Analizator spektra radiofrekvencijskih signala Silvio Hrabar, Mario Rašpica
Predostrožnosti kod mjerenja jakih signala, utjecaj nelinearnosti
Download 0.57 Mb. Pdf ko'rish
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- 5.4 Mjerenje slabih signala i povećanje osjetljivosti
- Slika 4.1 a) Prošireni mjerni sustav analizatora spektra b) Povećanje osjetljivosti c) Skraćivanje vremena mjerenja
|
5.3 Predostrožnosti kod mjerenja jakih signala, utjecaj nelinearnosti
Mjerenju jakih signala je potrebno posveti vrlo veliku pažnju. Jedan je razlog već navedena povećana mogućnost oštećenja analizatora pa je potrebno koristiti sve mjere predostrožnosti (pravilno podesiti ulazni atenuator i prema potrebi koristiti dodatni atenuator ili usmjereni sprežnik). Pri ovome je svakako potrebno uzeti u obzir frekvencijsku karakteristiku dodatnog elementa i izvršiti odgovarajuću korekciju rezultata. Dodatni problem je činjenica da jaki ulazni signal može dovesti ulazni stupanj analizatora u nelinearno područje rada i uzrokovati pojavu neželjenih intermodulacijskih komponenti (koje ne postoje u originalnom ulaznom signalu). Razina ulaznog signala kod kojeg nastaju izobličenja je dakako povezana s točkom 1 dB kompresije i presjecišnom točkom trećeg reda ulaznog miješala. Bitno je primijetiti da ova komponenta može biti i preko 10 dB manja od maksimalne dopuštene ulazne snage. Stoga se može dogoditi da neiskusni korisnik nije svjestan nelinearnog režima rada i nastale intermodulacijske komponente pogrešno predjeli mjerenom signalom. Na sreću, moguće je na vrlo jednostavan način provjeriti da li je neka komponenta prikazana na zaslonu instrumenta zaista pripada mjerenom signalu ili je posljedica nelinearnog režima rada. Jednostavno je potrebno (pomoću atenuatora) smanjiti signal za neku vrijednosti (na primjer za 10 dB) i provjeriti da li će i razina date komponente na zaslonu instrumenta također pasti za isti iznos. Ako se ovo dogodi, tada instrument radi u linearnom režimu. Međutim, ako razina promatrane komponente padne za manji iznos tada se instrument nalazi u nelinearnom režimu rada. Da bi se dobila ispravna informacija o mjerenom spektru, potrebno je smanjiti razinu ulaznog signala. U praksi se ponekad javljaju situacije u kojima je smanjenje ulaznog signala u svrhu postizanja linearnog rada neprimjenjivo. Jedno od najzahtjevnijih mjerenja ova vrste je mjerenje komponente male razine, čija se frekvencija nalazi u blizini vrlo jakog signala (tipičan slučaj kod mjerenja interferencije u komunikacijskim sustavima). Smanjenje razine ulaznog signala može prouzročiti sa komponenta male razine padne u šum. Ovakvo mjerenje je nemoguće
63 provesti bez uporabe dodatnih pojasno-zapornih filtera („notch“ filtera) koji potiskuju komponentu visoke razine.
5.4 Mjerenje slabih signala i povećanje osjetljivosti
Potreba za mjerenjem vrlo slabih radiofrekvencijskih signala javlja se prilikom istraživanja propagacije, interferencije, i elektromagnetske kompatibilnosti. Za ova mjerenja se umjesto mjernog prijemnika vrlo često koristi analizator spektra, zbog svoje širokopojasnosti i mogućnosti prebrisavanja frekvencije. Međutim, minimalne razine mjerenog signala kreću se od oko -150 dBm do oko -110 dBm . Ove razine su vrlo bliske, ili čak i niže od maksimalne osjetljivosti komercijalnih analizatora spektra koja je obično definirana preko srednje izmjerene vrijednosti šuma (3.2) i iznosi oko -119 dBm do -94 dBm. (RBW= 1kHz). Smanjenjem RBW ( na 100 Hz ili 10 Hz), osjetljivost se može poboljšati za još deset do dvadeset dB, ali treba voditi računa da vrijeme prebrisavanja ("sweep") mora biti dovoljno dugo kako bi se rezolucijski filter mogao utitrati. Kako je detaljno objašnjeno u poglavlju 1.4.3, moguća je pojava efektivnog proširenja i pomaka prijenosne karakteristike filtera razlučivosti, što smanjuje osjetljivost i razlučivost, te uzrokuje pogrešku u mjerenju amplitude i frekvencije (2.26, 2.30). Nadalje, pokazano je da izobličenja ne dolazi ako je kvocijentom širine RF pojasa (B RF ) i kvadrata frekvencijske širine filtera razlučivosti (RBW 2 ) mnogo manji od vremena prebrisavanja T s (2.24). Na primjer, zamislimo da mjerimo RF pojas širine 10 MHz. Uz toleranciju pogreške amplitude od 0,2 dB (proizvoljno odabrana vrijednost koja je reda točnosti mjerenja analizatora spektra) i RBW=10 kHz, primjenom (2.24) dobiva se osjetljivost oko -119 dBm do -94 dBm uz vrijeme prebrisavanja od 10 sekundi. Ako se RBW postavi na 10 Hz osjetljivost će iznositi od oko -139 dBm do oko -114 dBm, ali uz vrijeme prebrisavanja od 1000 sekundi, tj. preko 15 minuta, što je vrlo nepraktično. Gornja analiza je pretpostavljala da je širina pojasa filtera razlučivosti (RBW) nekoliko puta veća od širine pojasa postdetektorskog filtera (VBW), kako bi se postiglo kraće manje vrijeme prebrisavanja. Međutim, tada će mali mjereni signal biti maskiran u postdetektorskom šumu. Uobičajena je praksa da se prilikom mjerenja signala bliskih šumu smanjuje širina video pojasa i time vremenski usrednjava šum. Nažalost, povećanjem širine VBW potrebno je linearno povećati i vrijeme prebrisavanja, pa se izračunata vremena iz navedenog primjera povećavaju. Kako je objasnjeno u poglavlju 3.2, za 64 moderne analizatore sa digitalnom obradom signala i korištenjem FFT veza između pojedinih parametara je drugačija, pa u mekim slučajevima potrebno vrijeme prebrisavanja može biti kraće.
Sa iznesenim je povezan problem ograničenog maksimalnog vremena prebrisavanja zbog konačne stabilnosti lokalnog oscilatora. Ovo vrijeme tipično iznosi stotinjak sekundi, pa se time ograničava i maksimalna širina RF kanala (BRF) koja se može izmjeriti u jednom prebrisavanju. Za veće širine, moguće rješenje jee podjela RF kanala na dovoljan broj frekvencijskih "prozora" koje je potrebno posebno izmjeriti. Drugi razlog koji ograničava upotrebu uskoga filtera razlučivosti je stabilnost samoga mjerenog signala. Da bi se na zaslonu mogle uočiti promjene, potrebno je da brzina prebrisavanja (MHz/s) bude mnogo kraća od brzine klizanja mjerenog signala.
analizatoru, te pretpostavlja da je on jednak teoretskoj osjetljivosti izračunatoj prema (3.2). Ovo nije točno, jer je instrument baždaren za mjerenje CW signala sa visokim odnosom signal/šum, pa kod mjerenja signala bliskih šumu (odnos signal/šum manji od 10 dB) nastaje pogreška. Kako je već navedeno i poglavlju 2.4.4, ova pogreška je ovisna o odnosu signal/šum mjerenog signala i tipu upotrjebljenog detektora. Sam odnos signal/šum za mjereni signal je teško odrediti, pa je pogodnije pronaći ovisnost o odnosu (signal+ šum)/šum koji se može direktno očitati na zaslonu analizatora. Tada se iz ovako očitanog odnosa može izračunati prava veličina mjerenog signala. Kod kojeg je očitanog odnosa (signal+ šum)/šum još moguće mjerenje, pitanje je je subjektivne procjene. Ako se za ovaj odnos (uz vertikalnu skalu 1dB/ i malu širinu pojasa VBW filtera) uzme vrijednost 1 dB, pokazuje se [17,22] da je moguće mjeriti signale koji su (ovisno o tipu detektora) 5 do 6 dB niži od očitane srednje vrijednosti šuma, odnosno osjetljivosti definirane prema (3.2).
-124 dBm i -99 dBm uz RBW=1kHz, odnosno između -144 dBm i – 119 dBm uz RBW = 10 Hz (za heterodinski analizator s klasičnim „analognim“ prebrisavanjem). Ove su osjetljivosti koje bi bile moguće prilikom mjerenja vrlo slabih visokostabilnih uskopojasnih signala. Ovakvi signali su u praksi vrlo rijetki, pa će stvarne vrijednosti osjetljivosti za širokopojasne nestabilne signale nužno biti manje.
65 Ako se analizatoru spektra doda pretpojačalo dobiva se mjerni sustav prikazan na slici 4.1. Pomoću poznate Friisove formule za faktor šuma kaskade četveropola, lako se izvodi osjetljivost novoga sustava:
.
1 ( 0 n p A p eo B kT G F F S
(4.1) Ovdje je S eo nova osjetljivost, F A faktor šuma analizatora, F p je faktor šuma pretpojačala a Gp je pojačanje pretpojačala. Simboli k i T o su Boltzmanova konstanta i apsolutna temperatura a B n je efektivna širina pojasa filtera razlučivosti (RBW), definirana prema (3.3).
Poželjno je odabrati pojačalo sa što većim pojačanjem (recimo deset puta većim od faktora šuma analizatora spektra). Tada se drugi član u zagradi izraza (4.1) zanemariti, pa se postiže osjetljivost koja je od razine termičkog suma lošija samo za faktor šuma pretpojačala. Ovo se lijepo vidi na slici 4b. Na slici je prikazana razina termičkog šuma, ukupni faktor šuma sustava
eo (ravnina ulaza pretpojačala), Slika 4.1 a) Prošireni mjerni sustav analizatora spektra b) Povećanje osjetljivosti c) Skraćivanje vremena mjerenja a)
b) c)
66 te osjetljivost na ulazu analizatora spektra S e i faktor šuma analizatora spektra F A (ravnina ulaza analizatora spektra).
Nažalost, širokopojasna pojačala ovakvih svojstava je vrlo teško načiniti zbog problema širokopojasnog prilagođenja na. minimum šuma, te problema konstrukcije stabilnog pojačala s više stupnjeva pojačanja. Tipično kvalitetno komercijalno pretpojačalo (Agilent 87405C) imaju pojačanje 25 dB uz faktor šuma oko 4,5 dB, .u frekvencijskom opsegu 100 MHz do 18 GHz. Upotrebom ovakvoga pretpojačala postiže se osjetljivost između -135 dBm i -110 dBm za RBW = 1 kHz, odnosno između -155 dBm i 130 dBm za RBW=10 Hz.
Vrlo je interesantno primijetiti da upotreba pretpojačala može smanjiti potrebno vrijeme prebrisavanja tj. ubrzati mjerenje. Ovo je prikazano na slici 4.1.c. Pretpostavimo da je potrebno izmjeriti signal P i , koji je veći od neke osjetljivost S e1 postignute uz širinu filtera razlučivosti RBW 1
osjetljivost se smanjuje u omjeru RBW 2 /RBW 1 .Upotrebom pretpojačala osjetljivost se vraća na staru vrijednost, ali je zbog šireg frekvencijskog pojasa filtera razlučivosti moguće upotrijebiti kraće vrijeme prebrisavanja, i to u omjeru (RBW 2 /RBW
1 ). Dakle, d odavanjem niskošumnog pretpojačala analizatoru spektra moguće je ili povećati osjetljivost ili skratiti vrijeme mjerenja.
67 6 Literatura 1. S. Lukes , “Understanding spectrum analyzers’ dynamic-range specifications”, Microwaves & RF”, Vol 36 , p.p. 86 - 94, No 9, September 1997 2. R. J. Matheson, “Automated spectrum analyzis”, Proceedings of the IEEE, Vol 66, p.p. 392 - 402, April 1978 3. B. Bajić, “Dynamics of the heterodyne spectrum analyser with rectangular bandpass filter”, IEEE Transaction on instrumentation and measurement, No 2, Vol IM-30, ,p.p. 157-160, June 1981 4. ---------, "Optimizing spectrum analyser measurement speed", Hewlett –Packard Application Note 1318, USA, 1999 5. ---------, "Spectrum analyser measurements and noise", Hewlett –Packard Application Note 1303, USA, 1998 6. J. Stratton, “Speed is a key parameter for spectrum analysers”, Microwaves & RF”, Vol 38 , p.p. 114 - 118, No 4, April 1999 7. J. Wolf et al, “Correcting misunderstandings on spectrum-analyzer RMS detection”, Microwaves & RF”, Vol 36 , p.p. 101 - 104, No 6, June 1997 8. J. Wolf et al, “Measure adjacent-channel power with a spectrum analyzer”, Microwaves & RF”, Vol 36 , p.p. 55 - 63, No 1, January 1997 9. M. Engelson, “Using a spectrum analyzer's video-filter bandwidth”, Microwaves & RF”, Vol 38 , p.p. 94-95, No 3, March 1999 10. M. Engelson, “Understand resolution for better spectrum analysis”, Microwaves, Vol 13 , p.p. 32 - 36, No 12, December 1974 11. L. Garrett et al , “Using the spectrum analyzer’s zero span setting , Microwaves & RF , Vol 35 , p.p. 98 - 112, No 3, March 1996 12. M. Engelson, “Consider stability for better spectrum analysis”, Microwaves, Vol 17 , p.p. 84 - 91, No 5, May 1978 13. S. Hrabar, “Mikrovalna mjerenja”, bilješke sa predavanja, ETF 1984 14. J. Bartolić, B. Modlic, “Miješanje, miješala, sintezatori frekvencije”, Školska knjiga 1995 15. G. Maral, M. Bousquet, “Satellite Communication Systems”, WILLEY, West Sussex, 1993 16. C. Montgomery, “Technique of microwave measurements”, Mc Graw Hill, London 1945 17. M. Engelson, “Modern Spectrum Analyzer Theory and Applications” ARTECHHOUSE,INC., Dedham 1984 18. --------, HP 8590B/8592B “Intallation, Vreification, and Operation Manual”, Hewlett –Packard, USA, 1989 19. M. Rašpica, “ Mikrovalni analizator spektra“, magistaski rad, Elektrotehnički Fakultet Zagreb, 2000. 20. ---------,“ Spectrum analyzer fundamentals – theory and operation of modern spectrum analyzers“, Rohde Schwartz, Primer, Germany, 2013 21. E. Diaz, “The fundamental of spectrum analysis”, Electronic design, USA, 2012 22. ---------,“ Spectrum analsys – back to basics“, Agilent, United States, 2012 Download 0.57 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|