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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Come rendere costoso un analizzatore di spettro economico. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Tecnologia di misurazione Se si rende necessario valutare la larghezza di banda del segnale emesso, l'instabilità della frequenza operativa, la soppressione delle emissioni fuori banda e spurie, la distorsione del segnale in banda base del trasmettitore radio, cosa facciamo? Esatto, prendi il tuo analizzatore di spettro (AC) HP 8560 serie E e misura tutto ciò di cui hai bisogno! Ma lascia che te lo dica, non ho HP, ho l'analizzatore più ordinario della produzione più domestica del mondo! In questo caso, sarete d'accordo con me che la sensibilità di un analizzatore di spettro non è mai troppo alta! La sensibilità, francamente, non basta sempre, perché. gestire segnali molto piccoli. La seconda cosa con cui sarai sicuramente d'accordo è che c'è sempre poca gamma dinamica, vuoi sempre di più! È necessaria un'ampia gamma dinamica quando si osserva lo spettro di un segnale in presenza di un'interferenza molto forte o di altri segnali. Molto spesso, un tale problema sorge quando si valuta il livello della seconda o terza armonica del segnale del trasmettitore. Studiando gli opuscoli di eminenti produttori di apparecchiature di misurazione, a volte diventa un peccato per il proprio analizzatore. Quindi, per avere qualcosa a cui rispondere agli "imperialisti", condivideremo con te alcuni suggerimenti e consigli su come ottenere la sensibilità e la gamma dinamica necessarie per risolvere problemi che solo costosi dispositivi importati possono fare. Gamma dinamica La gamma dinamica di qualsiasi dispositivo ricevente attivo è stimata da alcuni parametri predeterminati che caratterizzano le varie distorsioni che si verificano in questo dispositivo quando un segnale RF lo attraversa. In altre parole, questa è la differenza tra i valori massimo e minimo dei livelli di segnale a cui non si osserva ancora alcuna distorsione. La ragione di queste distorsioni è la non linearità del percorso di amplificazione del dispositivo in questione. Esistono diversi tipi di non linearità, quindi per stimare la gamma dinamica vengono utilizzate caratteristiche diverse. Le caratteristiche più importanti sono la gamma dinamica lineare e la gamma dinamica IMD di 3° ordine al punto IP3 (Fig. 1). Quando si considerano entrambi, non si può fare a meno dell'uso di tale concetto come caratteristica di ampiezza, in base alla quale si può giudicare il grado di distorsione non lineare.
La caratteristica di ampiezza generalizzata (AC) del dispositivo in esame è presentata su una scala doppia logaritmica in Fig. 1 (curva 1). Il segnale minimo rilevabile è considerato 3 dB al di sopra del rumore intrinseco del dispositivo. Pertanto, l'inizio della sezione lineare della caratteristica dal basso è considerato il punto sull'AX, corrispondente ad un eccesso di rumore proprio in uscita di 3 dB, e il corrispondente ingresso minimo Pin.min e uscita Ruscita min energia. Il limite superiore della sezione lineare dell'AX è il punto in cui la caratteristica effettiva si discosta dall'ideale (lineare) di 1 dB. Questo punto corrisponde all'ingresso P1dBv e uscita R1dBout potenza di saturazione (punto di compressione). La differenza (in decibel) tra la potenza di saturazione in ingresso e la potenza minima del segnale in ingresso determina la gamma dinamica lineare. Come è noto, l'effetto di qualsiasi segnale variabile su un elemento non lineare è l'arricchimento del suo spettro: compaiono armoniche e componenti di frequenza combinati. Quando si studia lo spettro dei segnali, molti problemi sono causati dalla combinazione di frequenze di ordini dispari che cadono direttamente nella banda del segnale in studio. Le componenti combinatorie più pericolose del terzo ordine, ovvero le componenti alle frequenze 2f1-f2 e 2f2-f1, dove f1 e f2 sono le due componenti spettrali più significative del segnale di ingresso (ad esempio, portante e laterale, prima e seconda armonica , segnale e forte interferenza e così via). Consideriamo l'effetto dannoso delle componenti combinatorie del terzo ordine su un tipico, in relazione al problema in esame, ad esempio - misurare il livello delle oscillazioni laterali del trasmettitore. Sulla fig. 2 mostra le distorsioni combinate dello spettro del segnale all'uscita del trasmettitore.
Nel caso in cui il rapporto tra il livello della seconda e delle armoniche superiori rispetto alla prima sia sufficientemente piccolo, c'è il pericolo di andare oltre il limite della sezione lineare dell'ampiezza caratteristica del percorso di amplificazione dell'analizzatore, poiché cercando di vedere segnali deboli di armoniche più alte, aumentiamo eccessivamente (in relazione a una prima armonica forte) il guadagno del dispositivo. Quindi, come risultato dell'influenza di un segnale poliarmonico (contenente due o più componenti spettrali) sul percorso non lineare, sorgono componenti spettrali combinatori, due delle quali (nel caso più semplice, tenendo conto solo delle componenti combinatorie del primo e seconde armoniche, e tralasciando il resto) alle frequenze 2f1-f2 e 2f2-f1 cadono direttamente nella banda operativa del segnale in studio. Va notato qui che le componenti di combinazione del terzo ordine non sorgono con nessun tipo di non linearità (non sorgono con non linearità quadratica). Sulla fig. 2, queste frequenze di combinazione sono evidenziate in grassetto. Si può notare che la componente 2f2-f1 cade sulla frequenza della terza armonica e ne distorce il vero valore. Di conseguenza, l'osservatore trae conclusioni errate sullo spettro del segnale! È conveniente determinare il valore della gamma dinamica da distorsioni combinatorie del terzo ordine utilizzando la curva 2 in Fig. 1, che mostra la dipendenza del livello di dati delle componenti combinatorie dal livello del segnale di ingresso. Le estensioni delle parti lineari del passo del terzo ordine e delle caratteristiche di frequenza combinate si intersecano in un punto chiamato punto di potenza caratteristico (o punto di compressione) della distorsione del terzo ordine IP3. Corrisponde all'input (PIP3in) e uscita (Puscita IP3.) poteri di distorsione caratteristici del terzo ordine. La gamma dinamica per distorsioni combinate del terzo ordine (per punto IP3) è definita come la differenza tra la potenza in ingresso corrispondente all'assenza di distorsione e la potenza del segnale in ingresso minimo. Più alto è il punto IP3, maggiore è rispettivamente la gamma dinamica. Ne consegue che la gamma dinamica può essere determinata secondo criteri diversi. In pratica, questo è esattamente ciò che viene fatto e quindi, in base ai risultati, viene preso il valore peggiore come valore della gamma dinamica. Regala sensibilità! Per aumentare la sensibilità degli altoparlanti, ad es. per fornire la possibilità di elaborare segnali di basso livello senza entrare all'interno del dispositivo, è sufficiente mettere un preamplificatore davanti al suo ingresso. Sorgono immediatamente una serie di domande. La prima domanda è quale amplificatore utilizzare, quali dovrebbero essere i suoi parametri principali: guadagno (di seguito denominato semplicemente guadagno), figura di rumore e gamma dinamica. La seconda domanda, non meno importante, è come l'inclusione di un preamplificatore all'ingresso CA influisca sul funzionamento dell'intero circuito. Cercheremo di rispondere a queste domande in modo che tu possa scegliere l'amplificatore giusto per la tua applicazione. Quando si utilizzano i preamplificatori, ricordarsi sempre che il livello massimo del segnale all'ingresso del preamplificatore non deve superare il livello massimo del segnale consentito all'ingresso dell'analizzatore di spettro, meno il guadagno del preamplificatore. Per semplicità di spiegazione utilizzeremo un esempio specifico. Supponiamo che il nostro analizzatore di spettro abbia una figura di rumore di -30dB e che il punto di distorsione combinatoria del terzo ordine IP3 sia +10dBm. Scopriamo come diversi tipi di preamplificatori influiscono sulle caratteristiche del circuito di misura. La figura 3 mostra lo schema di collegamento del preamplificatore all'analizzatore.
Diciamo che il guadagno del preamplificatore è 20dB, la cifra di rumore è 6dB e il punto IP3 è +15dBm. È necessario determinare la figura di rumore e la gamma dinamica del circuito mostrato in Fig.3. Per calcolare la figura di rumore del circuito in Fig. 3, utilizziamo la formula per i dispositivi in cascata: Ø = Ø1+(Ø2-1)/К1 +(ØЗ-1)/К1К2, (1) dove:
La cifra di rumore (in tempi) è correlata alla cifra di rumore in decibel come segue: N = 10log(f) Figura di rumore (in tempi) per il circuito di Fig. 3, calcolata con la formula (1). è uguale a 13,99. anzi: Ø = 4+ 1000 -1/100 = 13,99 Esprimiamo questo fattore di rumore in decibel: 10log(13.99) = 11,5 dB. Pertanto, il collegamento di un preamplificatore ci ha permesso di ridurre la figura di rumore dell'analizzatore di spettro di 18,5 dB, che, in effetti, era quello che stavamo cercando di ottenere. Ora vediamo come il preamplificatore influenzerà il punto IP3. La tabella 1 mostra la relazione tra il punto IP3 del preamplificatore e la riduzione del valore del punto IP3 per il circuito di Fig. 3. I dati della tabella 1 corrispondono al caso peggiore, quando il livello dei componenti combinatori dell'analizzatore stesso è massimo. La colonna di sinistra della tabella indica l'eccesso del punto IP3 del preamplificatore rispetto al punto IP3 dell'analizzatore.
Tabella 1
Nel nostro esempio: Preamplificatore IP3 - +15dBm e Analizzatore di spettro IP3 -+10dBm, la differenza è di 5dB. I valori più vicini della differenza nella tabella. 1-6dB e 3dB. La riduzione IP3 è rispettivamente di 3,5dB e 4,6dB. Nel nostro caso, il calo di IP3 calcolato per interpolazione lineare tra questi valori è di 3,9 dB. Cioè, il punto IP3 del circuito in Fig. 3 corrisponderà a +6,1 dBm. Ciò significa che all'ingresso del preamplificatore, il punto IP3 sarà inferiore di 20 dB, che corrisponde a -13,9 dBm. Quindi, aggiungendo un preamplificatore, abbiamo migliorato la capacità dell'analizzatore di spettro di elaborare segnali di basso livello e degradato le sue prestazioni nella regione dei grandi segnali. Ciò non sorprende, poiché con il collegamento del preamplificatore è stato aggiunto al circuito di misura un altro dispositivo non lineare con una gamma dinamica tutt'altro che infinita. La tabella 1 mostra che maggiore è l'eccesso dell'IP3 del preamplificatore rispetto all'IP3 dell'analizzatore, minore è la caduta dell'IP3 dell'intero circuito. Ad esempio, per un valore di differenza di 20 dB, il calo di IP3 è solo di 0,8 dB. Pertanto, è preferibile utilizzare un preamplificatore con una gamma dinamica molto più ampia della gamma dinamica dell'analizzatore di spettro, poiché consente di evitare quasi completamente di ridurre la gamma dinamica dell'intero circuito di misura. In alcuni casi, per ottenere un buon guadagno, diventa necessario collegare più preamplificatori in serie. Considera cosa succede quando metti in cascata due preamplificatori prima di un analizzatore di spettro. Analizziamo il circuito mostrato in Fig.4.
Entrambi i preamplificatori hanno le stesse caratteristiche mostrate in Fig. 4. Il guadagno totale dei preamplificatori è di 40dB (10000 volte). La cifra del rumore totale è:
Ora calcoliamo la diminuzione di IP3. Entrambi gli amplificatori hanno lo stesso valore IP3 di +30 dBm. Secondo Tabella. 1, con una differenza di 0 dB, la riduzione di IP3 all'uscita del preamplificatore 2 è di 6 dB. Pertanto, IP3 all'uscita del preamplificatore 2 è uguale a
Questo è 14 dB in più rispetto al valore IP3 dell'analizzatore di spettro. Ancora una volta, guarda il tavolo. 1 e ottenere per interpolazione tra i valori più vicini: -2,4 dB per 10 dB e -1,4 dB per 15 dB, il valore di -1,6 dB. Calcolare il valore IP3 per l'analizzatore
risultati. Pertanto, la sensibilità dell'analizzatore quando si utilizza un preamplificatore migliora e la gamma dinamica generalmente si deteriora e meno la gamma dinamica del preamplificatore supera la gamma dinamica dell'analizzatore stesso, più forte è. I preamplificatori possono essere utilizzati per analizzare i segnali deboli. L'uso di preamplificatori dovrebbe essere evitato quando si analizzano segnali forti, così come quando si analizzano segnali deboli in presenza di forte rumore. Dai una gamma dinamica! Come accennato in precedenza, il pericolo di andare oltre la gamma dinamica è maggiore quando si valuta il livello della seconda o terza armonica del segnale del trasmettitore, ovvero quando la prima armonica è una forte interferenza, che porta alla comparsa di componenti di combinazione con l'armonica in studio. Consideriamo come eliminare questo spiacevole fenomeno e misurare il livello armonico. Questo problema può essere risolto utilizzando un filtro notch all'ingresso dell'analizzatore di spettro, che sopprime la portante mentre la seconda o la terza armonica entra nella banda passante. In realtà, la gamma dinamica dell'analizzatore non viene ampliata, ma viene ridotta la differenza tra i segnali di ingresso osservati. È importante ricordare che il livello massimo del segnale di ingresso specificato per l'analizzatore di spettro non deve essere superato. Il livello di ingresso massimo indicato non deve essere confuso con il punto di compressione 1dB o il punto IP3. Il livello massimo consentito del segnale di ingresso è il livello al quale l'attenuatore di ingresso o il mixer rimane entro limiti operativi accettabili. Il punto IP3 è in genere da 10 a 15 dB superiore al punto di compressione di 1 dB. Si consideri il circuito di Fig.5.
L'attenuatore viene utilizzato per limitare l'uscita del trasmettitore a un livello sicuro per il funzionamento dell'analizzatore. Si supponga che il livello di ingresso massimo dell'analizzatore sia +30 dBm, il punto di compressione di 1 dB sia 0 dBm e la potenza di uscita del trasmettitore sia 100 W (50 dBm). Se l'attenuazione nell'attenuatore installato tra il trasmettitore e l'analizzatore di spettro è di 20 dB, il livello del segnale all'ingresso dell'analizzatore è uguale al massimo consentito. È meglio usare un attenuatore da 30 dB, che ci darà 10 dB di margine. Si supponga che la gamma dinamica dell'analizzatore di spettro sia 70 dB. Ciò significa che possiamo misurare i livelli di due segnali se la differenza tra loro non supera i 70 dB. Inoltre, il livello del segnale più grande dovrebbe essere di alcuni decibel al di sotto del punto di compressione di 1 dB o del punto IP3 dell'analizzatore. Consideriamo un esempio quando dobbiamo misurare i livelli della seconda e delle armoniche superiori del segnale in studio rispetto alla portante. Si supponga che il livello della seconda armonica sia 80 dB al di sotto del livello della portante. La gamma dinamica dell'analizzatore è di 70 dB, pertanto le armoniche del segnale studiato saranno distorte da componenti combinate di ordine dispari. Per aggirare questa difficoltà, installiamo un filtro tra l'attenuatore e l'analizzatore in modo da abbassare il livello della portante e introdurre perdite minime nella seconda armonica. Affinché le nostre misurazioni siano accurate, dobbiamo conoscere le perdite causate dal filtro notch alla frequenza della seconda armonica. Può essere un risonatore o un filtro LC. Quest'ultimo è piuttosto piccolo e conveniente rispetto ai tradizionali filtri risonatori. Di norma, sono sufficienti 20...30 dB di soppressione della portante, quindi realizzare e configurare un filtro LC compatto non è difficile. Innanzitutto, determiniamo le perdite nel filtro, per questo il generatore di segnale e l'analizzatore di spettro sono sintonizzati sulla frequenza portante. Quindi, in base alle letture dell'analizzatore, il filtro viene regolato sulla soppressione massima della portante. Successivamente, il generatore di segnale viene sintonizzato sulla frequenza della seconda armonica e il livello del segnale viene impostato su 0 dBm. In base alle letture dell'analizzatore, determiniamo le perdite nel filtro. Ad esempio, se l'analizzatore è -3 dBm, la perdita del filtro è di 3 dB. Ora determiniamo il valore della seconda armonica. Montiamo l'impianto mostrato in Fig.6.
Mettiamo un filtro notch e lo impostiamo sulla massima soppressione del vettore. Ora, aumentando la sensibilità dell'analizzatore di spettro, aumentando il guadagno dell'amplificatore di ingresso, determiniamo il livello della seconda armonica del segnale. Si supponga che il livello della seconda armonica sia -60 dBm e che la perdita del filtro a questa frequenza sia 3 dB. Pertanto, il vero livello di seconda armonica è -60 dBm - (-3 dBm) = -57 dBm. Poiché il livello della portante è +20 dBm, il livello della seconda armonica è 77 dB al di sotto del livello della portante. L'accuratezza di tali misurazioni dipende da molti fattori, ad esempio dalle perdite nei cavi di collegamento, ecc. A potenze elevate, parte della potenza potrebbe perdere. Pertanto, si consiglia di utilizzare cavi di collegamento ben schermati per le misurazioni e di posizionare il trasmettitore lontano dall'analizzatore. Utilizzando questo approccio, è possibile ottenere risultati di misurazione molto accurati. risultati. L'utilizzo di filtri notch permette di indagare gli spettri di segnali che non rientrano nella gamma dinamica dell'analizzatore di spettro o segnali in presenza di forti interferenze, causando la comparsa di componenti combinate nella banda del segnale in studio. In questo caso, l'accuratezza delle misurazioni, in larga misura, è determinata dai parametri di questi filtri. Autore: G. Melnikov, Mosca; Pubblicazione: radioradar.net
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