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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Wie man einen billigen Spektrumanalysator teuer macht. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik Wenn es notwendig wird, die Bandbreite des abgestrahlten Signals, die Instabilität der Betriebsfrequenz, die Unterdrückung von Außerband- und Nebenaussendungen, die Verzerrung des Basisbandsignals des Funksenders zu bewerten, was tun wir? Richtig, nehmen Sie Ihren Spektrumanalysator (AC) HP 8560 Serie E und messen Sie alles, was Sie brauchen! Aber lassen Sie mich Ihnen sagen, ich habe kein HP, ich habe den gewöhnlichsten Analysator der inländischsten Produktion der Welt! In diesem Fall werden Sie mir zustimmen, dass die Empfindlichkeit eines Spektrumanalysators nie zu hoch ist! Sensibilität ist ehrlich gesagt immer nicht genug, weil. Umgang mit sehr kleinen Signalen. Die zweite Sache, der Sie sicherlich zustimmen werden, ist, dass es immer wenig Dynamikbereich gibt, Sie wollen immer mehr! Ein großer dynamischer Bereich ist erforderlich, wenn das Spektrum eines Signals in Gegenwart sehr starker Interferenzen oder anderer Signale betrachtet wird. Am häufigsten tritt ein solches Problem auf, wenn der Pegel der zweiten oder dritten Harmonischen des Sendersignals beurteilt wird. Wer die Prospekte namhafter Messgerätehersteller studiert, dem wird das eigene Analysegerät manchmal zu schade. Um den „Imperialisten“ etwas zu antworten, werden wir Ihnen einige Tipps und Empfehlungen geben, wie Sie die Empfindlichkeit und den Dynamikbereich erreichen können, die erforderlich sind, um Probleme zu lösen, die nur mit teuren importierten Geräten möglich sind. Dynamikbereich Der Dynamikbereich jedes aktiven Empfangsgeräts wird durch einen vorbestimmten Parameter geschätzt, der die verschiedenen Verzerrungen charakterisiert, die in diesem Gerät auftreten, wenn ein HF-Signal es durchläuft. Mit anderen Worten, dies ist die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Werten von Signalpegeln, bei denen noch keine Verzerrung beobachtet wird. Der Grund für diese Verzerrungen ist die Nichtlinearität des Verstärkungspfads des betreffenden Geräts. Es gibt verschiedene Arten von Nichtlinearitäten, daher werden unterschiedliche Charakteristiken verwendet, um den dynamischen Bereich abzuschätzen. Die wichtigsten Eigenschaften sind der lineare Dynamikbereich und der IMD-Dynamikbereich 3. Ordnung am IP3-Punkt (Abb. 1). Bei der Betrachtung beider kommt man um die Verwendung eines solchen Begriffs als Amplitudenkennlinie nicht herum, anhand derer man den Grad der nichtlinearen Verzerrung beurteilen kann.
Die verallgemeinerte Amplitudencharakteristik (ACH) des betrachteten Geräts ist in Abb. 1 (Kurve 1) auf einer doppelt logarithmischen Skala dargestellt. Es wird davon ausgegangen, dass das minimal erkennbare Signal 3 dB höher ist als das Eigenrauschen des Geräts. Daher wird der Beginn des linearen Abschnitts der Kennlinie von unten als ein Punkt auf der AX betrachtet, der einem Überschuss von 3 dB des Eigenrauschens am Ausgang und dem entsprechenden minimalen Eingang P entsprichtin.min und Ausgang RAusgang mind Leistung. Die Obergrenze des linearen Abschnitts des AX ist der Punkt, an dem die tatsächliche Kennlinie um 1 dB von der idealen (linearen) abweicht. Dieser Punkt entspricht der Eingabe Р1dBv und Ausgang R1dBout Sättigungsleistung (Kompressionspunkt). Die Differenz (in Dezibel) zwischen der Sättigungseingangsleistung und der minimalen Eingangssignalleistung bestimmt den linearen Dynamikbereich. Wie bekannt ist, ist die Wirkung jedes sich ändernden Signals auf ein nichtlineares Element die Anreicherung seines Spektrums – Harmonische und kombinierte Frequenzkomponenten treten auf. Bei der Untersuchung des Spektrums von Signalen werden viele Probleme durch Kombinationsfrequenzen ungerader Ordnung verursacht, die direkt in das Band des untersuchten Signals fallen. Die gefährlichsten kombinatorischen Komponenten der dritten Ordnung, nämlich die Komponenten bei den Frequenzen 2f1-f2 und 2f2-f1, wobei f1 und f2 die beiden signifikantesten Spektralkomponenten des Eingangssignals sind (z. B. Träger und Seite, erste und zweite Harmonische , Signal und starke Störungen usw.). Betrachten wir die schädliche Wirkung der kombinatorischen Komponenten dritter Ordnung an einem typischen, in Bezug auf das betrachtete Problem, Beispiel - Messung des Pegels der Seitenschwingungen des Senders. Auf Abb. 2 zeigt die kombinatorischen Verzerrungen des Signalspektrums am Ausgang des Senders.
In dem Fall, in dem das Verhältnis des Pegels der zweiten und höheren Harmonischen zur ersten klein genug ist, besteht die Gefahr, dass die Grenze des linearen Abschnitts der Amplitudencharakteristik des Verstärkungspfads des Analysators überschritten wird Wenn wir versuchen, schwache Signale höherer Harmonischer zu sehen, erhöhen wir die Verstärkung des Geräts übermäßig (im Verhältnis zu einer starken ersten Harmonischen). Dann entstehen durch den Einfluss eines polyharmonischen (zwei oder mehr Spektralkomponenten enthaltenden) Signals auf den nichtlinearen Pfad kombinatorische Spektralkomponenten, von denen zwei (im einfachsten Fall unter Berücksichtigung nur der kombinatorischen Komponenten aus dem ersten und zweite Harmonische und Vernachlässigung des Rests) bei den Frequenzen 2f1-f2 und 2f2-f1 fallen direkt in das Betriebsband des untersuchten Signals. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass Kombinationskomponenten dritter Ordnung bei keiner Art von Nichtlinearität auftreten (sie treten nicht bei quadratischer Nichtlinearität auf). Auf Abb. In 2 sind diese Kombinationsfrequenzen fett hervorgehoben. Es ist ersichtlich, dass die Komponente 2f2-f1 auf die Frequenz der dritten Harmonischen fällt und ihren wahren Wert verzerrt. Dadurch macht der Beobachter falsche Rückschlüsse auf das Spektrum des Signals! Es ist zweckmäßig, den Wert des Dynamikbereichs aus kombinatorischen Verzerrungen dritter Ordnung anhand der Kurve 2 in Abb. 1, die die Abhängigkeit des Datenpegels der kombinatorischen Komponenten vom Pegel des Eingangssignals zeigt. Die Verlängerungen der linearen Teile der Tonhöhencharakteristik und der Kombinationsfrequenz dritter Ordnung schneiden sich an einem Punkt, der als charakteristischer Leistungspunkt (oder Kompressionspunkt) der Verzerrung dritter Ordnung IP3 bezeichnet wird. Es entspricht der Eingabe (SIP3ein) und Ausgang (SIP3aus.) charakteristische Verzerrungsleistungen dritter Ordnung. Der Dynamikbereich für kombinatorische Verzerrungen dritter Ordnung (durch Punkt IP3) ist definiert als die Differenz zwischen der der Verzerrungsfreiheit entsprechenden Eingangsleistung und der Leistung des minimalen Eingangssignals. Je höher der IP3-Punkt, desto höher der Dynamikbereich. Aus dem Vorstehenden folgt, dass der Dynamikbereich nach unterschiedlichen Kriterien bestimmt werden kann. In der Praxis wird genau das gemacht und dann entsprechend den Ergebnissen der schlechteste Wert als Wert des Dynamikbereichs genommen. Schenken Sie Sensibilität! Um die Empfindlichkeit der Lautsprecher zu erhöhen, d.h. Um Signale mit niedrigem Pegel verarbeiten zu können, ohne in das Gerät zu gelangen, reicht es aus, einen Vorverstärker vor seinen Eingang zu stellen. Es stellen sich sofort eine Reihe von Fragen. Die erste Frage ist, welcher Verstärker verwendet werden soll, was seine Hauptparameter sein sollten: Verstärkung (im Folgenden einfach als Verstärkung bezeichnet), Rauschzahl und Dynamikbereich. Die zweite, nicht weniger wichtige Frage ist, wie sich die Einbeziehung eines Vorverstärkers am AC-Eingang auf den Betrieb der gesamten Schaltung auswirkt. Wir werden versuchen, diese Fragen zu beantworten, damit Sie den richtigen Verstärker für Ihre Anwendung auswählen können. Denken Sie bei der Verwendung von Vorverstärkern immer daran, dass der maximale Signalpegel am Eingang des Vorverstärkers den maximal zulässigen Signalpegel am Eingang des Spektrumanalysators abzüglich der Verstärkung des Vorverstärkers nicht überschreiten sollte. Zur Vereinfachung der Erläuterung verwenden wir ein spezielles Beispiel. Angenommen, unser Spektrumanalysator hat eine Rauschzahl von –30 dB und der kombinatorische Verzerrungspunkt dritter Ordnung IP3 ist +10 dBm. Lassen Sie uns herausfinden, wie sich verschiedene Arten von Vorverstärkern auf die Eigenschaften der Messschaltung auswirken. Abbildung 3 zeigt das Anschlussschema des Vorverstärkers an den Analysator.
Nehmen wir an, die Verstärkung des Vorverstärkers beträgt 20 dB, die Rauschzahl 6 dB und der IP3-Punkt +15 dBm. Es ist notwendig, die Rauschzahl und den Dynamikbereich der in Abbildung 3 gezeigten Schaltung zu bestimmen. Um die Rauschzahl der Schaltung in Abb. 3 zu berechnen, verwenden wir die Formel für kaskadierte Geräte: Ø = Ø1+(Ø2-1)/К1 +(ØЗ-1)/К1К2, (1) wo:
Die Rauschzahl (in Zeiten) hängt wie folgt mit der Rauschzahl in Dezibel zusammen: N = 10log(f) Rauschzahl (in Zeiten) für die Schaltung in Abb. 3, berechnet nach Formel (1). entspricht 13,99. In der Tat: W = 4+ 1000 -1/100 = 13,99 Lassen Sie uns diesen Rauschwert in Dezibel ausdrücken: 10log(13.99) = 11,5 dB. Durch den Anschluss eines Vorverstärkers konnten wir also die Rauschzahl des Spektrumanalysators um 18,5 dB reduzieren, was tatsächlich das war, was wir erreichen wollten. Sehen wir uns nun an, wie sich der Vorverstärker auf den IP3-Punkt auswirkt. Tabelle 1 zeigt die Beziehung zwischen dem IP3-Punkt des Vorverstärkers und der Reduzierung des IP3-Punktwerts für die Schaltung in Abb. 3. Die Daten in Tabelle 1 entsprechen dem schlimmsten Fall, wenn das Niveau der kombinatorischen Komponenten des Analysators selbst maximal ist. Die linke Spalte der Tabelle zeigt den Überschuss des IP3-Punktes des Vorverstärkers über den IP3-Punkt des Analysators.
Tabelle 1
In unserem Beispiel: Vorverstärker IP3 +15dBm und Spektrumanalysator IP3 -+10dBm, die Differenz beträgt 5dB. Die nächsten Werte der Differenz in der Tabelle. 1-6dB und 3dB. Die IP3-Reduktion beträgt 3,5 dB bzw. 4,6 dB. In unserem Fall beträgt der durch lineare Interpolation zwischen diesen Werten berechnete IP3-Drop 3,9 dB. Das heißt, der IP3-Punkt der Schaltung in Fig. 3 entspricht +6,1 dBm. Das bedeutet, dass am Vorverstärkereingang der IP3-Punkt um 20 dB niedriger liegt, was -13,9 dBm entspricht. Durch Hinzufügen eines Vorverstärkers haben wir also die Fähigkeit des Spektrumanalysators verbessert, Signale mit niedrigem Pegel zu verarbeiten, und seine Leistung im Großsignalbereich verschlechtert. Dies ist nicht verwunderlich, da mit dem Anschluss des Vorverstärkers ein weiteres nichtlineares Gerät mit weit entfernter Dynamik in den Messkreis aufgenommen wurde. Tabelle 1 zeigt, je größer der Überschuss des IP3 des Vorverstärkers über den IP3 des Analysators ist, desto weniger fällt der IP3 der gesamten Schaltung ab. Beispielsweise beträgt bei einem Differenzwert von 20 dB der Abfall von IP3 nur 0,8 dB. Daher ist die Verwendung eines Vorverstärkers mit einem Dynamikbereich, der viel größer als der Dynamikbereich des Spektrumanalysators ist, am meisten vorzuziehen, da er es ermöglicht, eine Reduzierung des Dynamikbereichs der gesamten Messschaltung fast vollständig zu vermeiden. In manchen Fällen ist es zur Erzielung einer guten Verstärkung notwendig, mehrere Vorverstärker in Reihe zu schalten. Überlegen Sie, was passiert, wenn Sie zwei Vorverstärker vor einen Spektrumanalysator kaskadieren. Lassen Sie uns die in Abb. 4 gezeigte Schaltung analysieren.
Beide Vorverstärker haben die gleichen Eigenschaften wie in Abb. 4. Die Gesamtverstärkung der Vorverstärker beträgt 40 dB (10000-mal). Die Gesamtrauschzahl beträgt:
Lassen Sie uns nun die Abnahme von IP3 berechnen. Beide Verstärker haben den gleichen IP3-Wert von +30 dBm. Laut Tabelle. 1 beträgt bei einer Differenz von 0 dB die Reduzierung von IP3 am Ausgang des Vorverstärkers 2 6 dB. Somit ist IP3 am Ausgang des Vorverstärkers 2 gleich
Das sind 14 dB mehr als der IP3-Wert des Spektrumanalysators. Sehen Sie sich noch einmal die Tabelle an. 1 und erhalten durch Interpolation zwischen den nächsten Werten: -2,4 dB für 10 dB und -1,4 dB für 15 dB den Wert von -1,6 dB. Berechnen Sie den IP3-Wert für den Analysator
Befund. Somit verbessert sich die Empfindlichkeit des Analysators bei Verwendung eines Vorverstärkers, und der Dynamikbereich verschlechtert sich im Allgemeinen, und je weniger der Dynamikbereich des Vorverstärkers den Dynamikbereich des Analysators selbst übersteigt, desto stärker ist er. Vorverstärker können verwendet werden, um schwache Signale zu analysieren. Die Verwendung von Vorverstärkern sollte bei der Analyse starker Signale sowie bei der Analyse schwacher Signale in Gegenwart von starkem Rauschen vermieden werden. Gib Dynamikumfang! Wie oben erwähnt, ist die Gefahr, den Dynamikbereich zu überschreiten, am größten, wenn der Pegel der zweiten oder dritten Harmonischen des Sendersignals beurteilt wird, d.h. wenn die erste Harmonische eine starke Interferenz ist, die zum Auftreten von Kombinationskomponenten mit der untersuchten Harmonischen führt. Betrachten wir, wie dieses unangenehme Phänomen eliminiert und der Oberwellenpegel gemessen werden kann. Dieses Problem kann durch die Verwendung eines Kerbfilters am Eingang des Spektrumanalysators gelöst werden, der den Träger unterdrückt, während die zweite oder dritte Harmonische in den Durchlassbereich eintritt. In Wirklichkeit wird der Dynamikbereich des Analysators nicht erweitert, sondern die Differenz zwischen den beobachteten Eingangssignalen verringert. Es ist wichtig zu beachten, dass der angegebene maximale Eingangssignalpegel für den Spektrumanalysator nicht überschritten werden darf. Der angegebene maximale Eingangspegel ist nicht mit dem 1dB-Kompressionspunkt oder dem IP3-Punkt zu verwechseln. Der maximal zulässige Eingangssignalpegel ist der Pegel, bei dem der Eingangsdämpfer oder Mischer innerhalb akzeptabler Betriebsgrenzen bleibt. Der IP3-Punkt liegt typischerweise 10 bis 15 dB höher als der 1-dB-Kompressionspunkt. Betrachten Sie die Schaltung in Abb.5.
Das Dämpfungsglied wird verwendet, um den Ausgang des Senders auf einen Pegel zu begrenzen, der für den Betrieb des Analysators sicher ist. Angenommen, der maximale Eingangspegel des Analysators beträgt +30 dBm, der 1-dB-Kompressionspunkt beträgt 0 dBm und die Ausgangsleistung des Senders beträgt 100 W (50 dBm). Wenn die Dämpfung des zwischen Sender und Spektrumanalysator installierten Dämpfungsglieds 20 dB beträgt, entspricht der Signalpegel am Eingang des Analysators dem maximal zulässigen Wert. Es ist besser, einen 30-dB-Abschwächer zu verwenden, der uns 10 dB Headroom gibt. Angenommen, der Dynamikbereich des Spektrumanalysators beträgt 70 dB. Das bedeutet, dass wir die Pegel zweier Signale messen können, wenn der Unterschied zwischen ihnen 70 dB nicht überschreitet. Außerdem sollte der Pegel des größeren Signals einige Dezibel unter dem 1-dB-Kompressionspunkt oder dem IP3-Punkt des Analysators liegen. Betrachten wir ein Beispiel, wenn wir die Pegel der zweiten und höheren Harmonischen des untersuchten Signals in Bezug auf den Träger messen müssen. Angenommen, der Pegel der zweiten Harmonischen liegt 80 dB unter dem Trägerpegel. Der Dynamikbereich des Analysators beträgt 70 dB, daher werden die Harmonischen des untersuchten Signals durch Kombinationskomponenten ungerader Ordnung verzerrt. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, installieren wir einen Filter zwischen dem Dämpfungsglied und dem Analysator, um den Trägerpegel zu senken und minimale Verluste in die zweite Harmonische einzuführen. Damit unsere Messungen genau sind, müssen wir die Verluste kennen, die durch das Kerbfilter bei der zweiten harmonischen Frequenz verursacht werden. Es kann ein Resonator- oder LC-Filter sein, letzteres ist im Vergleich zu herkömmlichen Resonatorfiltern recht klein und handlich. Da in der Regel 20...30 dB Trägerunterdrückung ausreichen, ist der Bau und Aufbau eines kompakten LC-Filters nicht schwierig. Zunächst ermitteln wir die Verluste im Filter, dazu werden Signalgenerator und Spektrumanalysator auf die Trägerfrequenz abgestimmt. Anschließend wird das Filter gemäß den Messwerten des Analysators auf maximale Trägerunterdrückung eingestellt. Als nächstes wird der Signalgenerator auf die Frequenz der zweiten Harmonischen abgestimmt und der Signalpegel auf 0 dBm eingestellt. Anhand der Messwerte des Analysators ermitteln wir die Verluste im Filter. Wenn der Analysator beispielsweise -3 dBm beträgt, beträgt der Filterverlust 3 dB. Nun bestimmen wir den Wert der zweiten Harmonischen. Lassen Sie uns die in Abb. 6 gezeigte Installation zusammenbauen.
Wir setzen einen Kerbfilter ein und stellen ihn auf maximale Trägerunterdrückung ein. Indem wir nun die Empfindlichkeit des Spektrumanalysators erhöhen, indem wir die Verstärkung des Eingangsverstärkers erhöhen, bestimmen wir den Pegel der zweiten Harmonischen des Signals. Angenommen, der Pegel der zweiten Harmonischen beträgt –60 dBm und der Filterverlust bei dieser Frequenz beträgt 3 dB. Daher beträgt der wahre Pegel der zweiten Harmonischen –60 dBm – (–3 dBm) = –57 dBm. Da der Trägerpegel +20 dBm beträgt, liegt der Pegel der zweiten Harmonischen 77 dB unter dem Trägerpegel. Die Genauigkeit solcher Messungen hängt von vielen Faktoren ab, beispielsweise von Verlusten in Verbindungskabeln usw. Bei hohen Leistungen kann ein Teil der Leistung austreten. Wir empfehlen daher, für Messungen gut geschirmte Anschlusskabel zu verwenden und den Messumformer entfernt vom Analysator zu positionieren. Mit diesem Ansatz können sehr genaue Messergebnisse erzielt werden. Befund. Die Verwendung von Kerbfiltern ermöglicht die Untersuchung von Spektren von Signalen, die nicht in den Dynamikbereich des Spektrumanalysators passen, oder von Signalen in Gegenwart starker Störungen, die das Auftreten von Kombinationskomponenten im Band des untersuchten Signals verursachen. In diesem Fall wird die Genauigkeit der Messungen zu einem großen Teil durch die Parameter dieser Filter bestimmt. Autor: G. Melnikov, Moskau; Veröffentlichung: radioradar.net
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