Рис.1.
Если возникает необходимость оценить полосу излучаемого сигнала, нестабильность рабочей частоты, подавление внеполосных и побочных излучений, искажения модулирующего сигнала радиопередатчика, что мы делаем? Правильно, берем свой анализатор спектра (AC) HP 8560 серии Е и измеряем все, что нужно! Но позвольте, вы скажете, у меня не HP, у меня самый обыкновенный анализатор самого отечественного в мире производства! В таком случае, вы согласитесь со мной в том, что чувствительности анализатора спектра не бывает слишком много! Чувствительности, прямо скажем, всегда не хватает, т.к. приходится иметь дело с очень малыми сигналами. Второе, с чем вы наверняка согласитесь, это то, что динамического диапазона всегда мало, всегда хочется больше! Большой динамический диапазон необходим, когда нужно посмотреть спектр сигнала в присутствии очень сильной помехи или другого сигнала. Чаще всего такая задача возникает при оценке уровня второй или третьей гармоники сигнала передатчика.
Изучая рекламные проспекты именитых компаний-производителей измерительной техники, порой становится обидно за свой родной анализатор. Так вот, чтобы было чем ответить "империалистам", мы поделимся с вами несколькими советами и рекомендациями относительно того, как добиться чувствительности и динамического диапазона, необходимого для решения задач, которые по силам только дорогим импортным приборам.
ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН
Динамический диапазон любого активного приемного устройства оценивают по какому-либо заранее определенному параметру, характеризующему различные искажения, которые возникают в этом устройстве при прохождении через него радиочастотного сигнала. Другими словами - это разность между максимальным и минимальным значениями уровней сигналов, при которых еще не наблюдается искажений. Причиной этих искажений является нелинейность усилительного тракта рассматриваемого устройства. Существуют разные виды нелинейности, поэтому для оценки динамического диапазона используют различные характеристики. Наиболее важными характеристиками являются линейный динамический диапазон и динамический диапазон по интермодуляционным искажениям 3-го порядка по точке IP3 (рис. 1). При рассмотрении того и другого никак не обойтись без использования такого понятия, как амплитудная характеристика, по которой можно судить о степени нелинейных искажений.
Рис.1.
Обобщенная амплитудная характеристика (АХ) рассматриваемого устройства представлена в двойном логарифмическом масштабе на рис.1 (кривая 1). Считается, что минимальный обнаруживаемый сигнал на ЗдБ превышает собственные шумы устройства. Поэтому началом линейного участка характеристики снизу считается точка на АХ, соответствующая превышению на 3 дБ собственного шума на выходе, и соответствующая ей минимальная входная Рвх.мин и выходная Рвых.минмощности.
Верхней границей линейного участка АХ считается точка, в которой реальная характеристика отклоняется от идеальной (линейной) на 1 дБ. Этой точке соответствуют входная Р1дБвх и выходная Р1дБвых мощности насыщения (точка компрессии). Разность (в децибелах) входной мощности насыщения и мощности минимального входного сигнала определяет линейный динамический диапазон.
Как известно, результатом воздействия любого изменяющегося сигнала на нелинейный элемент является обогащение его спектра - появляются гармоники и комбинационные частотные составляющие. При исследованиях спектра сигналов немало неприятностей несут комбинационные частоты нечетных порядков, попадающие непосредственно в полосу исследуемого сигнала. Наибольшую опасность представляют комбинационные составляющие третьего порядка, а именно составляющие на частотах 2f1-f2 и 2f2-f1, где f1 и f2 - две наиболее значимые спектральные составляющие входного сигнала (например, несущая и боковая, первая и вторая гармоника, сигнал и сильная помеха и т.п.). Рассмотрим вредное влияние комбинационных составляющих третьего порядка на характерном, применительно к рассматриваемой задаче, примере - измерении уровня побочных колебаний передатчика. На рис.2 показаны комбинационные искажения спектра сигнала на выходе передатчика.
Рис.2.
В случае, когда отношение уровня второй и высших гармоник к первой достаточно мало, возникает опасность ухода за предел линейного участка амплитудной характеристики усилительного тракта анализатора, т.к. пытаясь увидеть слабые сигналы высших гармоник, мы чрезмерно (применительно к сильной первой гармонике) увеличиваем усиление прибора. Тогда, в результате воздействия на нелинейный тракт полигармонического (содержащего две и более спектральные составляющие) сигнала, возникают комбинационные спектральные составляющие, две из которых (в наипростейшем случае, учитывая только комбинационные составляющие от первой и второй гармоник, и пренебрегая остальными) на частотах 2f1-f2 и 2f2-f1 попадают непосредственно в рабочую полосу исследуемого сигнала. Здесь следует отметить, что не при всякого рода нелинейности возникают комбинационные составляющие третьего порядка (при квадратичной нелинейности их не возникает). На рис. 2 эти комбинационные частоты выделены жирным. Видно, что составляющая 2f2-f1 попадает на частоту третьей гармоники и искажает истинное ее значение. В результате наблюдатель делает ошибочные выводы о спектре сигнала!
Величину динамического диапазона по комбинационным искажениям третьего порядка удобно определять при помощи кривой 2 на рис. 1, которая отображает зависимость уровня данных комбинационных составляющих от уровня входного сигнала. Продолжения линейных частей характеристики основного тона и комбинационной частоты третьего порядка пересекаются в точке, которая называется характеристической точкой мощности (или точкой компрессии) искажений третьего порядка IP3. Ей соответствуют входная (РIР3вх) и выходная (РIР3вых.) характеристические мощности искажений третьего порядка.
Динамический диапазон по комбинационным искажениям третьего порядка (по точке IP3) определяется как разность входной мощности, соответствующей отсутствию искажений, и мощности минимального входного сигнала. Чем выше точка IP3, тем, соответственно, выше и динамический диапазон.
Из вышесказанного следует, что динамический диапазон можно определять по разным критериям. На практике именно так и делается, а затем, по результатам в качестве величины динамического диапазона, принимается худшее значение.
Даешь чувствительность! Для того, чтобы увеличить чувствительность АС, т.е. обеспечить возможность обрабатывать сигналы малого уровня, не залезая внутрь прибора, достаточно перед его входом поставить предусилитель. Сразу возникает ряд вопросов. Первый вопрос - какой усилитель использовать, каковы должны быть его основные параметры: коэффициент усиления (далее - просто усиление), коэффициент шума и динамический диапазон. Второй, не менее важный вопрос - каким образом включение на вход АС предусилителя сказывается на работе всей схемы. Мы постараемся ответить на эти вопросы так, чтобы вы сами могли выбрать усилитель, подходящий для решения вашей задачи.
При использовании предусилителей всегда нужно помнить о том, что уровень максимального сигнала на входе предусилителя не должен превышать уровень максимально допустимого сигнала на входе анализатора спектра, минус коэффициент усиления предусилителя.
Для простоты объяснения мы воспользуемся конкретным примером. Предположим, наш анализатор спектра имеет коэффициент шума -30 дБ, а точка комбинационных искажений третьего порядка IP3 составляет +10 дБм. Выясним, как влияют различные типы предусилителей на характеристики схемы измерения. На рис.3 показана схема подключения предусилителя к анализатору.
Рис.3.
Допустим, коэффициент усиления предусилителя равен 20 дБ, коэффициент шума - 6 дБ, а точка IP3 составляет +15 дБм. Необходимо определить коэффициент шума и динамический диапазон схемы, показанной на рис.3. Для вычисления коэффициента шума схемы на рис.3 используем формулу для каскадного соединения устройств:
Ш = Ш1+(Ш2-1)/К1 +(ШЗ-1)/К1К2, (1)
где:Коэффициент шума (в разах) связан с коэффициентом шума в децибелах следующим образом:
N = 10log(f)
Коэффициент шума (в разах) для схемы на рис.3, рассчитанный по формуле (1). равен 13,99.
Действительно:
Ш = 4+ 1000 -1/100 = 13,99Выразим этот коэффициент шума в децибелах: 10lоg(13.99) = 11,5 дБ.
Таким образом, подключение предусилителя позволило снизить коэффициент шума анализатора спектра на 18,5 дБ, чего мы, собственно, и добивались.
Теперь посмотрим, как повлияет предусилитель на точку IP3. В табл.1 показана связь между точкой IP3 предусилителя и снижением значения точки IР3 для схемы на рис.3. Данные в табл.1 соответствуют худшему случаю, когда уровень комбинационных составляющих собственно анализатора максимален. В левом столбце таблицы указано превышение точки IP3 предусилителя над точкой IP3 анализатора.
| Разность между значением IP3 предусилителя и АС, дБ | Проигрыш в IP3 всей схемы, дБ |
|---|---|
| 0 | -6 |
| 3 | -4.6 |
| 6 | -3.5 |
| 10 | -2.4 |
| 15 | -1.4 |
| 20 | -0.8 |
| 25 | -0.5 |
| 30 | -0.3 |
В нашем примере: IP3 предусилителя - +15 дБм, a IP3 анализатора спектра -+10 дБм, разность составляет 5 дБ. Ближайшие значения разности в табл. 1-6 дБ и 3 дБ. Уменьшения значения IP3 сотавляет 3,5 дБ и 4,6 дБ соответственно. В нашем случае падение IP3, вычисленное при помощи линейной интерполяции между этими значениями, составляет 3,9 дБ. То есть, точка IP3 схемы на рис.3 будет соответствовать +6,1 дБм.
Это значит, что по входу предусилителя точка IP3 будет на 20 дБ ниже, что соответствует -13,9 дБм.
Итак, добавив предусилитель, мы улучшили способность анализатора спектра обрабатывать сигналы малого уровня и ухудшили его характеристики в области больших сигналов. Это неудивительно, поскольку с подключением предусилителя в измерительную цепь добавилось еще одно нелинейное устройство с далеко не бесконечным динамическим диапазоном. Из табл.1 видно, что чем больше превышение IP3 предусилителя над IP3 анализатора, тем меньше падает IP3 всей схемы. Например, для значения разности 20 дБ падение IP3 составляет всего 0,8 дБ. Таким образом, применение предусилителя с динамическим диапазоном, гораздо большим, чем динамический диапазон анализатора спектра, наиболее предпочтительно, поскольку позволяет практически полностью избежать уменьшения динамического диапазона всей измерительной схемы.
В ряде случаев, с целью достижения хорошего усиления, возникает необходимость последовательного включения нескольких предусилителей. Рассмотрим, что произойдет при каскадном включении двух предусилителей перед анализатором спектра. Проанализируем схему, представленную на рис.4.
Рис.4.
Оба предусилителя имеют одинаковые характеристики, указанные на рис. 4. Суммарное усиление предусилителей составляет 40 дБ (10000 раз). Суммарный коэффициент шума равен:
Ш = 4 + (4-1)/100 + (1000 - 1)/10000 = 4.13;
В децибелах он составляет 10log(4,13) = 6,17 дБ. Таким образом, коэффициент шума уменьшился на
30 дБ - 6,17 дБ = 23,8 дБ.
Теперь вычислим уменьшение IP3. Оба усилителя имеют одинаковое значение IP3, равное +30 дБм. Согласно табл. 1, при разности в 0 дБ уменьшение IP3 на выходе предусилителя 2 составляет 6 дБ. Таким образом, IP3 на выходе предусилителя 2 равняется
30 дБм + (-6 дБ) = +24 дБм.
Это на 14 дБ больше значения IP3 анализатора спектра. Снова смотрим в табл. 1 и получаем при помощи интерполяции между ближайшими значениями: -2,4 дБ для 10 дБ и -1,4 дБ для 15 дБ величину -1,6 дБ. Рассчитываем значение IP3 для анализатора
+10 дБм + (-1,6 дБ) = +8,4 дБм.
ВЫВОДЫ. Таким образом, чувствительность анализатора при использовании предусилителя улучшается, а динамический диапазон в общем случае ухудшается, причем тем сильнее, чем меньше динамический диапазон предусилителя превышает динамический диапазон самого анализатора. Предусилители можно использовать для анализа слабых сигналов. Следует избегать использования предусилителей при анализе сильных сигналов, а также при анализе слабых сигналов в присутствии сильных помех.
Даешь динамический диапазон! Как уже упоминалось выше, опасность выхода за пределы динамического диапазона наиболее велика при оценке уровня второй или третьей гармоники сигнала передатчика, т.е. когда первая гармоника представляет собой сильную помеху, приводящую к появлению комбинационных составляющих с исследуемой гармоникой. Рассмотрим, каким образом можно устранить это неприятное явление и измерить уровень гармоники.
Эта проблема может быть решена путем использования режекторного фильтра на входе анализатора спектра, который подавляет несущую, в то время как вторая или третья гармоника попадают в полосу пропускания. В действительности, динамический диапазон анализатора не расширяется, а просто уменьшается разница между наблюдаемыми входными сигналами.
Важно помнить, что нельзя превышать указанный максимальный уровень входного сигнала для анализатора спектра. Не следует путать указанный максимальный уровень входного сигнала с точкой компрессии по 1 дБ или точкой IP3. Максимально допустимый уровень входного сигнала - это уровень, при котором параметры входного аттенюатора или смесителя остаются в допустимых эксплуатационных пределах. Точка IP3 обычно превышает на 10...15 дБ точку компрессии по 1 дБ.
Рассмотрим схему на рис.5.
Рис.5.
Аттенюатор используется для ограничения выходного сигнала передатчика до уровня безопасного для работы анализатора. Предположим, что максимальный уровень входного сигнала анализатора составляет +30 дБм и точка компрессии по 1 дБ равна 0 дБм, а выходная мощность передатчика - 100 Вт (50 дБм). Если затухание в аттенюаторе, установленном между передатчиком и анализатором спектра, составляет 20 дБ, то уровень сигнала на входе анализатора равен максимально допустимому. Лучше применить аттенюатор с затуханием 30 дБ, который обеспечит нам 10 дБ запаса.
Предположим, что динамический диапазон анализатора спектра составляет 70 дБ. Это означает, что мы можем измерить уровни двух сигналов, если разница между ними не превышает 70 дБ. Также уровень большего сигнала должен быть на несколько децибел ниже точки компрессии по 1 дБ или точки IP3 анализатора.
Рассмотрим пример, когда нам надо измерить уровни второй и высших гармоник исследуемого сигнала по отношению к несущей. Предположим, что уровень второй гармоники на 80 дБ ниже уровня несущей. Динамический диапазон анализатора 70 дБ, следовательно, гармоники исследуемого сигнала окажутся искажены комбинационными составляющими нечетных порядков.
Чтобы обойти эту трудность, установим между аттенюатором и анализатором такой фильтр, чтобы понизить уровень несущей и внести минимальные потери во вторую гармонику. Для того, чтобы наши измерения были точны, необходимо знать потери, вызываемые режекторным фильтром на частоте второй гармоники. Это может быть резонаторный или LC-фильтр Последний достаточно мал и удобен по сравнению с обычными резонаторными фильтрами. Как правило, достаточно 20...30 дБ подавления несущей, поэтому сделать и настроить компактный LC-фильтр несложно.
Сначала определим потери в фильтре, для этого генератор сигнала и анализатор спектра настраиваются на частоту несущей. Потом по показаниям анализатора фильтр настраивается на максимальное подавление несущей. Далее генератор сигнала перестраивается на частоту второй гармоники и уровень сигнала устанавливается 0 дБм. По показаниям анализатора определяем потери в фильтре. Например, если на анализаторе -3 дБм, то потери в фильтре составляют 3 дБ.
Теперь определяем величину второй гармоники. Соберем установку, показанную на рис.6.
Рис.6.
Точность таких измерений зависит от множества факторов, например, от потерь в соединительных кабелях и др. При больших мощностях возможна утечка части мощности. Поэтому при измерениях советуем пользоваться хорошо экранированными соединительными кабелями и располагать передатчик подальше от анализатора. Используя данный подход, можно добиться очень точных результатов измерений.
ВЫВОДЫ. Применение режекторных фильтров позволяет исследовать спектры сигналов, не укладывающихся в динамический диапазон анализатора спектра или сигналов в присутствии сильных помех, вызывающих появление комбинационных составляющих в полосе исследуемого сигнала. При этом точность измерений, в большой степени, определяется параметрами этих фильтров.
Автор: Г. МЕЛЬНИКОВ, г. Москва