Analizator spektra radiofrekvencijskih signala Silvio Hrabar, Mario Rašpica


  Predostrožnosti kod mjerenja jakih signala,  utjecaj nelinearnosti


Download 0.57 Mb.
Pdf ko'rish
bet7/7
Sana23.09.2017
Hajmi0.57 Mb.
#16293
1   2   3   4   5   6   7

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. 

 

 

U praksi se često za granicu detektibilnog signala uzima srednji prag šuma koji se očitava na 



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). 

 

 

Iz svega navedenoga zaključuje se da su maksimalne teoretske vrijednosti za osjetljivost između 



-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



faktor šuma analizatora, F

p

 je faktor šuma pretpojačala a G



je pojačanje pretpojačala. Simboli k i T

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 

F0 , i minimalna detektibilna razina na ulazu u mjerni sustav S

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



bez  upotrebe  pretpojačala.  Ako  se  širina  filtera  razlučivosti  poveća  na  RBW2  , 



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:
1   2   3   4   5   6   7




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling