 , odnosno s f ul2 -f LO2 za drugi odziv. Iz grafikona je vidljivo da se u oba moguća slučaja pretvorbe odzivi na ekranu pomiču u istom smjeru prilikom promjene centralne frekvencije. Dakle, kod analizatora s prebrisavanjem u prvome stupnju nemoguće je samim rukovanjem instrumentom odrediti razliku između pravog odziva i lažnog odziva uzrokovanog signalom zrcalne frekvencije.
f ul2 f
širina MF pojasa fLO1
f LO2
f ul1
fLO1 - f ul1 fLO1 - f f ul1 ul1
f f LO2 LO2 - - f ul2
fLO1 - f ul2 fLO1
- f ul2 fLO2 - f ul2 fLO2
- amplituda vrijeme (polozaj na zaslonu ) v
27
Velika većina modernih analizatora spektra koristi miješanje u prvome stupnju. Da bi se izbjegao problem lažnih odziva, često se ispred miješala stavlja ili jednostavni niskopropusni filter ili (kod skupljih modela) slijedni pojasno propusni filter (preselektor s YIG filterom ) čija se centralna frekvencija mijenja pomoću pilastog napona koji upravlja prebrisavanjem (slika 2.12 b). Osim ovog rješenja, postoji niz drugih rješenja koji u biti predstavljaju automatizaciju prethodno opisanih manualnih metoda identifikacije lažnih odziva. Na današnjem stupnju razvoja tehnologije, problem lažnih odziva najviše je prisutan u višem mikrovalnom i milimetarskom području (iznad 30 GHz) gdje se za mjerenja koriste analizatori spektra s vanjskim miješalima.
Iako je miješalo po svojoj prirodi nelinearni sklop i ono ima ograničenje dinamike ulaznog signala. Naime, ako se promatra karakteristika dobitka pretvorbe ona je linearna za određeni opseg snaga ulaznog RF signala (i naravno fiksnu snagu lokalnog oscilatora). No kao i kod pojačala, porastom razine signala približava se zasićenju, pa je moguće definirati 1 dB kompresije i presjecišne točke trećeg reda (ovo je detaljno opisano za cijeli sustav analizatora spektra u poglavlju 3). Kao posljedica nelinearnosti pojavljuje se pogreška u očitavanju amplitude signala na zaslonu ili, kod signala većih razina, pojava lažnih odziva. Da se ovo izbjegne, redovito se na ulaz lanca heterodinskog analizatora (ispred miješala) dodaje promjenjivi atenuator kojim se ulazni signal dovodi u linearno područje rada (slika 2.12 b).
Ponekad je poželjno proširiti mjerni opseg analizatora spektra (ovo se obično radi za mjerenja u milimetarskom području (iznad 40 GHz ). To je moguće načiniti dodavanjem vanjskog miješala (time se dodaje još jedan stupanj pretvorbe). Kao lokalni oscilator koristi s neki viši harmonik lokalnog oscilatora (naravno, potrebno je da analizator spektra ima tvornički ugrađen izlaz Slika 2.9 b) Dodatno sklopovlje na ulazu za kontrolu dinamike miješala i prevenciju pojave lažnih odziva 28
lokalnog oscilatora). Za ovo se obično koriste valovodna miješala koja nemaju preselektor pa je posebnu pažnju potrebno pokloniti identifikaciji lažnih odziva (neželjenih produkata miješanja).
Lokalni oscilator
Lokalni oscilator je naponski upravljani oscilator kojim se vrši prebrisavanje spektra ulaznog RF signala. Karakteristike tog oscilatora od velikog su utjecaja na karakteristike analizatora spektra. Stabilnost frekvencije određuje pouzdanost očitanja frekvencije na zaslonu analizatora spektra, a također ima utjecaj na rezoluciju analizatora spektra. Postoje dva parametra koji određuju stabilnost frekvencije oscilatora. To su kratkotrajna stabilnost koja je definirana faznim šumom, i dugotrajna koja se definira kao relativna promjena frekvencije u određenom vremenskom intervalu (sat, dan, itd.). Fazni šum se definira kao omjer gustoće snage (u dBc/Hz) u odnosu na gustoću snage nosioca, na određenom razmaku od nosioca (poglavlje 3). Kako bi se povećala stabilnost lokalnog oscilatora u današnjim analizatorima često se koristi sinteza frekvencije pomoću zamke fazne sinkronizacije („Phase Locked Loop“, PLL) (slika 2.13).
Frekvencija signala naponski upravljanog oscilatora dijeli se u djelitelju frekvencije i dovodi na fazni detektor. U faznom detektoru se faza tog signala uspoređuje s fazom signala referentnog oscilatora. Ovdje se pod pojmom referentni oscilator podrazumijeva temperaturno stabilizirani oscilator s kristalom kvarca (TCXO) (takozvana vremenska baza), s odgovarajućim djeliteljem kojima se namješta komparacijska frekvencija. Na izlazu faznog detektora Slika 2.13 Osnovna izvedba sintezatora pomoću zamke fazne PD
N Referentni oscilator Fazni
detektor Niski
propust Naponski upravljani oscilator VCO Djelitelj 29
pojavljuje se signal čiji je napon proporcionalan razlici faza dvaju signala. Taj napon se filtrira u niskopropusnom filtru (integratoru) te on upravlja frekvencijom naponski upravljanog oscilatora. Kad je zamka u stabilnom stanju, faze na izlazu iz djelitelja i faza signala iz referentnog oscilatora imaju konstantnu minimalnu razliku, a frekvencije su im jednake. To znači da je frekvencija naponski upravljanog oscilatora N puta veća od frekvencije signala nakon djelitelja. Iz ovog se vidi da se odabirom omjera dijeljenja izlazna frekvencija može mijenjati dok stabilnost izlazne frekvencije odgovara stabilnosti frekvencije referentnog oscilatora. Korak odabira frekvencije jednak je frekvenciji referentnog oscilatora. Da bi se sustav stabilizirao u kratkom vremenu, komparacijska frekvencija mora iznositi nekoliko kHz, čime je ograničen korak izlazne frekvencije. Opisani rad sintezatora je vrlo pojednostavljen, dok se u praksi često koriste znatno kompliciranije izvedbe s nekoliko sinkronizacijskih petlji u cilju postizanja velike širine opsega. Preciznost namještene frekvencije je u osnovi jednaka preciznosti referentnog TCXO oscilatora (reda 10 –6 do 10
–7 ). Nedostatak ovoga pristupa je vrijeme potrebno da se frekvencija promjeni s jedne na drugu namještenu vrijednost. Ovo vrijeme je ograničeno vremenom utitravanja fazne petlje koje je kod najmodernijih analizatora reda µs. Većina analizatora spektra podržava i način rada s takozvanom „nultom“ širinom pojasa („zero span mode“). U ovom načinu rad, lokalni oscilator ne prebrisava područje već radi na jednoj fiksnoj frekvenciji (koja se može proizvoljno podesiti). Dakle analizator spektra ponaša kao klasični prijemnik kojemu se može mijenjati širina međufrekvencijskog filtera (filtera razlučivosti). U ovome modu moguće je na MF izlaz spojiti osciloskop pa promatrati mjereni signal (na razini međufrekvencije) u vremenskoj domeni. Također je moguće priključiti dodatni demodulatora i analizator zaista koristiti kao prijemnik za specifičnu vrstu signala koja se mjeri. Neki analizatori imaju čak ugrađene dodane demodulatore u „zero span“ modu za najčešće modulacije koje se koriste u radiokomunikacijama.
Za izvedbu međufrekvencijskog lanca analizatora spektra vrijedi većina zahtjeva koja se odnosi na ugođeni međufrekvencijski lanac standardnog komunikacijskog prijemnika (veliko pojačanje reda 60-70 dB, stabilnost). Bitni dodatni zahtjevi nameću se zbog dinamičkoga rada prijemnika pa je potrebno analizirati ovisnost prijenosne karakteristike lanca u odnosu na parametre
30
prebrisavanja. Glavni element lanca koji određuje tranzijentni odziv je međufrekvencijski (rezolucijski) filter. U analizi koja slijedi cijeli MF lanac je modeliran s normaliziranom prijenosnom kararkteristikom filtera. Da bi se mogao analizirati utjecaj konačnog vremena utitravanja prvo je potrebno poznavati statičku frekvencijsku karakteristiku rezolucijskog filtera. Najjednostavniji pojasnoporopusni filter u RF području je paralelni titrajni krug. Standardna tehnika za postizanje uskopojasne frekvencijske karakteristike ovakvog filtera je kaskadiranje više titrajnih krugova u lanac. Frekvencijska karakteristika ovakvoga lanca može se vrlo dobro opisati s Gaussovom karakteristikom:
2 2 1 e H
(2.15) Parametar može se izraziti preko standardne 3 dB širine pojasa f :
2 ln f (2.16)
Nadalje, pretpostavimo linearnu ovisnost frekvencije lokalnog oscilatora o vremenu (slika 2.14).
= Širina pojasa prebrisavanja / f t Download 0.57 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|