Analizator spektra radiofrekvencijskih signala Silvio Hrabar, Mario Rašpica
Download 0.57 Mb. Pdf ko'rish
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- 3.2 Točnost
- 3.3 Razlučivost
- Slika 3.1 Prikaz odziva na zaslonu analizatora spektra prilikom mjerenja dva CW signala jednakih amplituda i bliskih frekvencija (definicija razlučivosti)
- Slika 3.2 Definicija rubne razlučivosti
- Slika 3.3 Definicija faktora oblika
- Slika 3.6 Objašnjenje klizanja frekvencije i slučajnog šuma
- Slika 3.5 Primjer izgleda spektralne linije sa faznim i amplitudnim šumom na analizatoru spektra (60 dBc uz 50 kHz pomak o nosioca uz RBW od 10 kHz)
- 3.5 Osjetljivost
- 3.6 Dinamičko područje
|
3.1 Frekvencijski opseg
Frekvencijski opseg (“frequency range”) definiran je kao područje frekvencija unutar kojega se sa analizatorom spektra mogu vršiti mjerenja sa specificiranom točnosti. Posebno je važno napomenuti da specificiran točnost uvijek ovisi o frekvenciji. Točnost gotovu uvijek opada kada se frekvencija približava rubovima područja (gornjoj i donjoj graničnoj frekvenciji). Stoga je dobro proučiti ovisnost pogreške o frekvenciji za pojedini analizator spektra (takozvana „funkcija kade“ – ovaj naziv se koristi jer pogreška raste na rubovima područja pa krivulja sliči kadi).
Točnost mjerenja frekvencije („frequency accuary“) može se definirati kao maksimalna apsolutna pogreška mjerenja frekvencije pojedine komponente signala na zaslonu analizatora (numerička veličina). Mnogo češće je točnost mjerenja frekvencije prikazana kao suma apsolutne točnosti mjerenja i doprinosa pogrešaka različitih parametara analizatora (preciznost referentnog oscilatora vremenske baze, točnost namještanja frekvencijskog pojasa). Kod analizatora koji koriste lokalni oscilator izveden s naponski kontroliranim oscilatorom točnost mjerenja frekvencije je praktički jednaka točnosti frekvencije lokalnog oscilatora i neovisna je o širini opsega rezolucijskog filtera. Ovo se može objasnit s činjenicom da je širina rezolucijskog filtera koja se najčešće koristi u praksi reda desetak Hz do par kHz, dok je apsolutna točnost naponski kontroliranog oscilatora u RF i mikrovalnom području znatno niža od ove vrijednosti (reda par MHz).
42
Iako analizator koji koristi sintezator frekvencije ima vrlo veliku stabilnost frekvencije (jednaku relativnoj stabilnosti referentnog temperaturno stabiliziranog oscilatora koja je reda 10 -6 do 10 -7 ),
točnost očitavanja frekvencije može biti znatno lošija i jednaka širini pojasa rezolucijskog filtera. Ako se, na primjer pretpostavi frekvencija lokalnog oscilatora od recimo 10 GHz, apsolutna točnost njegove frekvencije iznositi će 10 kHz. Ako je rezolucijski filter namješten na širinu od 100 kHz, sve slučajne promjene frekvencije lokalnog oscilatora biti će maskirane unutar prijenosne karakteristike rezolucijskog filtera. Dakle, točnost mjerenja frekvencije iznositi će 100 kHz a ne 10 kHz. 3.2.2 Točnost relativnog mjerenja amplitude
Ova se točnost („relative magnitude accuracy“ ) redovito navodi u dB kao maksimalna relativna pogreška mjerenja mjera snaga dvije frekvencijske komponente. Najvažniji parametri sklopovlja koji utječu na ovu točnost su točnost logaritamskog odziva MF pojačala i linearnost detektora. Ovi parametri mogu utjecati na točnost sa iznosom reda 0.5 dB ili manje. Slijedeći parametar koji može značajno utjecati na točnost relativnog mjerenja amplitude je valovitost amplitudno frekvencijske karakteristike analizatora spektra. Analizator spektra u RF području obično ima valovitost frekvencijske karakteristike reda 0.5 dB. Sa druge strane mikrovalni analizator spektra koji pokriva frekvencijsko područje od 20 GHz može imati valovitost od čak 4 dB, što daje doprinos pogreški od 2 dB. Dakle, u RF području ukupna točnost relativnog mjerenja amplitude može biti reda 1 dB, dok u višem mikrovalnom području ona može preći čak 3 dB. Važno je primijetiti da su svi ovi parametri specificirani za analizator koji radi u linearnom režimu, bez kompresije signala i izobličenja.
Ova točnost („absulute magnitude accuracy“) opisuje apsolutno mjerenje. Da bi se sa analizatorom spektra moglo izvršiti mjerenja apsolutne amplitude signala potrebna je kalibracija sa referentnim izvorom signala. Ovakvi izvori imaju tipičnu nesigurnost reda 0.3 dB, no rade na samo jednoj frekvenciji (obično 50 MHz ili 300 MHz). Ako je frekvencija signala čija se apsolutna amplituda želi izmjeriti bliska ovoj frekvenciji može se desiti da se postigne veća točnost nego kod mjerenja relativne amplitude jer se izbjegava pogreška valovitosti frekvencijske karakteristike. No, u 43
najgorem slučaju će točnost mjerenja apsolutne amplitude biti lošija od točnosti mjerenja relativne amplitude za iznos nesigurnosti kalibracijskog izvora. Točnost mjerenja amplitude redovito se specificira uz RMS detektor i deterministički CW signal bez modulacije i šuma. Upotreba nekog drugog detektora ili slabog signala s velikom „primjesom“ šuma će dati drugačiji (netočan!) rezultat. Nadalje, usrednjavanje se ne smije koristiti u RMS modu (jer RMS usrednjenog signala nije jednak srednjoj vrijednosti RMS komponenti). Nadalje, u literaturi je moguće naći metode (i pojednostavljene izraze) pomoću kojih se može procijeniti ova „greška“, ovisno o upotrebljenom detektoru i vrsti signala. Na primjer, uz korištenje vršnog detektora, stohastički signali su težinski prenaglašeni tako sa se na zaslonu vidi maksimalna razina. S povećanjem vremena prebrisavanja, vrijeme potrebno za prikupljanje podatak za jednu točku na zaslonu također raste. Uz pretpostavku Gaussovog šuma raste vjerojatnost pojave viših trenutnih vrijednosti. Sve ovo vodi k očitanoj razini koja je viša od stvarne razine signala. Slična se razmatranja mogu naći i za ostale vrste detektora i signala [20]. 3.3 Razlučivost
Razlučivost ili rezolucija („resolution“) je mogućnost odvojenog prikaza dvaju po frekvenciji bliskih komponenti signala. Intuitivno je jasno sa je nemoguće istovremeno prikazati dvije komponente na zaslonu ako je frekvencijski razmak manji od širine pojasa filtera razlučivosti. U tom slučaju će se na zaslonu vidjeti samo jedna komponenta (frekvencijska karakteristika filtera razlučivosti). Ako se razmak između komponenti povećava pojavljuje se usjek u karakteristici (slika 3.1).
3 dB
R 2 dB/
Slika 3.1 Prikaz odziva na zaslonu analizatora spektra prilikom mjerenja dva CW signala jednakih amplituda i bliskih frekvencija (definicija razlučivosti) 44
Kolika je potrebna “dubina” usjeka da bi se signali mogli identificirati stvar je proizvoljne procjene. Većina proizvođača specificira širinu od 3 dB za definiciju razlučivosti R. Veoma je važno učiti da je ovakva definicija razlučivosti podrazumjeva jednake amplitude oba signala. Za mjerenje ovako definirana razlučivosti potrebno je imati dva vrlo stabilna CW signala jednakih amplituda. To je moguće postići pomoću dva odvojena generatora čiji su izlazni signali združeni u sklopu za zbrajanje signala. Druga metoda koristi jedan RF generator i jedan niskofrekvencijski generator koji su spojeni na balansni modulator. Ovako se dobiva amplitudno modulirani signal s potisnutim nosiocem čija dva bočna pojasa formiraju dva signala jednake amplitude. Kako su oba načina mjerenja komplicirana za svakodnevnu upotrebu, čestu se koristi definicija razlučivosti preko širine pojasa međufrekvencijskog filtera razlučivosti. Neki proizvođači za filter razlučivosti specificiraju 3 dB pojas, dok drugi specificiraju 6 dB pojas. Omjer između 3 dB i 6 dB širine pojasa iznosi približno 2 za sinkrono ugođene filtere, te približno 1.1 za filtere sa približno pravokutnom karakteristikom [17]. Definicija širina pojasa od 6 dB bolje opisuje rezoluciju jer ako su dva signala razmaknuta za iznos te širine pojasa, dubina ''usjeka'' između signala će biti upravo 3 dB. Dakle, širina pojasa rezolucijskog filtera definiranog za 6 dB točke i rezolucija imaju istu numeričku vrijednost.
10 dB/ 3 dB R
U praksi su komponente signala rijetko jednake amplitude pa je potrebno definirati rubnu razlučivost. Ova se razlučivost definira kao razmak frekvencije između dva signala nejednakih amplitude kada je "usjek" između njih u prikazu 3 dB niži od signala manje amplitude.
45
Zbog navedenih poteškoća u mjerenju razlučivosti definirane pomoću dva signala, koristi se izvedena definicija faktora oblika rezolucijskog filtera. Faktor oblika je definiran kao omjer između širine frekvencijskog pojasa pri 60 dB točkama i rezolucijske širine (slika 3.3). Dakle, što je faktor oblika manji to je bolje razlučivanje signala malog nivoa smještenog u blizini signala velikog nivoa. Nažalost i kod ovog parametra različiti proizvođači različito specificiraju širinu razlučivosti (3 dB pojas ili 6 dB pojas) što otežava usporedbu.
10 dB/ RBW 60 dB BW
faktor obl.= RBW
60 dB BW
Osim širine pojasa MF flitra i faktora oblika na razlučivost utječe i nestabilnost lokalnog oscilatora (odjeljak 3.4). Da ne bi došlo do degradacije razlučivosti, vršna vrijednost slučajnog FM (poglavlje 3.4.2.) mora biti manja od širine pojasa razlučivost. Za signale male amplitude koji se nalaze blizu signala velikih amplituda razlučivost može biti ograničena faznim i amplitudnim šumom lokalnog oscilatora, koji može djelomično maskirati željeni signal.
3.4 Stabilnost Stabilnost frekvencije („frequency stability“) analizatora spektra određena je stabilnošću frekvencije lokalnih oscilatora. Postoje tri osnovna parametra koji opisuju stabilnost frekvencije oscilatora; klizanje frekvencije, slučajni šum i FM šum.
46
Klizanje frekvencije (dugotrajna stabilnost) Klizanje (drift) („long-term stability“) je polagana promjena frekvencije uzrokovana promjenom električnih parametara elektroničkih sklopova unutar duljeg vremenskog razdoblja. Klizanje se redovito navodi kao maksimalna apsolutna promjena frekvencije unutar nekog vremenskog intervala. Kao vremenski interval kod analizatora spektra obično se uzima 10 minuta, iako se koriste i druge vrijednosti. Tipične vrijednosti klizanja frekvencije iznose desetak kHz unutar deset minuta. Klizanje je posebno uočljivo prilikom zagrijavanja uređaja, pa većina proizvođača obično daje podatke o klizanju frekvencije u jednom satu nakon uključenja, te podatak o klizanju frekvencije zagrijanog instrumenta. Velik utjecaj na klizanje frekvencije imaju parametri okoline (temperatura, vlažnost, tlak), pa je važno specificirati radne uvjete. 3.4.2 3.4.3 Slučajni FM šum
Slučajni FM šum („incidental FM, residual FM“) opisuje brze i relativno male pomake frekvencije (fluktuaciju). Definira se kao dvostruka vršna devijacija frekvencije u odnosu na radnu frekvenciju. Slučajni FM šum najčešće je uzrokovan niskofrekventnim smetnjama izvora napajanja (signali frekvencije mreže, njihovi harmonici, signali u prekidačkim stabilizatorima). Ovaj se signal smetnje transponira u RF područje miješanjem na nelinearnom elementu koji se koristi u oscilatoru. Tipične vrijednosti slučajnog FM šuma su reda nekoliko stotina Hz, uz širinu pojasa rezolucijskog filtera od 1 kHz i unutar vremenskog intervala od 300 mS. Na slici 3.4 prikazana je razlika između klizanja frekvencije i slučajnog FM šuma.
47
Fazni šum
Termin fazni šum („phase noise“) odnosi se na slučajni šum niske razine koji se u frekvencijskoj domeni nalazi sa obje strane (u bočnim pojasevima) osnovne frekvencije signala oscilatora. Ovaj šum je prouzrokovan slučajnim fluktuacijama faze signala oscilatora. Šum se nakon frekvencijske pretvorbe pojavljuje u MF opsegu i sudjeluje u stvaranju slike na zaslonu analizatora spektra (slika 3.5).
Striktno govoreći, lokalni oscilator u analizatoru spektra ima i AM i FM šum a obje vrste će sudjelovati u stvaranju slike na zaslonu, neki proizvođači koriste (ispravniji) termin šum bočnih pojaseva („noise sidebands“). Međutim fazna komponenta ima tendenciju dominiranja, pa je uobičajen termin ipak fazni šum. Fazni šum bočnih pojaseva specificira se na određenom razmaku od nosioca, kao logaritamski odnos gustoće spektra (snaga po Hz širine pojasa u odnosu na snagu nosioca (dBc/Hz). U teoriji oscilatora uobičajeno je snagu faznog šuma specificirati po Hz širine pojasa dok se kod analizatora spektra češće koristi širina pojasa rezolucijskog filtera. Ovo se čini jer upravo snaga šuma koja se nalazi unutar širine pojasa rezolucijskog filtera sudjeluje u stvaranju slike na zaslonu. Tipične vrijednosti faznog šuma su reda 70 dBc unutar rezolucijskog pojasa 1 kHz na 50 kHz pomaka od nosioca.
Bočni pojasevi šuma obično specificiraju samo za osnovnu pretvorbu frekvencije. Mikrovalni analizatori spektra često koriste harmoničko miješanje sa N –tim harmonikom prvog lokalnog oscilatora za pokrivanje cijelog frekvencijskog područja. U tom slučaju, razina šuma bočnih pojaseva će se Slika 3.5 Primjer izgleda spektralne linije sa faznim i amplitudnim šumom na analizatoru spektra (60 dBc uz 50 kHz pomak o nosioca uz RBW od 10 kHz) 10 dB/
Boćni pojas faznog i
amplitudnog šuma 50 kHz/
48
povećati s omjernom 20 log iz broja N, gdje N predstavlja faktor množenja frekvencije lokalnog oscilatora, jer se i bočni pojasevi proširuju proporcionalno broju N.
Još je potrebno napomenuti da je specificirana razina faznog šuma analizatora spektra temeljena na razini šuma prikazanoj na zaslonu analizatora, a ne na stvarnoj razini. Stoga očitanu razinu šuma treba korigirati za faktore detektora i prikaza (2.5 dB), te za omjer ekvivalentne širine pojasa za šum prema rezolucijskoj frekvencijskoj širini.
Osjetljivost („sensitivity“) se obično definira kao najmanji nivo signala koji je još moguće detektirati, odnosno mjeriti. Osjetljivost se obično izražava na jedan od tri načina: faktor šuma, odnosom signala prema šumu jednakim jedinici i ekvivalentnim ulaznim šumom. Sva tri načina u biti su potpuno ekvivalentna, izbor je obično ovisan o metodi mjerenja.
Definiranje osjetljivosti preko faktora šuma
Ako je ulaz analizatora spektra zaključen samo karakterističnom impedancijom, ulazni signal će biti samo termički šum. Šum generiran unutar analizatora može se nadomjestiti ekscesnim šumom na ulazu. Tada će ukupna ekvivalentna razina šuma na ulazu analizatora biti :
0 (3.1)
gdje je N raspoloživa snaga šuma, F faktor šuma, k Boltzmanova konstanta (1.37 10 -23 J/K), T 0 temperatura okoline (300 K), a B n je ekvivalentna širina pojasa šuma. Gore navedeni izraz mnogo je praktičnije izraziti u decibelima, pa se dobiva:
dB F B dBm N n ) log( 10 174
(3.2) 49
Snaga šuma direktno je proporcionalna frekvencijskoj širini pojasa šuma B n i mijenja se s 10 log B n . Ekvivalentna širina pojasa šuma je:
df H f H B n 2 0 2 (3.3)
0 je pojačanje na centralnoj frekvenciji. Iako se osjetljivost analizatora spektra može definirati pomoću faktora šuma, to nije uobičajeno. To je zbog činjenice da proizvođači redovito specificiraju širinu pojasa razlučivosti, a ona obično ne odgovara ekvivalentnoj širini pojasa šuma B
, već se razlikuje za neki faktor, koji ovisi o obliku prijenosne karakteristike filtra. Kod prijenosne karakteristike filtera sa Gaussovim oblikom ekvivalentna širina pojasa šuma odgovara približno pojasu širine 3dB.
Ova definicija koristi omjer signal prema šumu jednak jedinici tj.: N N S 2 (3.4)
U gornjoj jednadžbi je S snaga signala. Kako analizator spektra uvijek mjeri zbroj signala i šuma, ova definicija je pogodna za mjerenje osjetljivosti. Na ulaz analizatora spektra dovodi se signal čija je razina takva da njegov prikaz na zaslonu bude 3 dB iznad nivoa šuma. U tom slučaju razina šuma jednaka je razini ulaznog signala. Jednadžba (3.4) može se direktno primijeniti jedino ako detektor ima odziv na efektivnu vrijednost (RMS). Ako se koristi vršni detektor, što je mnogo češći slučaj, prikaz na zaslonu mora biti približno 2.2 dB iznad praga šuma da bi nivo signala bio jednak nivou šuma.
Definiranje osjetljivosti pomoću praga šuma
Moderni analizatori spektra redovito imaju mogućnost apsolutnog mjerenja amplitude, odnosno kalibrirani vertikalni prikaz. Kada na ulazu nema signala već je priključen samo prilagođeni teret, 50
analizator spektra će na zaslonu prikazati ekvivalentni ekscesni šum na ulazu, odnosno prag šuma. Kako je vertikalni prikaz kalibriran moguće je na zaslonu analizatora spektra direktno očitati taj šum. To je snaga definirana s ((3.2), (3.3)) i ona se često naziva prikazana srednja razina šuma („displayed average noise level“).
Dinamičko područje („dynamics“) predstavlja omjer između najvećeg i najmanjeg signala koji se mogu mjeriti na analizatoru spektra. Najniži nivo određen je osjetljivošću, odnosno pragom šuma. Najviši nivo određen je ulaskom sklopovlja analizatora u nelinearno područje rada. Postoji nekoliko različitih definicija granice između linearnog i nelinearnog područja rada, a najčešće se koristi točka 1 dB kompresije, odnosno presjecišna točka trećeg reda.
Točka 1 dB kompresije definira se kao ona ulazna snaga kod koje dolazi do odstupanja u očitanju od 1 dB. To se događa kad se razina ulaznog signala miješala približava razini signala lokalnog oscilatora. Stoga je poželjno ograničiti velike ulazne signale u miješalo odgovarajućim atenuatorom na ulazu. Uz pomoć točke 1 dB kompresije dinamika se definira kao:
dB S P D e dB 1 (3.5)
Ovdje je D 1dB dinamika sustava, a S e osjetljivost (iznos snage šuma N u izrazu 3.1)
Intermodulacijsko izobličenje nastupa kad se javljaju nove komponente signala, koje nisu prisutne u ulaznom signalu. Te nove komponente signala ukazuju se kao zbroj i razlika frekvencija komponenti ulaznog signala i njihovih harmonika. Ukoliko se ulazni signal sastoji od dvije frekvencijske 51
komponente f 1 i f 2 , javljaju se intermodulacijska izobličenja na frekvencijama f 1 +f 2 , f 2 -f 1 , 2f 2 -
1 , 2f 1 – f 2 , itd. Kod intermodulacijsko izobličenja, najveći utjecaj imaju komponente trećeg reda 2f 2 -f 1
i 2f 1 –f 2 , jer se javljaju u blizini ulaznog signala, pa su vidljive na zaslonu. Ako se ulazni signal poveća za iznos (u decibelima) intermodulacijski produkti trećeg reda povećaju se za iznos 3. Na slici 3.6 su prikazani intermodulacijski produkti trećeg reda.
Kao mjera intermodulacijskih izobličenja trećeg reda obično se uzima presjecišna točka trećeg reda. Na slici 3.7 prikazana je točka kompresije 1 dB i presjecišna točka trećeg reda.
f 1 f 2 2 -
f f 2 1 2 -
f f 1 2
A Download 0.57 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|