|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Як дешевий аналізатор спектру зробити дорогим? Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Вимірювальна техніка Якщо виникає необхідність оцінити смугу сигналу, що випромінюється, нестабільність робочої частоти, придушення позасмугових і побічних випромінювань, спотворення модулюючого сигналу радіопередавача, що ми робимо? Правильно, беремо свій аналізатор спектру (AC) HP 8560 серії Е та вимірюємо все, що потрібно! Але дозвольте, ви скажете, у мене не HP, у мене звичайнісінький аналізатор самого вітчизняного у світі виробництва! У такому разі, ви погодитеся зі мною в тому, що чутливості аналізатора спектра не буває надто багато! Чутливості, прямо скажемо, завжди бракує, т.к. доводиться мати справу з дуже малими сигналами. Друге, з чим ви, напевно, погодитеся, це те, що динамічного діапазону завжди мало, завжди хочеться більше! Великий динамічний діапазон необхідний, коли потрібно переглянути спектр сигналу у присутності дуже сильної перешкоди чи іншого сигналу. Найчастіше таке завдання виникає в оцінці рівня другої чи третьої гармоніки сигналу передавача. Вивчаючи рекламні проспекти іменитих компаній-виробників вимірювальної техніки, часом стає прикро за свій аналізатор. Так ось, щоб було чим відповісти "імперіалістам", ми поділимося з вами кількома порадами та рекомендаціями щодо того, як досягти чутливості та динамічного діапазону, необхідного для вирішення завдань, які під силу тільки дорогим імпортним приладам. динамічний діапазон Динамічний діапазон будь-якого активного приймального пристрою оцінюють за будь-яким заздалегідь визначеним параметром, що характеризує різні спотворення, які виникають у цьому пристрої при проходженні через нього радіочастотного сигналу. Інакше кажучи - це різницю між максимальним і мінімальним значеннями рівнів сигналів, у яких ще немає спотворень. Причиною цих спотворень є нелінійність підсилювального тракту пристрою, що розглядається. Існують різні види нелінійності, для оцінки динамічного діапазону використовують різні характеристики. Найбільш важливими характеристиками є лінійний динамічний діапазон і динамічний діапазон інтермодуляційних спотворень 3-го порядку по точці IP3 (рис. 1). При розгляді того й іншого не обійтися без використання такого поняття, як амплітудна характеристика, за якою можна судити про ступінь нелінійних спотворень.
Узагальнена амплітудна характеристика (АХ) пристрою представлена в подвійному логарифмічному масштабі на рис.1 (крива 1). Вважається, що мінімальний сигнал, що виявляється, на 3 дБ перевищує власні шуми пристрою. Тому початком лінійної ділянки характеристики знизу вважається точка на АХ, що відповідає перевищенню на 3 дБ власного шуму на виході, та відповідна їй мінімальна вхідна Рвх.хв та вихідна Рвих.хв потужності. Верхньою межею лінійної ділянки АХ вважається точка, де реальна характеристика відхиляється від ідеальної (лінійної) на 1 дБ. Цій точці відповідають вхідна Р1дБвх та вихідна Р1дБвих потужності насичення (крапка компресії). Різниця (в децибелах) вхідної потужності насичення та потужності мінімального вхідного сигналу визначає лінійний динамічний діапазон. Як відомо, результатом впливу будь-якого сигналу, що змінюється на нелінійний елемент є збагачення його спектру - з'являються гармоніки і комбінаційні частотні складові. При дослідженнях спектра сигналів чимало неприємностей несуть комбінаційні частоти непарних порядків, які безпосередньо у смугу досліджуваного сигналу. Найбільшу небезпеку становлять комбінаційні складові третього порядку, а саме складові на частотах 2f1-f2 і 2f2-f1, де f1 і f2 - дві найбільш значущі спектральні складові вхідного сигналу (наприклад, несуча та бічна, перша та друга гармоніка, сигнал і сильна перешкода) т.п.). Розглянемо шкідливий вплив комбінаційних складових третього порядку на характерному, стосовно розглянутої задачі, прикладі - вимірюванні рівня побічних коливань передавача. На рис. 2 показані комбінаційні спотворення спектра сигналу на виході передавача.
У разі, коли відношення рівня другої та вищих гармонік до першої досить мало, виникає небезпека догляду за межу лінійної ділянки амплітудної характеристики підсилювального тракту аналізатора, т.к. намагаючись побачити слабкі сигнали вищих гармонік, ми надмірно (стосовно сильної першої гармоніки) збільшуємо посилення приладу. Тоді, внаслідок впливу на нелінійний тракт полігармонічного (що містить дві і більше спектральні складові) сигналу, виникають комбінаційні спектральні складові, дві з яких (у найпростішому випадку, враховуючи тільки комбінаційні складові від першої та другої гармонік, і нехтуючи іншими) на частотах 2f1- f2 та 2f2-f1 потрапляють безпосередньо в робочу смугу досліджуваного сигналу. Тут слід зазначити, що не за всякого роду нелінійності виникають комбінаційні складові третього порядку (при квадратичній нелінійності їх не виникає). На рис. 2 ці комбінаційні частоти виділені жирним. Видно, що складова 2f2-f1 потрапляє на частоту третьої гармоніки та спотворює справжнє її значення. В результаті спостерігач робить помилкові висновки про спектр сигналу! Величину динамічного діапазону комбінаційних спотворень третього порядку зручно визначати за допомогою кривої 2 на рис. 1, яка відображає залежність рівня даних комбінаційних складових рівня вхідного сигналу. Продовження лінійних частин характеристики основного тону і комбінаційної частоти третього порядку перетинаються в точці, яка називається характерною точкою потужності (або точкою компресії) спотворень третього порядку IP3. Їй відповідають вхідні (РIР3вх) та вихідна (РIР3вих.) характеристичні потужності спотворень третього порядку. Динамічний діапазон комбінаційних спотворень третього порядку (по точці IP3) визначається як різницю вхідної потужності, що відповідає відсутності спотворень, і потужності мінімального вхідного сигналу. Чим вище точка IP3, тим, відповідно, вищий і динамічний діапазон. Зі сказаного вище, що динамічний діапазон можна визначати за різними критеріями. Насправді саме так і робиться, а потім, за результатами як величина динамічного діапазону, приймається найгірше значення. Даєш чутливість! А, щоб збільшити чутливість АС, тобто. забезпечити можливість обробляти сигнали малого рівня, не залазячи всередину приладу, достатньо перед входом поставити підсилювач. Відразу виникає низка питань. Перше питання - який підсилювач використовувати, які мають бути його основні параметри: коефіцієнт посилення (далі - просто посилення), коефіцієнт шуму та динамічний діапазон. Друге, щонайменше важливе питання - як включення на вхід АС предусилителя позначається роботі всієї схеми. Ми постараємося відповісти на ці запитання так, щоб ви самі могли вибрати підсилювач, який підходить для вирішення вашого завдання. При використанні передусилювачів завжди потрібно пам'ятати про те, що рівень максимального сигналу на вході підсилювача не повинен перевищувати рівень максимально допустимого сигналу на вході аналізатора спектра мінус коефіцієнт підсилювача підсилювача. Для простоти пояснення ми скористаємось конкретним прикладом. Припустимо, наш аналізатор спектру має коефіцієнт шуму -30 дБм, а точка комбінаційних спотворень третього порядку IP3 становить +10 дБм. З'ясуємо, як впливають різні типи підсилювачів на характеристики схеми виміру. На рис.3 показана схема підключення підсилювача до аналізатора.
Припустимо, коефіцієнт посилення підсилювача дорівнює 20 дБ, коефіцієнт шуму – 6 дБ, а точка IP3 становить +15 дБм. Необхідно визначити коефіцієнт шуму та динамічний діапазон схеми, показаної на рис.3. Для обчислення коефіцієнта шуму схеми на рис.3 використовуємо формулу для каскадного з'єднання пристроїв: Ш = Ш1+(Ш2-1)/К1+(ШЗ-1)/К1К2, (1) де:
Коефіцієнт шуму (у разах) пов'язаний з коефіцієнтом шуму в децибелах наступним чином: N = 10log(f) Коефіцієнт шуму (у разах) для схеми на рис.3, розрахований за формулою (1). дорівнює 13,99. Дійсно: Ш = 4+ 1000 -1/100 = 13,99 Виразимо цей коефіцієнт шуму в децибелах: 10lоg(13.99) = 11,5 дБ. Таким чином, підключення підсилювача дозволило знизити коефіцієнт шуму аналізатора спектра на 18,5 дБ, чого ми, власне, і досягали. Тепер подивимося, як впливатиме підсилювач на точку IP3. У табл.1 показано зв'язок між точкою IP3 підсилювача та зниженням значення точки ІР3 для схеми на рис.3. Дані в табл.1 відповідають найгіршому випадку, коли рівень комбінаційних складових власне аналізатора максимальний. У лівому стовпчику таблиці вказано перевищення точки підсилювача IP3 над точкою IP3 аналізатора.
Таблиця 1
У нашому прикладі: IP3 підсилювача - +15 дБм, IP3 аналізатора спектру -+10 дБм, різниця становить 5 дБ. Найближчі значення різниці у табл. 1-6 дБ та 3 дБ. Зменшення значення IP3 становить 3,5 дБ і 4,6 дБ відповідно. У разі падіння IP3, обчислене з допомогою лінійної інтерполяції між цими значеннями, становить 3,9 дБ. Тобто точка IP3 схеми на рис.3 буде відповідати +6,1 дБм. Це означає, що на вході підсилювача точка IP3 буде на 20 дБ нижче, що відповідає -13,9 дБм. Отже, додавши підсилювач, ми покращили здатність аналізатора спектра обробляти сигнали малого рівня та погіршили його характеристики у сфері великих сигналів. Це не дивно, оскільки з підключенням підсилювача до вимірювального ланцюга додалося ще одне нелінійне пристрій з далеко не нескінченним динамічним діапазоном. З табл.1 видно, що більше перевищення IP3 предусилителя над IP3 аналізатора, тим менше падає IP3 всієї схеми. Наприклад, значення різниці 20 дБ падіння IP3 становить лише 0,8 дБ. Таким чином, застосування підсилювача з динамічним діапазоном, набагато більшим, ніж динамічний діапазон аналізатора спектра, найбільш переважно, оскільки дозволяє практично повністю уникнути зменшення динамічного діапазону всієї вимірювальної схеми. У ряді випадків з метою досягнення гарного посилення виникає необхідність послідовного включення кількох передпідсилювачів. Розглянемо, що станеться за умови каскадному включенні двох підсилювачів перед аналізатором спектра. Проаналізуємо схему, подану на рис.4.
Обидва підсилювачі мають однакові характеристики, вказані на рис. 4. Сумарне посилення підсилювачів становить 40 дБ (10000 XNUMX разів). Сумарний коефіцієнт шуму дорівнює:
Тепер обчислимо зменшення IP3. Обидва підсилювачі мають однакове значення IP3, що дорівнює +30 дБм. Відповідно до табл. 1, при різниці 0 дБ зменшення IP3 на виході підсилювача 2 становить 6 дБ. Таким чином, IP3 на виході підсилювача 2 дорівнює
Це на 14 дБ більше за значення IP3 аналізатора спектру. Знову дивимося у табл. 1 і отримуємо за допомогою інтерполяції між найближчими значеннями: -2,4 дБ для 10 дБ та -1,4 дБ для 15 дБ величину -1,6 дБ. Розраховуємо значення IP3 для аналізатора
Висновки. Таким чином, чутливість аналізатора при використанні підсилювача покращується, а динамічний діапазон у загальному випадку погіршується, причому тим сильніше, чим менше динамічний діапазон підсилювача перевищує динамічний діапазон самого аналізатора. Підсилювачі можна використовувати для аналізу слабких сигналів. Слід уникати використання підсилювачів під час аналізу сильних сигналів, і навіть під час аналізу слабких сигналів у присутності сильних перешкод. Даєш динамічний діапазон! Як згадувалося, небезпека виходу межі динамічного діапазону найбільша в оцінці рівня другої чи третьої гармоніки сигналу передавача, тобто. коли перша гармоніка є сильною перешкодою, що призводить до появи комбінаційних складових з досліджуваною гармонікою. Розглянемо, яким чином можна усунути це неприємне явище та виміряти рівень гармоніки. Ця проблема може бути вирішена шляхом використання режекторного фільтра на вході аналізатора спектра, який пригнічує несучу, тоді як друга або третя гармоніка потрапляють у смугу пропускання. Насправді динамічний діапазон аналізатора не розширюється, а просто зменшується різниця між вхідними сигналами, що спостерігаються. Важливо пам'ятати, що не можна перевищувати вказаний максимальний рівень вхідного сигналу аналізатора спектра. Не слід плутати вказаний максимальний рівень вхідного сигналу з точкою компресії по 1 дБ або IP3. Максимально допустимий рівень вхідного сигналу - це рівень, у якому параметри вхідного атенюатора чи змішувача залишаються у допустимих експлуатаційних межах. Точка IP3 зазвичай перевищує 10...15 дБ точку компресії по 1 дБ. Розглянемо схему на рис.5.
Атенюатор використовується для обмеження вихідного сигналу передавача рівня безпечного для роботи аналізатора. Припустимо, що максимальний рівень вхідного сигналу аналізатора становить +30 дБм та точка компресії по 1 дБ дорівнює 0 дБм, а вихідна потужність передавача – 100 Вт (50 дБм). Якщо згасання в атенюаторі, встановленому між передавачем і аналізатором спектра, становить 20 дБ, рівень сигналу на вході аналізатора дорівнює максимально допустимому. Краще застосувати атенюатор із загасанням 30 дБ, який забезпечить нам 10 дБ запасу. Припустимо, динамічний діапазон аналізатора спектра становить 70 дБ. Це означає, що ми можемо виміряти рівні двох сигналів, якщо різниця між ними не перевищує 70 дБ. Також рівень більшого сигналу повинен бути на кілька децибелів нижче точки компресії по 1 дБ або точки IP3 аналізатора. Розглянемо приклад, коли нам треба виміряти рівні другої та вищих гармонік досліджуваного сигналу стосовно несучої. Припустимо, що рівень другої гармоніки на 80 дБ нижче за рівень несучої. Динамічний діапазон аналізатора 70 дБ, отже, гармоніки досліджуваного сигналу виявляться спотворені комбінаційними складовими непарних порядків. Щоб обійти цю труднощі, встановимо між атенюатором та аналізатором такий фільтр, щоб знизити рівень несучої та внести мінімальні втрати у другу гармоніку. Для того, щоб наші вимірювання були точними, необхідно знати втрати, які викликають режекторний фільтр на частоті другої гармоніки. Це може бути резонаторний або LC-фільтр. Останній досить малий і зручний у порівнянні зі звичайними резонаторними фільтрами. Як правило, досить 20...30 дБ придушення несучої, тому зробити і налаштувати компактний LC-фільтр нескладно. Спочатку визначимо втрати у фільтрі, для цього генератор сигналу та аналізатор спектру налаштовуються на частоту несучої. Потім, за показаннями аналізатора, фільтр налаштовується на максимальне придушення несучої. Далі генератор сигналу перебудовується на частоту другої гармоніки та рівень сигналу встановлюється 0 дБм. За показаннями аналізатора визначаємо втрати у фільтрі. Наприклад, якщо на аналізаторі -3 дБм, то втрати у фільтрі становлять 3 дБ. Тепер визначаємо величину другої гармоніки. Зберемо установку, показану на рис.6.
Поставимо режекторний фільтр і налаштуємо його на максимум придушення несучої. Тепер, збільшуючи чутливість аналізатора спектра шляхом підвищення посилення вхідного підсилювача, визначаємо рівень другої гармоніки сигналу. Припустимо, що рівень другої гармоніки -60 дБм та втрати у фільтрі на цій частоті становлять 3 дБ. Отже, реальний рівень другої гармоніки -60 дБм - (-3 дБм) = -57 дБм. Так як рівень несучої +20 дБм, то рівень другої гармоніки на 77 дБ нижче рівня несучої. Точність таких вимірювань залежить від безлічі факторів, наприклад, від втрат у сполучних кабелях та ін. При великих потужностях можливий витік частини потужності. Тому при вимірюваннях радимо користуватися добре екранованими з'єднувальними кабелями і розташовувати передавач подалі від аналізатора. Використовуючи цей підхід, можна досягти дуже точних результатів вимірювань. Висновки. Застосування режекторних фільтрів дозволяє досліджувати спектри сигналів, що не вкладаються в динамічний діапазон аналізатора спектра або сигналів у присутності сильних перешкод, що викликають появу комбінаційних складових смуги досліджуваного сигналу. У цьому точність вимірів, великою мірою, визначається параметрами цих фільтрів. Автор: Г. Мельников, м. Москва; Публікація: radioradar.net
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Секрети домашніх прогулянок котів ▪ Різні породи дерев по-різному впливають на клімат ▪ Прозорий адаптер для фотокамер
▪ Розділ сайту Типові інструкції з охорони праці (ТОІ). Добірка статей ▪ стаття Пневматичні шини. Історія винаходу та виробництва ▪ стаття Що таке Чумацький Шлях? Детальна відповідь ▪ стаття Ліквідація підприємств за умови порушення охорони праці ▪ стаття Як підвищити селективність приймача. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page