Analizator spektra radiofrekvencijskih signala Silvio Hrabar, Mario Rašpica
Slika 3.6 Prikaz intermodulacijskih komponenti trećeg reda
Download 0.57 Mb. Pdf ko'rish
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- 3.8 Općenite karakteristike
- 3.9 Primjer karakteristika tipičnog analizatora spektra
- Karakteristika Vrijednost
- 4.1 Digitalna obrada signala na razini međufrekvencije
- Slika 3.1 Usporedba klasičnog i modernog analizatora spektra s digitalnom obradom u MF i detektorskom cjelokupnom lancu
- 4.2 Kombinacija analognog prebrisavanja i brze Fourierove transformacije
- 4.3 Analiza signala i analiza modulacije
- 5.1 Pregled komandi tipičnog analizatora spektra
- CONTINOUS SWEEP
- DISPLAY
- BANDWIDTH
|
Slika 3.6 Prikaz intermodulacijskih komponenti trećeg reda Slika 3.7 Definicija dinamike preko točke 1 dB kompresije i presjecišne točke trećeg reda Izobličenja trećeg reda
Osnovni harmonik Presjecišna točka trećeg reda Ulazni signal 1dB
D I
1
IP3 Prag šuma S e Prikaz na zaslonu P i 3 P 1 d B
52
Definiranje dinamike preko presjecišne točke trećeg reda na način analogan onome u 3.5. ne se ne koristi jer je presjecišna točka ekstrapolirana vrijednost, a ne neka stvarna fizička razina snage. Stoga se dinamika obično definira kao razlika nivoa (u dBm) između osjetljivosti i nivoa kod kojeg se počinju zamjećivati intermodulacijski produkti trećeg reda na zaslonu analizatora :
dB S P D e I IM 3 3
(3.6)
Ova se dinamika može izraziti i direktno preko presjecišne točke trećeg reda kao: dB S IP D e IM 3 3 2 3
(3.7)
Brzina mjerenja („measurement speed“) se specificira na nekoliko načina. Ponekad se navodi v rijeme mjerenja („measurement time“) - vrijeme potrebno sklopovlju analizatora da obradi mjerni rezultat unutar jednog prebrisavanja frekvencijskog opsega („sweep“) i pokaže ga na zaslonu. Ponekad se navodi minimalno vrijeme prebrisvanja („minimal sweep time“) ili maksimalni broj prebrisavanja u jednoj sekundi („maximal number of sweeps per second“). Jasno je da svi navedeni parametri direktno ovise o postavljenim vrijednostima filtera razlučivosti i postdetektorskog filtera. Nadalje, ovi parametri ovise o vrsti korištenog detektora ili (kod posljednje generacije analizatora koja je ukratko opisana u poglavlju 4) o modu rada (tradicionalni „sweep“ mod ili FFT mod). Vrlo često različiti proizvođači specificiraju brzinu mjerenja na različite načine, što treba uzeti u obzir prilikom uspoređivanja različitih analizatora.
Svaki proizvođač navodi i općenite karakteristike (“general data”) koje nisu direktno vezane za frekvencijsko područje rada analizatora spektra:
53
Karakteristična impedancija sustava („system impedance, characteristic impedance“) (na primjer 50 Ω). Tip konektora na mjernom prolazu („input connector“) (na primjer N konektor). Maksimalna nominalna ulazna RF snaga („maximum nominal input level“). Ovo je maksimalna RF snaga na ulazu uz koju instrument radi unutar specificiranih karakteristika. Nivo ulazne RF snage koja oštećuje instrument („RF damage level“) Nivo ulaznog istosmjernog signala koji oštećuje instrument („DC damage level“). Za sve definicije ulazne snage potrebno je uvije obratit pažnju da li proizvođač specificira namještenu vrijednost ulaznog atenuatora. Preporučeni kalibracijski interval („calibration interval“). To je period unutar kojeg proizvođač garantira navedene karakteristike uređaja (na primjer 1 godina). Nakon isteka ovog perioda potrebno je ponovno provjeriti karakteristike uređaja i podesiti odgovarajuće sklopovlje da bi uređaj mjerio unutar specificirane točnosti. Ovaj Temperatura okoline u kojoj uređaj može raditi („temperature range“) Radni napon uređaja („main voltage“) Potrošnja uređaja („power consumption“) Osnovne mehaničke karakteristike (dimenzije uređaja i masa).
U tablici 2-1 dat je pregled parametara (tehničkih karakteristika) za jedan tipični analizator spektra visoke klase kvalitete. Za karakteristike koje su ovisne o nekome parametru dane su minimalne i maksimalne vrijednosti
Karakteristika Vrijednost Frekvencijsko područje 9 kHz do 40 GHz Točnost referentnog kvarcnog oscilatora (klizanje frekvencije) 8x10
-6 / godini (bez temperaturne stabilizacije) 1x10 -8
Slučajni (residualni) FM šum 3 Hz
Širina međufrekvencijskog pojasa prijamnika (filter razlučivosti) 1 Hz do 1 MHz (u koracima 1,3,10)
54
Dinamički opseg 90 dB do 110 dB (ovisno o frekvencijskom području) Maksimalni broj prebrisavanja („sweep“) u 1 s 1000 Mjerna nesigurnost prilikom apsolutnog mjerenja snage
0,4 dB do 2.5dB (ovisno o frekvencijskom području) Potiskivanje zrcalnog pojasa -80 dBc Točka 1 dB kompresije + 3 dBm
Presjecišna točka trećeg reda za ulazno mješalo +12 dbm
Prilagođenje ulaza (povratni gubitci) >12 dB
Maksimalna nominalna ulazna snaga +20 dBm do +13 dBm (ovisno o frekvencijskom području) Točnost mjerenja snage 1 dB do 3 dB (ovisno o frekvencijskom području) Nivo RF snage koja oštećuje instrument + 27 dBm Nivo istosmjernog signala koji oštećuje instrument 30 V Prag šuma prijemnika (srednja vrijednost šuma) -95 dBm do -110 dBm (uz širinu opsega MF filtera od 1 kHz) Karakteristična impedancija sustava 50 ohma
Tip konektora na mjernom prolazu N ženski Preporučeni kalibracijski interval 1 godina Temperatura okoline 5 C do 40 C Radni napon 220 V izmjenična Potrošnja uređaja 100 W
Osnovne mehaničke karakteristike dimenzije 40 cm x 20 cm x 40 cm, masa 9,5 kg
4 Moderne izvedbe i budućnost tehnologije analizatora spektra
Iako je tehnologija digitalne obrade već dugo (preko dvadeset godina) prisutna u analizatorima spektra, on se uglavnom koristila samo nakon detekcije signala, dakle u postdetektorskom lancu. Ova obrada je uključivala vrlo jednostavnu obradu signala poput usrednjavanja, spremanja izmjerenog spektra u memoriju, jednostavne matematičke operacije nad izmjerenim spektrima i slično. Nakon toga su se počeli pojavljivati analizatori spektra koji su imali 55 višestruku pretvornu frekvencije i u kojima se zadnja (obično druga) međufrekvencija nalazila u nižem radiofrekvencijskom području (nekoliko MHz). Ovako niska međufrekvencija omogućavala je implementaciju uskih filtara razlučivosti (obično 10 Hz – 10 kHz) koristeći digitalnu obradu signala. Kako je tehnologija digitalne obrade signala, lokacije analogno- digitalnog pretvornika unutar prijemničkog lanca se u svakoj slijedećoj generaciji analizatora sve više i više „pomicala“ prema naprijed (ka višim frekvencijama). Na trenutnom stanju tehnologije danas (2013) su na raspolaganju sustavi za obradu signala maksimalne frekvencije reda 500 MHz. Ovo je omogućilo implementaciju cjelokupne obrada signala u analizatoru spektra (filtriranje, detekcije, pa čak i prebrisavanja) u cijelom međufrekvencijskom, detektorskom i postdetektorskom lancu (slika 3.1). U ovoj modernoj izvedbi prijemnika (analizatora spektra) se već nakon prvog miješanja nalazi analogni širokopojasni filter (njegova širina može biti čak i nekoliko stotina MHz). Zbog velike širine frekvencijskog pojasa, implementacija ovoga filtera je moguća koristeći standardnu (analognu) tehnologiju. Frekvencija lokalnog oscilatora je odabrana tako se frekvencija najviše komponente transponiranog signala (komponente koja se nalazi na gornjem „rubu“ pojasnog propusta) još uvijek nalazi unutar pojasa u kojem je moguće koristiti digitalnu obradu signala. Stoga se signal iz ovoga filtera direktno vodi na analogno-digitalni pretvornik i daljnja obrada se odvija u „digitalnoj domeni“. Jedan od mogućih načina obrade oponaša klasično analogno procesiranje. Podrazumijeva se da je širina RF spektra koji se mjeri višestruko veća od širine analognog međufrekvencijskog filtera. Kod ovog pristupa se koriste digitalni filteri razlučivosti koji se mogu (programski) postaviti na bilo koju frekvenciju unutar frekvencijskog pojasa analognog međufrekvencijskog filtera. Tako izvedeni filteri razlučivosti mogu imati vrlo usku širinu pojasa (čak do 1 Hz) i time značajno poboljšati odnos/signal šum (koji je originalno ograničen velikom širinom pojasa analognog međufrekvencijskog filtera).
56
Nadalje, posebnim algoritmima moguće je konstruirati digitalne filtere s malim vremenom kašnjenja, čije je vrijeme utitravanja približno jedna stotinka vremena utitravanja odgovarajućeg analognog filtera. Nakon filtera razlučivosti, sama detekcija signala i postdetektorski filter su također (programski) implementirani koristeći digitalnu obradu signala. Ovo omogućava izuzetno veliku fleksibilnost jer je moguće implementirati bilo koje vrstu detektora (uključujući standardni vršni, RMS i kvazi-vršni detektor). Naravno, u digitalnoj obradi je vrlo jednostavno implementirati i složene vrste usrednjavanja i estimacije postdetektorskog signala. Posebno je zanimljiv način rada u CW „zero-span“ modu. Tada se cijeli „osnovni pojas“ (čija je širina pojasa jednaka širini pojasa analognog MF filtera) može obrađivati praktički u realnom vremenu. Tako je osim detektora koji oponašaju standardne komunikacijske sustave (pa analizator spektra postaje „komunikacijski“ mjerni prijemnik), na primjer moguće implementirati obradu radarskih signala koji se svodi na mjerenje paketa signala („burst“). Direktno mjerenje paketa signala je nepraktično jer analizator osim „RF nosioca“ mjeri i ovojnicu ON-OFF modulacije. Strmi brisovi impulsa stvaraju dodatne frekvencijske komponente koje produljuju vrijeme utitravanja postdetektorskog filtera. Stoga se primjenom digitalne obrade uvodi mjerenje unutra nekog vremenskog okvira („time-
57 gating“). Ideja je da se „veza“ između detektora i postdetektorskog filtera prekine izvan vremena trajanja paketa („time-gating“) čime problemi utitravanja više nisu prisutni. Iz svega navedenog je vidljivo da uporaba digitalne obrade signala značajno obogaćuje mogućnosti mjerenja. Pojednostavljeno govoreći, moguća je implementirati bilo koju vrstu dodatne detekcije/obrade koja ne zahtijeva poznavanje faze međufrekvencijskog signala. Na kraju, važno je primijetiti da je usprkos malom ekvivalentnom vremenu utitravanja digitalnih filtera, maksimalna brzina prebrisavanja i dalje ograničena kvocijentom širine RF pojasa (B RF ) i
kvadrata frekvencijske širine filtera razlučivosti (RBW 2 ). 4.2 Kombinacija analognog prebrisavanja i brze Fourierove transformacije
U poglavlju 2 je pokazana ideja analizatora spektra s brzom Fourierovom transformacijom (FFT) i istaknuto je da ona omogućava rekonstrukciju i amplitude i faze originalnog signala iz vremenske domene. Nažalost, kako je naglašeno, zbog tehnoloških ograničenja ovakav pristup je do sada bio moguć samo na audio frekvencijama. Međutim, napretkom digitalne obrade signala, ovaj pristup može zamijeniti klasično prebrisavanje ako je širina mjerenog RF opsega jednaka širini pojasa analognog MF filtera (slika 3.1). Zamislimo da lokalni oscilator radi samo na jednoj frekvenciji što uzrokuje transponiranja RF pojasa (čija je frekvencijska širina jednaka širini pojasa analognog međufrekvencijskog filtera). Sada je moguće načiniti FFT nad cijelom „osnovnim pojasom“ i izračunati spektar kao da je cijeli pojas zaista klasično (analogno) prebrisan (iako je lokalni oscilator namješten na jednu frekvenciju). Vrijeme ovoga „FFT prebrisavanja“ više nije proporcionalno s (BRF/RBW 2 ) već se mogu postići i veće brzine. Ovaj je pristup moguće u principu koristiti i za veće širine RF pojasa ako su one višekratnik širine pojasa analognog filtera. Na taj se način spektar (analogno) prebrisava s velikim korakom (širinom pojasa analognog međufrekvencijskog filtera). Naravno, kod velikih širina RF pojasa, ukupno vrijeme potrebno za FFT postaje dulje od vremena potrebnog za klasično prebrisavanje. Stoga moderni analizatori (slika 3.1) kombiniraju oba pristupa. Za velike širine RF pojasa koristi se klasično prebrisavanje (ali uz digitalne filtere razlučivosti i digitalne detektore). Nasuprot tome, za manje širine RF pojasa (reda širine analognog MF filtera) koristi se „FFT prebrisavanje“.
58
Kako FFT daje podatke i o amplitudi i o (relativnoj) fazi unutar pojasa analognog MF filtera, može se vidjeti kako se mijenja amplituda i faza spektra mjerenog signala u (približno) realnom vremenu. Ovaj pristup je proširenje tradicionalne analize spektra i često se naziva analiza signala („signal analysis“). Iz FFT spektra moguće je izračunati i parametre upotrijebljene modulacije. Nadalje iz kompleksnog FFT spektra moguće je odrediti komponentu signala koja je u fazi s nosiocem (takozvani „I“ kanal) i onu čija se faza razlikuje za 90º (takozvani Q kanal). Na taj je način moguće odrediti takozvani konstelacijski dijagram koji je osnovni parametara digitalnih diskretnih modulacijskih postupaka. Današnji analizatori često imaju posebne programske module koji vrše automatsku analizu spektra standardnih komunikacijskih sustava (TDMA, CDMA, OFDM…). Zbog svega iznesenog, naziv analizator spektra se za ovakve moderne uređaje sve češće zamjenjuje nazivom analizator signala („signal analyzer“).
5 Praktični aspekti mjerenja s analizatorom spektra U ovome poglavlju ja dan niz praktičnih postupaka koji su bitni za pravilno rukovanje instrumentom i interpretaciju mjernih rezultata.
Rukovanje analizatorom spektra danas se uglavnom sastoji od zadavanja određenih komandi ugrađenom računalu koje namješta željeni parametar (ove komande „vezane“ se na nekoliko desetaka tipki koje se nalaze na prednjoj ploči i mogu se (ugrubo) podijeliti na komande koje postavljaju parametre prijemnika, i komande za provjeru rada sklopovlja te komunikaciju s vanjskim uređajima. Svaka od ovih komandi (tipki) sadrži još čitav niz dodatnih komandi („potkomandi“). Nakon pritiska određene tipke, potkomande se obično pojavljuju u posebnom izborniku na samom ekranu instrumenta i omogućavaju promjenu dodatnih parametara. Potrebno je napomenuti da se imena komadni mogu razlikovati među različitim proizvođačima. Broj komandi može biti vrlo velik (preko sto) i u nastavku je dan kratki pregled 59 samo najvažnijih i najčešće upotrebljavanih. Za svaki pojedini specijalni slučaj potrebno je proučiti tvorničku dokumentaciju.
Grupa osnovnih komandi za namještanje prijemnika FREQ - Komande za odabir frekvencijskih postavki za prebrisavanje signala. Ovim komandama se može zadati frekvencijski opseg izvora u obliku minimalne (START) i završne frekvencije (STOP). Alternativno, može se specificirati središnja frekvencija (CENTER) i širina opsega prebrisavanja (SPAN). SWEEP MODE - Komande za odabir okidanja prebrisavanja . Može se zadati automatska kontinuirana promjena (CONTINOUS SWEEP) jedno jedino prebrisavanje (SINGLE SWEEP) ili prebrisavanje koje pokreće neki vanjski događaja (SWEEP TRIGER). Nadalje, moguće je namjestiti linearnu promjenu frekvencije (LINEAR SWEEP) ili logaritamska promjena (LOG SWEEP). Također je moguće izabrati mod u kojem prijemnik radi na jedinoj frekvenciji (CW ili ZERO SPAN) DISPLAY – Grupa komandi kojima se zadaje prikaz na ekranu (FORMAT) u linearnom (LIN) ili logaritamskom mjerilu (LIN), vrijednost maksimalnog prikazanog nivoa (REFERENCE LEVEL) i vrijednosti dijela skale (SCALE) u dB ili linearnim jedinicama. U ovoj grupi se nalaze i komande za namještanje ulaznog atenuatora (ATN). MEM - Komande za spremanje rezultata mjerenja u memoriju pozazi vačai jednostavne matematičke operacije nad mjernim podacima (TRACE MATH) (zbrajanje, oduzimanje i normalizacija mjernih podataka). MKR - Komande za odabir markera koji na mjerenoj krivulji pokazuju podatak za pojedinu frekvenciju (ili vremenski trenutak ako se radi o mjerenju u frekvencijskoj domeni). Moguće je odabrati nekoliko različitih funkcija s markerima (MKR FCN) kao postavljenje relativnih markera (marker koji pokazuje vrijednost u odnosu na vrijednost nekog drugog markera, automatsko pronalaženje 3 dB točaka kod mjerenja koeficijenta prijenosa i.t.d.
60 BANDWIDTH - Komande za promjenu širine filtera razlučivosti (RBW)i postdetektorskog filtera (VBW), AVG – grupa komandi za usrednjavanje mjerenog rezultata kao i komandi za odabir odgovarajućeg načina detekcije (PEAK, RMS, QPEAK). DATA – grupa tipki za unos numeričkih vrijednosti pojedinih parametara
Grupa osnovnih komandi za kontrolu ispravnosti sklopovlja analizatora i komunikaciju sa vanjskim uređajima
SERV (DIAG) – U ovoj grupi nalaze se komande koje omogućavaju kontrolu ispravnosti sklopovlja analizatora U jednoj od tih grupa obično se nalaze komande koje pokreću dijagnostičke programe koji automatski prijavljuju nepravilnost (na primjer promjenu frekvencije izvan specificiranih vrijednosti) ili kvar (na primjer nestanak nekoga signala). U drugoj grupi nalaze se komande pomoću kojih se zaslon ponaša kao „virtualni“ osciloskop ili voltmetar pomoću kojeg se mogu promatrati signali na pojedinim mjernim točkama u samom instrumentu. Ova grupa komandi obično je zaštićena zaporkom i može je koristiti samo ovlašteni servis. PRESET – komanda kojem se poništavaju sve komande i analizator spektra postavlja u tvorničke postavke SYSTEM –Grupa komandi za komunikaciju s vanjskim uređajima. Dans praktički svi analizatori spektra podržavaju IEEE-448 komunikacijsku instrumentalnu sabirnicu dok novije izvedbe često imaju USB TM , FireWire TM pa
čak i LAN sučelja. Na taj način se analizator može spojiti u lokalnu računalnu mrežu ili (preko Interneta) na neko proizvoljno udaljeno računalo.
Za većinu analizatora spektra proizvođač proizvođača preporuča vrijeme „zagrijavanja“ (obično trideset minuta) kako bi lokalni oscilator postigao radnu temperaturu potrebnu za željenu stabilnost. Dapače, referentni oscilator se u analizatorima visoke klase točnosti nikada 61 isključuje (tipka za uključenje analizatora ima samo položaj uključeno i priprema („on/standby“). Nadalje, moderni analizator ima ugrađene programe koji prilikom uključenja rade početno automatsko samopodešavanje instrumenta (postavljanje početnih postavki). Pokretanje Ovakve početne postavke odgovaraju najčešćoj vrsti mjerenja i redovito su takve da mogućnost oštećenja svode na minimum (uključen ulazni atenuator). Na nekim modelima je ovaj „program“ moguće promijenit tako da se analizator „budi“ s nekim drugim postavkama. Iako je ovo vrlo praktično ako se dulje vrijeme (danima) ponavljaj ista vrsta mjerenje, svakako je potrebno biti vrlo oprezan pogotovo ako se radilo o mjerenjima vrlo malih signala. Da bi se postigla što veća osjetljivost, kod ovakvih mjerenja se redovito isključuje ulazni atenuator. No ako ovakva postavka postane dio standardnog „buđenja“ instrumenta, moguće je da mjerenje nekog jačeg signal dovede do trajnih oštećenja. Ovo je vrlo važan detalj jer se gotovo sva oštećenja koja se događaju u praksi odnose na „pregaranje“ ulaznog miješala koje nije bilo dovoljno zaštićeno. Stoga je prije svakog mjerenja prvo potrebno procijeniti kolika je maksimalna moguća razina signala na ulazu instrumenta i provjeriti da li je ona manja od dopuštenih vrijednosti. Nadalje, za ispravno mjerenje je najvažniji međusobni odnos odabranog vremena prebrisavanja, frekvencijske širine filtera razlučivosti (RBW) i postdetektorskog filtera (VBW). Ovo odabir je uvijek kompromis između željene osjetljivosti i brzine mjerenja. Iako svaki analizator automatski postavlja ovaj omjer da se izbjegnu pogrešna očitavanje uzrokovana neutitranim filterom (poglavlje 1.4.3) ovakvo je prebrisavanje često predugo. Stoga mnogi korisnici namjerno isključuju ovu „automatiku“ da bi postigli brže mjerenje. Naravno, pri tome treba voditi računa da niti mjerenje amplitude niti mjerenje frekvencije nije više točno i treba procijeniti da li je unesena pogreška prihvatljiva za pojedino mjerenje (graf na slici 2.16). Ako je poznata približna frekvencija signala koji se mjeri dobra strategija je da se (uz uključenu automatiku) prvo postavi centralna frekvenciju analizatora (CENTER) a onda promjenom RF širine pojas (SPAN) postaviti najmanju vrijednost koja omogućava analizu svih željenih komponenti signala. Nakon ovog je moguće smanjivati širine pojasa filtera razlučivosti i postdetektorskog filtera kako bi se postigla što veća osjetljivost. Ako frekvencija signal koji se mjeri nije niti približno poznata (ovo je, na primjer, ponekada slučaj kod mjerenja interferencije ili kontrole komunikacijskog spektra) onda je bolje prvo namjestiti što šire područje prebrisavanja nauštrb osjetljivosti. Naravno da će pri ovome mjerenju komponenti koje su bliske pragu šuma biti vrlo teško i neprecizno. Međutim, kada se identificira komponenta koju je potrebno analizirati potrebno je centralnu frekvenciju postaviti 62 u njenu blizinu, smanjiti opseg prebrisavanja i onda ponovno podesiti filter. Na ta način se dio spektra koji je važan može mjeriti s velikom osjetljivosti.
Download 0.57 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|