Основы анализа спектра

 
 

Рисунок 6-2. Динамический диапазон в зависимости от искажений  и шума

 

Иногда производительность третьего порядка дается в терминах TOI (Third Order Intercept, перехват третьего порядка). Это уровень на смесителе, при  котором внутренне генерируемое искажение третьего порядка должно быть равным фундаментальному, или 0 дБн. Эта ситуация невозможна на практике, поскольку при этом смеситель  должен быть глубоко в насыщении. Однако с математической точки зрения TOI есть исключительно удобная точка, поскольку мы знаем наклон линии. Поэтому даже с TOI как стартовой  точкой мы можем определить степень  внутренне генерируемых искажений  на данном уровне входа смесителя. 
 
Мы можем рассчитать TOI из информации, указанной в документации прибора. Поскольку динамический диапазон третьего порядка меняется на 2 дБ на каждый дБ изменения уровня на фундаментальной частоте на смесителе, мы получим TOI, вычитая половину указанного в спецификации динамического диапазона в дБ из уровня на фундаментальной частоте: 
 
TOI = A_fund - d/2 
 
где A_fund - уровень на фундаментальной частоте в дБм, 
d - разность в дБ между уровнем на фундаментальной частоте и уровнем искажения. 
 
Используя величины из выше проведенного обсуждения, получаем: 
 
TOI = -30 дБм - (-85 дБн)/2 = +12.5 дБм. 
 
Проверка аттенюатором 
Понимание графика искажений важно, но мы можем провести несложную проверку для определения того, являются ли отображаемые искаженные компоненты истинными входными сигналами, или внутренне генерируемыми сигналами. Измените входное ослабление. Если отображаемая величина искаженных компонент останется той же, компоненты есть часть входного сигнала. Если отображаемая величина изменилась, искаженные компоненты есть внутренне генерируемые или сумма внешних и внутренне генерируемых сигналов. Продолжаем изменять ослабление до тех пор, пока отображаемое искажение не перестанет изменяться, и затем завершаем измерение. 
 
Шум 
Есть и другое ограничение динамического диапазона, и это - нижняя шумовая граница нашего анализатора. Возвращаясь к нашему определению динамического диапазона как отношения наибольшего и наименьшего измеряемого сигналов, понимаем, что средний шум устанавливает предел наименьшему сигналу. Поэтому динамический диапазон как функция шума становится отношением сигнал/шум, в котором сигнал фундаментальной частоты становится тем объектом, искажение которого мы хотим измерить. 
 
Нанести шум на график динамического диапазона довольно просто. Например, предположим, что в документации на анализатор его отображаемый средний шум задан спецификацией в -110 дБм в полосе разрешения 10 кГц. Если наш сигнал на фундаментальной частоте имеет уровень -40 дБм на смесителе, то это на 70 дБ выше среднего шума, поэтому мы имеем отношение сигнал/шум 70 дБ. На каждый дБ, на который мы снижаем уровень сигнала на смесителе, мы теряем 1 дБ отношения сигнал/шум. Наша шумовая кривая есть прямая линия, имеющая наклон -1, как показано на Рис. 6-2. 
 
Если мы пренебрежем соображениями точности измерения на какое-то время, то наилучший динамический диапазон будет на пересечении надлежащей кривой искажения и кривой шума. Рис. 6-2 показывает нам, что наш максимальный динамический диапазон для искажений второго порядка есть 72.5 дБ; для третьего порядка искажений - 81.7 дБ. На практике пересечение кривых шума и искажения не является четко определенной точкой, потому что шум дает вклад в продукты искажения, снижая динамический диапазон на 2 дБ при использовании логарифмического масштаба с логарифмическим усреднением. 
 
На Рис. 6-2 показан динамический диапазон для одной полосы разрешения. Мы, конечно, можем улучшить динамический диапазон путем сужения полосы разрешения, но здесь нет взаимно однозначного соответствия между сниженным шумовым уровнем и улучшением динамического диапазона. Для искажения второго порядка улучшение есть половина изменения шумового уровня; для искажения третьего порядка улучшение есть две трети изменения шумового уровня. См. Рис. 6-3.

 

Рисунок 6-3. Уменьшение полосы разрешения улучшает динамический диапазон

 

Финальный фактор динамического диапазона - это фазовый шум гетеродина анализатора  спектра, и он влияет только на измерения  искажений третьего порядка. Например, предположим, что мы проводим измерения  двухтоновых искажений третьего порядка на усилителе, и наши тестовые частоты разделены на 10 кГц. Компоненты искажений третьего порядка будут  отделены от тестовых частот также  на 10 кГц. Для этих разрешений мы можем  использовать полосу разрешения в 1 кГц. Глядя на Рис. 6-3, и допуская уменьшение шумовой кривой на 10 дБ, мы обнаружим  максимальный динамический диапазон порядка 88 дБ. Предположим, однако, что на отстройке  в 10 кГц наш фазовый шум всего -80 дБн. Тогда 80 дБ становятся непреодолимым  ограничением динамического диапазона  для нашего измерения, как показано на Рис. 6-4.

 

Рисунок 6-4. Фазовый  шум может ограничить проведение проверки интермодуляции третьего порядка

 

Окончательно, можно сказать, что  динамический диапазон анализатора  спектра ограничен тремя факторами: искажением преобразования, выполняемого входным смесителем; широкополосным шумовым уровнем (чувствительностью) системы и фазовым шумом гетеродина. 
 
Динамический диапазон в зависимости от погрешности измерений 
В наших предыдущих обсуждениях амплитудной точности мы рассматривали только те пункты, которые перечислены в Табл. 4-1, плюс рассогласование. Мы не обсудили возможности того, что внутренне генерируемый продукт искажения (синусоида) может быть на той же частоте, что и внешний сигнал, который мы хотим измерить. Однако внутренне генерируемые компоненты искажений попадают точно на те же частоты, что и искаженные компоненты, которые мы хотим измерить на внешних сигналах. Проблема здесь в том, что нет способа узнать фазовые соотношения между внешними и внутренними сигналами. Поэтому мы только можем определить потенциальный диапазон неопределенности: 
 
Погрешность (в дБ) = 20 log(1±10^d/20), 
 
где d - разность в дБ между наибольшей и наименьшей синусоидами (отрицательное число). 
 
Взглянем на Рис. 6-5. Например, если мы обеспечим условия, когда внутренне генерируемое искажение равно по амплитуде искажению на входящем сигнале, ошибка измерения может быть от +6 дБ (два сигнала точно в фазе) до минус бесконечности (два сигнала точно в противофазе и поэтому взаимно уничтожаются). Подобная неопределенность в большинстве случаев неприемлема. Если мы установим лимит на измерительную неопределенность в ±1 дБ, то Рис. 6-5 показывает нам, что внутренне генерируемый искажающий продукт должен быть примерно на 18 дБ ниже искажающего продукта, который мы хотим измерить. Чтобы построить кривые динамического диапазона для измерений второго и третьего порядка с погрешностью измерения не более чем 1 дБ, мы должны сместить кривые на Рис. 6-2 на 18 дБ, как показано на Рис. 6-6.

 

Рисунок 6-5. Погрешность  в зависимости от разности амплитуд двух синусоид одной частоты

 

Далее рассмотрим погрешность из-за низкого отношения сигнал/шум. Компоненты искажения, которые мы хотим измерить, есть, как мы надеемся, низкоуровневые сигналы, и часто они находятся  на шумовом уровне анализатора или  близки к нему. В подобных случаях  мы обычно используем видео-фильтр, чтобы  сделать эти низкоуровневые сигналы  более различимыми. Рис. 6-7 показывает ошибку отображаемого уровня сигнала  как функцию отношения отображаемый сигнал/шум для типичного анализатора. Заметим, что ошибка имеется только в одном направлении, поэтому  мы можем корректировать ее. Однако обычно мы не делаем этого. Поэтому  для измерения динамического  диапазона, примем, что ошибка за счет шума составляет 0.3 дБ, и сместим  шумовую кривую на 5 дБ, как показано на Рис. 6-6. Там, где кривая искажения  и шумовая кривая пересекаются, максимально  возможная ошибка должна быть менее 1.3 дБ.

 
 

Рисунок 6-6. Динамический диапазон для максимальной погрешности 1.3 дБ

 

Посмотрим, что случится с динамическим диапазоном в результате нашей обеспокоенности  погрешностью измерений. Как показано на Рис. 6-6, динамический диапазон искажения  второго порядка изменяется с 72.5 дБ до 61 дБ, с разницей в 11.5 дБ. Это - половина полного сдвига двух кривых (18 дБ для  искажения, 5 дБ для шума). Искажение  третьего порядка изменяется с 81.7 дБ до примерно 72.7 дБ с разницей примерно в 9 дБ. В этом случае изменение - это  одна треть от 18-дБ сдвига кривой искажения  плюс две трети от 5-дБ сдвига кривой шума.

 
 

Рисунок 6-7. Погрешность  отображаемой амплитуды сигнала  из-за шума

 

Сжатие (компрессия) усиления 
При обсуждении динамического диапазона мы до сих пор не задумывались, насколько точно отображается большая мода, даже на относительной основе. При увеличении уровня входного синусоидального сигнала, уровень сигнала на входе смесителя, в конце концов, становится настолько высоким, что желаемый выходной продукт смешения уже не изменяется линейно по отношению к входному сигналу. Смеситель достигает насыщения и отображаемая амплитуда сигнала становится слишком мала. Насыщение - процесс скорее постепенный, нежели мгновенный. Чтобы помочь нам оставаться за рамками условий насыщения, обычно устанавливается точка сжатия 1 дБ. Обычно подавление усиления начинается при уровне смесителя* в диапазоне от -5 до +5 дБм. Поэтому мы можем определить установку входного аттенюатора для проведения точного измерения сигналов высокого уровня³. Анализаторы спектра с цифровой секцией ПЧ в случае выхода за рамки диапазона АЦП выведут на экран сообщение о перегрузке ПЧ. 
 
На самом деле, существуют три различных метода оценки компрессии. Традиционный метод, называемый CW-сжатием, измеряет изменение усиления прибора (усилителя, или смесителя, или системы), когда мощность входного сигнала увеличивается. Это тот метод, что только что был описан. Отметим, что точка CW-сжатия значительно выше, чем уровни первых мод, указанные выше даже для динамического диапазона средней величины. Поэтому мы были правы, когда не волновались по поводу возможного сжатия больших сигналов. 
 
Второй метод, названный двухтоновой компрессией, измеряет изменение системного усиления для малых сигналов, пока мощность больших сигналов увеличивается. Двухтоновая компрессия применяется при измерении многих CW-сигналов, таких как сигналы боковой полосы и независимые сигналы. Порог компрессии этого метода обычно на несколько дБ ниже, чем таковой в методе CW. Этот метод используется фирмой Agilent Technologies для определения компрессии усиления анализаторов спектра. 
 
Третий метод, называемый импульсной компрессией, измеряет изменение системного усиления узкого (широкополосного) радиочастотного импульса, когда мощность импульса увеличивается. Когда измеряются импульсы, мы часто используем полосу разрешения намного более узкую, чем полоса импульса, поэтому наш анализатор отображает уровень сигнала гораздо ниже пиковой мощности импульса. В результате, мы можем не знать о том, что полная мощность сигнала выше порога компрессии смесителя. Высокий порог улучшает отношение сигнал/шум для высокомощного ультра-узкого импульса или широко «чиркающего» импульса. Порог при этом примерно на 12 дБ выше, чем для двутоновой компрессии в анализаторах Agilent 8560EC. Тем не менее, поскольку различные механизмы влияют на CW, двутоновый и импульсно-компрессионный методы по-разному, любой компрессионный порог может быть ниже, чем какой-то другой. 
 
Дисплейный диапазон и диапазон измерений 
Есть два дополнительных диапазона, которые часто путают с динамическим диапазоном: дисплейный диапазон и измерительный диапазон. Дисплейный диапазон, часто называемый дисплейным динамическим диапазоном, относится к калиброванному амплитудному диапазону дисплея анализатора. Например, дисплей с десятью делениями будет, очевидно, иметь дисплейный диапазон 100 дБ, когда мы выбираем 10 дБ на деление. Это абсолютно верно для современных анализаторов с цифровой секцией ПЧ, например, приборов серии PSA. Это также верно и для серии ESA-E при использовании узких (от 10 до 300 Гц) полос разрешения. Однако, анализаторы спектра с аналоговой секцией ПЧ обычно калибруются лишь на первые 85 или 90 дБ вниз от опорного уровня. В этом случае нижняя линия сетки обозначает сигнал с нулевой амплитудой, поэтому нижняя часть дисплея представляет собой область диапазона от -85 или -90 дБ до минус бесконечности относительно опорного уровня. 
 
Другой ограничивающий фактор, в случае анализаторов с аналоговой частью ПЧ - это диапазон логарифмического усилителя. Например, в приборах серии ESA-L используется 85-дБ логарифмический усилитель. Поэтому калибровка может быть проведена только для измерений до 85 дБ вниз от опорного уровня. 
Вопрос состоит в том, можем ли мы в полной мере использовать дисплейный диапазон? Из проведенного выше обсуждения динамического диапазона мы знаем, что в общем случае ответ «да». На самом деле, динамический диапазон часто даже превосходит дисплейный диапазон или диапазон логарифмического усилителя. Чтобы перевести меньшие сигналы на калиброванную область дисплея, мы должны увеличить усиление ПЧ. Но при этом мы двигаем большие сигналы за верхний предел дисплея, выше опорного уровня. Некоторые анализаторы фирмы Agilent - например, приборы серии PSA, - позволяют провести измерения сигналов, вышедших за пределы опорного уровня, без изменения точности, с которой отображаются меньшие сигналы. Это показано на Рис. 6-8. Поэтому мы действительно можем пользоваться преимуществом полного динамического диапазона анализатора даже тогда, когда динамический диапазон превосходит дисплейный диапазон. На Рис. 6-8, несмотря на то, что опорный уровень изменился с -8 дБм до -53 дБм, и сигнал ушел далеко за верхний предел экрана, показания маркера не изменились.

 

Рисунок 6-8. Дисплейный диапазон и диапазон измерений прибора  серии PSA

 

Измерительный диапазон есть отношение  наибольшего сигнала к наименьшему  сигналу, которые можно измерить в любых обстоятельствах. Верхний  предел определяется максимально безопасным входным уровнем, +30 дБм (1 Ватт) для  большинства анализаторов. У этих анализаторов есть входные аттенюаторы, которые могут устанавливаться  до 60 или 70 дБ, так что мы можем  уменьшать сигналы уровня +30 дБм  до уровня, существенно более низкого, чем точка компрессии входного смесителя, и качественно измерять их. Отображаемый средний уровень собственных  шумов устанавливает противоположный  предел диапазона. В зависимости  от минимальной полосы разрешения конкретного  анализатора, уровень собственных  шумов обычно лежит в диапазоне  от -115 дБм до -170 дБм. Таким образом, измерительный диапазон может варьироваться  в пределах от 145 дБ до 20 дБ. Конечно, мы не можем видеть сигнал -170 дБм, пока сигнал +30 дБм также присутствует на входе. 
 
Измерение мощности в смежных каналах 
TOI, SOI, 1-дБ подавление усиления и отображаемый средний уровень собственных шумов - все это классические меры показателей анализатора спектра. Однако, с неимоверным развитием цифровых систем связи, и другие меры динамического диапазона становятся не менее важными. Например, при измерении мощности смежных каналов, которое часто проводится для систем связи с CDMA основой, необходимо определить количество мощности сигнала, просачивающейся или «выплескивающейся» в смежные или посторонние каналы, расположенные до и после несущей. Пример такого измерения показан на Рис. 6-9.

 

Рисунок 6-9. Измерение  мощности в смежном канале при  помощи анализатора серии PSA

 

Обратите внимание на различия в  амплитудах мощности несущей и смежных  каналов. Одновременно может быть измерено до шести каналов с каждой стороны  от несущей. Обычно нас интересует относительное  различие между мощностью сигнала  в главном канале и мощностью  сигнала в смежном или постороннем  канале. В зависимости от конкретного  стандарта связи, эти измерения  часто именуют тестами коэффициента мощности смежного канала или коэффициента утечки смежного канала. Поскольку  сигналы с цифровой модуляцией, а  также генерируемые ими искажения, по своей природе очень шумоподобны, производственные стандарты обычно определяют еще и полосу канала, по которой интегрируется мощность сигнала. 
Чтобы точно измерить показатель мощности в смежных каналах у исследуемого устройства (например, усилителя мощности), показатель мощности в смежных каналах самого анализатора должен быть лучше, чем у ИУ. Поэтому коэффициент мощности смежного канала динамического диапазона анализатора спектра нынче является ключевым параметром для измерений цифровых систем связи.

 

 

 
¹ см. Главу 7 Расширение частотного диапазона. 
² Более подробно о том, как построить собственные графики динамического диапазона, см. документ Agilent PSA Performance Spectrum Analyzer Series Product Note, Optimizing Dynamic Range for Distortion Measurements. 
³ Многие анализаторы внутренне контролируют комбинированную установку входного аттенюатора и усиления по ПЧ, так что появление на входе смесителя сигнала, равного уровню сжатия, создает отражение от верхней линии масштабной сетки. Поэтому мы не можем нечаянно провести неправильные измерения. 
* прим. ред. по сигнальному порту смесителя

 

 

 

 

Глава 7 
 
Расширение частотного диапазона 
 
По мере того, как все больше и больше новых беспроводных сервисов разрабатывается и становится доступными, частотный спектр становится все более и более плотно заселенным. Поэтому существует определенная тенденция разрабатывать новые продукты и сервисы, оперирующие на более высоких частотах. Вдобавок, новые СВЧ технологии продолжают успешно развиваться, создавая растущую потребность в измерениях СВЧ диапазона. Конструкторы анализаторов спектра ответили на этот вызов созданием приборов, способных производить прямые измерения по коаксиальному входу вплоть до 50 ГГц. А при использовании внешних смесителей, можно измерять и более высокие частоты. В этой главе мы рассмотрим методы, которые позволяют использовать анализаторы спектра на таких высоких частотах. 
 
Внутреннее гармоническое смешение 
В Главе 2 мы описали однодиапазонный анализатор спектра, который перестраивается до 3 ГГц. Теперь мы хотим иметь перестройку до более высокой частоты. Наиболее практичный путь достижения подобного расширения диапазона - гармоническое смешение. 
Но давайте не будем спешить. При выводе уравнения настройки в Главе 2 мы обнаружили, что нуждаемся в фильтре нижних частот, изображенном на схеме Рис. 2-1, чтобы предотвратить попадание высокочастотных сигналов на смеситель. В результате получился однополосный анализатор с однозначной характеристикой, который перестраивается до 3 ГГц. Сейчас мы хотим обозревать и измерять более высокочастотные сигналы, поэтому фильтр нижних частот надо убрать. Другими факторами, которые мы обнаружили при выводе уравнения настройки, были выбор частоты гетеродина и промежуточных частот. Мы решили, что ПЧ не должна быть внутри полосы интересующих нас частот, поскольку она создает дыру в диапазоне настройки, в которой мы не можем производить измерения. Поэтому мы выбрали 3.6 ГГц, сдвинув ПЧ выше максимальной частоты диапазона настройки (3 ГГц). Поскольку наш новый диапазон настройки будет выше 3 ГГц, логично сдвинуть новую ПЧ до частоты ниже 3 ГГц. Типичная первая ПЧ для этого высокочастотного диапазона в спектральных анализаторах Agilent равна 321.4 МГц. Мы будем использовать эту частоту в наших примерах. В итоге, для нижней полосы, до 3 ГГц, наша первая ПЧ равна 3.6 ГГц. Для верхних полос частот мы должны переключиться на первую ПЧ, равную 321. 4 МГц. Заметим, что на Рис. 7-1 вторая ПЧ уже равна 321.4 МГц, так что все, что нам надо сделать, когда мы захотим настроиться на верхний диапазон, это обойти первую ПЧ.