1. Analizator widma, budowa i dzia anie.

Transkrypt

1 1. Analizator widma, budowa i dziaanie. Tradycyjny sposób obserwacji sygnaów elektrycznych to ogldanie ich w domenie czasu za pomoc oscyloskopu. Obserwacja w domenie czasu jest uywana do uzyskania charakterystyki wzgldem czasu, oraz inormacji azowej, które s potrzebne do scharakteryzowania obwodów elektrycznych. Jednak nie wszystkie obwody mona jednoznacznie charakteryzowa w domenie czasu. Elementy ukadów, takie jak wzmacniacze, oscylatory, miksery, modulatory, detektory i iltry najlepiej charakteryzuje si w domenie czstotliwoci. Jednym z instrumentów, który do tego sy to analizator widma. Czym jest domena czstotliwoci? Domena czstotliwoci jest graicznym przedstawieniem amplitudy sygnau w unkcji czstotliwoci. Rysunek 1.1 przedstawia zaleno pomidzy domen czasu, a domen czstotliwoci. W domenie czasu, wszystkie elementy czstotliwo sygnau s sumowane. W domenie czstotliwoci, zone sygnay (np. sygna skada si z wicej ni jednej czstotliwoci) s podzielone na skadowe czstotliwoci, dziki temu poziom mocy przy kadej czstotliwoci jest widoczny. Rysunek 1.1 Zwizek czasu i czstotliwoci: (a) Trójwymiarowe wspórzdne pokazujce czas, czstotliwo i amplitud. (b) Pokazany jest sygna podstawowy i jego pierwsza harmoniczna.

2 Czym jest analizator widma? Aby wywietli sygna w domenie czstotliwoci wymagane jest urzdzenie, które moe rozróni poszczególne skadowe czstotliwoci, oraz ich poziom mocy. Do tego celu zosta zaprojektowany analizator widma, jest instrumentem, który przedstawia graicznie napicie lub moc w unkcji czstotliwoci na wywietlaczu. Dziki temu moe by uywany do analizy sygnaów w domenie czstotliwoci. Rysunek 1.2 ygna CW przedstawiony w domenie czstotliwoci. Zastosowanie analizatora widma. W domenie czstotliwoci znajdujemy inormacje których nie znaleziono w domenie czasu, w zwizku z tym, analizator widma ma pewne zalety, niedostpne w oscyloskopie. Rysunek 1.3 Analizator jest bardziej wraliwe na niskie znieksztacenia ni oscyloskop. inusoida na rysunku wyglda dobrze w dziedzinie czasu, ale dopiero w dziedzinie czstotliwoci, mona zobaczy znieksztacenia harmoniczne.

3 Rysunek 1.4 Czu i szeroki zakres dynamiki analizatora jest uyteczny do pomiaru niskiego poziomu modulacji. Na rysunku pokazana jest 2% modulacja AM, mona jatwo zmierzy za pomoc analizatora widma, dla porównania ledwo j wida na oscyloskopie. Rysunek 1.5 Analizator widma moe by stosowany do pomiaru modulacji AM, FM oraz. Pokazuje, w jaki sposób analizator moe by uywany do pomiaru czstotliwoci nonej, czstotliwoci modulujcej, poziomu modulacji i znieksztace modulacji.

4 Rysunek 1.6 Analizator widma moe by stosowany do pomiaru dugo-i krótkoterminowych stabilnoci. Parametry, takie jak pasma boczne szumów oscylatora, pozostaci FM róda, oraz dryt czstotliwoci podczas nagrzewania urzdzenia. Rysunek 1.7 Na rysunku wida pomiar generatorem przemiatajcym pasmo przenoszenia wzmacniacza, iltra pasmowo-przepustowego, oraz znieksztace harmonicznych przestrajanego oscylatora. Pomiary te s uproszczone za pomoc unkcji variable persistence lub generatorem ledzcym.

5 Rysunek 1.8 Konwertery czstotliwoci mog byatwo charakteryzowane za pomoc analizatora widma. Takie parametry jak utrata konwersji, izolacji i znieksztacenia mona atwo odczyta z wywietlacza. Rodzaje analizatorów widma. Istniej dwa podstawowe rodzaje analizatorów widma, swept-tuned, oraz w czasu rzeczywistego. wept-tuned analizatory s strojone przez przemiatanie w ich zakresie czstotliwoci, gdzie skadniki widma czstotliwoci, próbkowane s kolejno w czasie. Pozwala to na wywietlanie okresowych i przypadkowych sygnaów, ale nie pozwala na wywietlanie przejciowych odpowiedzi. Natomiast analizatory czasu rzeczywistego mog jednoczenie wywietli amplitudy wszystkich sygnaów w zakresie czstotliwoci analizatora, std nazwa czasu rzeczywistego (RTA). Dziki temu zachowuje zalenoci czasowe pomidzy sygnaami, pozwala to równie na obrazowanie inormacji o azie sygnau. Analizator RTA umoliwia wywietlanie przejciowych odpowiedzi, jak równie okresowych i przypadkowych sygnaów.

6 Rysunek 1.9 chemat blokowy RTA. RTA lub wielokanaowy analizator jest po prostu zestawem iltrów pasmowoprzepustowych co pokazano na rysunku 1.9. Badany sygna jest podawany na kady iltr pasmowo-przepustowy, nastpnie jest wywietlany jako unkcja zakresu czstotliwoci iltra. Zakres czstotliwoci analizatora jest ograniczony przez liczb iltrów oraz ich pasmo przenoszenia. Ukad ten jest zwykle bardzo drogi ze wzgldu na du liczb iltrów wymaganych na pokrycie caego wymaganego spektrum i brak elastycznoci w skali czstotliwoci ze wzgldu na sta rozdzielczo szeroko iltrów. Tego typu ukadu uywa si do analizy niskich czstotliwoci, takich jak zakres audio, czy inradwiki. Dlatego, e iltry pasmowo-przepustowe w tym zakresie maj by bardzo wskie bez duego wpywu prdkoci przemiatania (przeczania iltrów i pobierania poszczególnych próbek) jak w przetoczonych analizatorach swept-tuned Analizatory swept-tuned. Analizatory swept-tuned s zazwyczaj typu TRF (dostrojone czstotliwoci radiowej) lub superheterodynowe. chemat blokowy analizatora TRF jest pokazany na rysunku 1.10.Analizator TRF skada si z iltra pasmowego, którego czstotliwo rodkowa jest strojona na dany zakres czstotliwoci, detektora sterujcego odchylaniem w osi Y na wywietlaczu i generatora odchylania poziomego, scego do okrelania czstotliwoci na

7 osi X wywietlacza. Jest to prosty, tani analizator o szerokim zakresie czstotliwoci, ale brakuje mu rozdzielczoci i czuci. Poniewa analizatory TRF maja przestrajane iltry, maj ograniczone pasma analizy, przez szeroko przestrajania iltra. Rozdzielczo analizatora jest okrelana przez iltr dla danego pasma, natomiast przestrajalne iltry zazwyczaj nie zachodz na siebie zakresami. Analizator TRF jest stosunkowo niedrogi i jest czsto uywany do zastosowa mikroalowych ze wzgldu na atw konstrukcj szerokopasmowo przestrajanych iltrów. Rysunek 1.10 chemat blokowy przestrajanego analizatora widma TRF. Czstotliwoci jest analizowana za pomoc przestrajanego iltra pasmowego. Najpopularniejszy typ analizatora widma róni si od analizatorów widma w TRF, tym e widmo jest przemiatane si przez stay iltr pasmowy zamiast przemiatania iltra przez widmo sygnau. chemat blokowy analizatora widma z przemiatan superheterodyn jest pokazany na rysunku Analizator jest w zasadzie odbiornikiem wskopasmowym, który ma elektronicznie dostrajan czstotliwo odbioru przez zastosowanie generatora przebiegu pioksztatnego, do przestrajania generatora lokalnego VFO. Ten sam przebieg jest jednoczenie stosowany do odchylania w osi X na wywietlaczu. Natomiast wyjcie odbiornika jest poczone z ukadem odchylania w osi Y, dla obrazowania amplitudy sygnau. Rysunek chemat blokowy analizatora widma z przemiatan superheterodyn. ygna wejciowy jest mieszany z przemiatan czstotliwo LO (oscylatora lokalnego) w celu uzyskania staego sygnau, który nastpnie poddany jest detekcji i wywietlony.

8 Rysunek 1.12 Przykadowy analizator widma i jego wntrze. Analizator jest dostrajany do zakresu czstotliwoci poprzez odpowiedni zmian napicia na LO (oscylator lokalny). Czstotliwo LO miesza si z sygnaem wejciowym, dziki czemu powstaje (czstotliwo porednia). Analizator dziaa tylko gdy czstotliwo LO, bdzie wiksza anieli czstotliwo sygnau wejciowego: LO wtedy: LO Na przykad, jeli pocztek zakresu =200MHz, a LO przemiata w zakresie MHz, analizator miaby zakres strojenia 0-110MHz. ygna wejciowy s=50mhz bdzie miesza z LO o czstotliwoci 250MHz i powstanie = 200MHz, w odpowiedzi pojawi si na wywietlaczu pik dla 50MHz. Jest to podstawowe równanie wykorzystane do okrelenia zakresu czstotliwoci analizatora. Zakres ten moe by poszerzony przez zmieszanie sygnau wejciowego z harmonicznymi czstotliwoci LO. Mieszanie harmonicznych zostanie omówione dalej. Zalety techniki superheterodynowej s ogromne. Uzyskuje ona wysoka czu za pomoc wzmacniaczy (poredniej czstotliwoci), jak i bardzo szeroki zakres przestrajania, np. 9kHz-40GHz. Ponadto, rozdzielczo mona zmienia przez zmian szerokoci pasma iltrów.

9 Analizator z przemiatan superheterodyn nie do koca dziaa w czasie rzeczywistym Jednak ten sposób jest najbardziej elastycznym, co zostanie omówione dalej.. Rysunek 1.13 ygna CW Na rysunku przedstawiony zosta sygna CW. ygna moe by zmierzony na wywietlaczu. Na lewej krawdzi CRT jest czasami znacznik nazywany "czstotliwo zero Hz" lub start oscylatora lokalnego. Wystpuje wtedy, gdy analizator jest dostrojony od czstotliwoci zerowej, a lokalny oscylator przechodzi bezporednio przez stwarza to odpowied na CRT nawet przy braku sygnau. (Dla czstotliwoci zerowej przestrajania, ). Jest to ograniczenie dolnego zakresu przestrajania. LO Pomiary czstotliwoci Nowoczesne analizatory widma s kalibrowane dla czstotliwoci i amplitudy, do pomiarów wzgldnych i bezwzgldnych. Kalibracja czstotliwoci jest uzaleniona od sposobu przestrajania i skali w osci X analizatora. Mog by kalibrowane na trzy sposoby: pene pasmo, na dzia, oraz w trybie zero scan. Tryb penego pasma jest uywane do lokalizowania sygnaów, poniewa wywietlany jest cay dostpny zakres czstotliwoci analizatora. Czasami odwrócony znacznik poniej linii podstawowej, jak pokazano na rysunku 1.14, jest wykorzystywany do ledzenia czstotliwoci badanego sygnau tracking generator. Gdy znacznik jest ustawiony pod sygnaem, znamy czstotliwo badanego sygnau.

10 Rysunek 1.14 Odwrócony znacznik sy do wskazania czstotliwoci, do której chcemy dostroi analizator. Marker wystpuje tylko w trybie penego skanowania. Tryb przestrajania na dzia sy do powikszania danego sygnau, tak aby na szerokoci wywietlacza na ka dzia przypada ten sam zakres. Rysunek 1.15 Przedstawia sygna 30MHz, wywietlany w trybie przestrajania na dzia. W trybie skanowania zera, analizator dziaa jak na stae dostrojony odbiornik z moliwoci wyboru przepustowoci, do odzyskiwania modulacji sygnaów lub monitorowania w czasie rzeczywistym jednego sygnau.

11 Rysunek 1.16 Przedstawia moduluj al z sygnau AM. Analizator wywietla amplitud w unkcji czasu dla ustalonej czstotliwoci, w trybie zerowego przestrajania. tabilno. Wane jest, aby analizator widma by bardziej stabilny ni sygnay mierzone. tabilno analizatora zaley od stabilnoci czstotliwoci jej lokalnych oscylatorów. tabilno jest zazwyczaj charakteryzuj si jako krótkoterminowe lub dugoterminowe. Pozostaci FM jest miar stabilnoci krótkoterminowej, który zazwyczaj jest w Hz od szczytu do szczytu. Krótkoterminowe stabilno charakteryzuje si równie pasma boczne szumów, które s miar czystoci widmowej analizatora. Pasma boczne haasu s okrelone w postaci db i Hz dla danego pasma. Przykadem pasma boczne szumów i pozostaci FM przedstawiono na rysunku Dugoterminow stabilno charakteryzuje dryt czstotliwoci LO. Dryt czstotliwoci jest miar tego, o ile zmienia si czstotliwo w okrelonym czasie (np. Hz/s lub Hz/h). Rysunek 1.17 ygna z pasmami bocznymi szumów pokazujce niski poziom czystoci widmowej po lewej. Pozosta FM z oscylatora jest wywietlany po prawej stronie. Zarówno krótko-i dugoterminowej stabilnoci moe by poprawiona przez PLL w LO. Ptla PLL powinna zadzia automatycznie, gdy badamy wski wycinek widma.

12 Rozdzielczo Zanim analizator wywietli widmo czstotliwoci na ekranie, musi je najpierw rozpozna. Oznacza to odrónienie poszczególnych skadowych od siebie. Rozdzielczo analizatora widma jest ograniczona przez najwsz szeroko pasma. Na przykad, jeli najwszym pasmem jest 1 khz najblisze dowolne dwa sygnay mog zosta pokazane jako jeden sygna 1kHz. To dlatego, e lad ma ksztat uytego iltru pasmowo-przepustowego, gdy przemiatany jest przez zakócenia sygnau CW. Poniewa rozdzielczo analizatora jest ograniczona przez szeroko iltra, wydaje si, e poprzez zmniejszenie szerokoci iltra w nieskoczono, osignie si nieskoczon rozdzielczo. Niestety tak nie jest, gdy rozdzielczo jest ograniczona stabilnoci generatora w analizatorze - pozosta FM. Jeli wewntrzny odchylenia czstotliwoci analizatora wynosi 1 khz, a najwszym pasmem, które moe by uywane do rozróniania jednego sygnau wejciowego wynosi 1 khz. Wszelkie wsze iltry spowoduj wicej ni jedn odpowied, lub przerywan odpowied na jednej czstotliwoci jak pokazano na rysunku Rysunek 1.19 Jitter sygnau, który jest wikszy ni pasmo iltra. Rozdzielczo analizatora widma jest okrelony przez jego szeroko pasma iltru. zeroko pasma jest zwykle 3 db szerokoci pasma iltru. tosunek 60 db pasma (w Hz) do 3 db szeroko pasma (w Hz) jest znany jako wspóczynnik ksztatu iltra. Im mniejszy jest wspóczynnik ksztatu, tym wiksza jest zdolno analizatora do obrazowania bliskich siebie sygnaów o rónej amplitudzie. Jeli wspóczynnik ksztatu wynosi 15:1 dla danego iltru, a mamy dwa sygnay, których amplituda jest róni si o 60 db, to ich czstotliwo musi si rónic o 7,5 szerokoci pasma zanim b mogy by odrónione. W przeciwnym razie b one widoczne jako jeden sygna na wywietlaczu analizatora widma.

13 Rysunek 1.20 Typowy iltr Gaussa. ygnay o równych amplitudach mog zosta pokazane, gdy s one oddzielone od 3 db pasmo. Nierówne sygnay mog by pokazane, jeli s one oddzielone o wicej ni poowa szerokoci pasma iltra. Istnieje praktyczna ograniczenie wspóczynnika ksztatu. Liczby biegunów stosowane w iltrach okrelaj wspóczynnik ksztatu synchronicznie przestrajanych iltrów. ynchronicznie przestrajane (lub Gaussa) iltry s zwykle uywane ze wzgldu na liniowo azow. Wspóczynnik ksztatu mona poprawi za pomoc rozenie dostrojone iltry (lub kwadratowe zespolenie). Jednake takie iltry maj niecici azy na kracach pasm, a wic powstaj odbicia, gdy sygnay s bardzo szybko przechodz przez nie w analizatorze widma. Czasami w iltrze wspóczynnik ksztatu jest okrelony jako stosunek 60dB pasma do 6dB pasma, albo stosunek 40dB pasma do 3dB pasma. Moe to powodowa trudnoci przy porównywaniu iltrów. Na przykad, wspóczynnik ksztatu 20:1 mierzony 60dB / 3dB odpowiada w przyblieniu 10:1 wspóczynnik ksztatu mierzonego przy 60dB / 6dB. Nawet jeli wspóczynnik ksztatu jest mniejszy, gdy okrelony jako stosunek 60dB / 6dB, zdolno rozdzielcza jest taka sama. W zwizku z tym wspóczynnik ksztatu jest przydatny jako rodek do oznaczania stromoci iltru tylko wtedy, gdy pasma db uywane do okrelenia wspóczynnika ksztatu s takie same dla iltrów, które s porównywane. Zdolno analizatora widma do rozróniania bliskich siebie sygnaów o rónej amplitudzie nie jest unkcja iltru lecz jego wspóczynnik ksztatu. Pasma boczne szumów moe równie zmniejszy rozdzielczo. Pojawiaj si one wokó pasma iltru, mog przez to ograniczy moliwo zaobserwowania maych sygnaów. To ogranicza rozdzielczo przy pomiarze sygnaów o rónej amplitudzie.

14 Rysunek 1.21 Pasma szumów bocznych, zmniejszajce rozdzielczo. Kiedy analizator widma moe zarówno bezwzgldnego i wzgldnego poziomu mocy, to mówi si, e o bezwzgldnej kalibracji amplitudy. Analizator musi spenia nastpujce wymagania: 1. Tumik wejciowy musi mie równ charakterystyk w caym pamie. 2. Mixer wejciowy musi mie stae wzmocnienie w caym zakresie przestrajania LO.

15 Poszerzanie pasma analizatora poprzez miewanie harmonicznych. Aby to zrozumie naley pokaza schemat blokowy analizatora. Rysunek 1.22 chemat blokowy analizatora widma. Jak wiadomo LO, wic LO Aby rozszerzy zakres czstotliwoci analizatora, konieczne byoby rozszerzenie pasma przestrajania LO. tabilno, dokadno i technologia s czynnikami ograniczajcymi budow oscylatora o bardzo szerokim pamie przestrajania. Wic có, jak poszerzy pasmo? Jednym ze sposobów byoby usunicie iltra dolnoprzepustowego na wejciu. W ten sposób równanie przestrajania mog zosta zmodyikowane, aby sygnay wyszych czstotliwoci ni mogy by wywietlane. LO LO wtedy : oraz LO LO Chocia ogólne równanie pozwala rozszerzy pasmo, nadal istniej ograniczenia ze wzgldu na dostpny zakres czstotliwoci oscylatora lokalnego. Biorc pod uwag wpyw tworzenia harmonicznych lokalnego oscylatora na wejciu mixera. Pozwolioby to aby korzystajc z normalnego generatora LO, wytworzy sygna o duo wikszej czstotliwoci. Na przykad, uywajc 2-4GHz LO, mamy 10-t harmoniczn od 20 do 40GHz, zaspokajajc w ten sposób zapotrzebowanie na wysokiej czstotliwoci LO.

16 Równanie przestrajania staje si: n LO Jest to ogólne równanie przestrajania analizatora widma z mieszaniem harmonicznych. ygna wejciowy mona miesza z podstawowymi lub z harmonicznymi oscylatora lokalnego w celu wytworzenia odpowiedniego. Zakres strojenia Aby pokaza, jak dziaa mieszanie harmonicznych, wybierzmy kilka typowych wartoci i pokamy wykres wyników. Na podstawie poniszych wykresów, przyjmujemy 2GHz i 2-4GHz LO. Po pierwsze, niech n = 1. Poniewa n jest harmoniczn z LO, która jest uywana, jest to tzw podstawowa mieszania. Moemy wykreli czstotliwoci LO na wykresie w osi X i czstotliwoci harmonicznej LO na pionowej skali. Wtedy atwo jest wyobrazi sobie przestrajanie analizatora. Rysunek 1.23, przedstawienie sposobu mieszania harmonicznych 1+ i 1-. Linia przerywana przedstawia harmoniczn LO (na pionowej skali) jako podstaw przestrajania 2-4GHz. Podstawowe czstotliwoci mieszania s takie same. Teraz moemy wycign jedn krzyw za pomoc znaku minus w równaniu i jed dla znaku plus. Te

17 stanowioby czstotliwoci sygnau 1+ i 1- sposobów mieszania. Liczba oznacza harmoniczn LO, która jest wykorzystywana plus, lub minus wskazuje oznaczenie uywane w podstawowym równania przestrajania. Z podstawowego równania przestrajania widzimy, e krzywe zawsze bdzie oddzielona od linii przerywanej (czstotliwo LO) przez (2GHz). Nastpnie odb si dwie krzywe dla kadej harmonicznej LO, oddzielonych o podwojon czstotliwo razy (4GHz). Rysunek 1.23 Mieszanie drugiej harmonicznej Teraz moemy atwo okreli krzywe strojenia dla n = 2, czyli drugiej harmonicznej mieszania. Po pierwsze, wykres czstotliwoci drugiej harmonicznej LO jako linia przerywana. W LO przestraja si od 2 do 4GHz, druga harmoniczna przestraja si od 4 do 8GHz. Korzystajc z mieszania drugiej harmonicznej, poszerzy nam zakres analizatora od 2 do 10GHz.

18 Rysunek 1.25 Mieszanie trzeciej harmonicznej. Przechodzc o jeden krok dalej, atwo zauwa, e trzecia harmoniczna z LO przestraja si od 6 do 12GHz Teraz moemy poczy wszystkie krzywe strojenia na jednym wykresie. Zauwa, e za pomoc trzech pierwszych harmonicznych LO moemy zmierzy sygnay w zakresie 0-12GHz. W nowoczesnych analizatorach harmoniczne wykorzystywane s do rozszerzenia pasma uytkowego czstotliwoci powyej 110GHz.

19 Rysunek 1.26 Wszystkie krzywe przestrajania LO z harmonicznymi. czstotliwoci na wywietlaczu jest analogiczna do czstotliwoci oscylatora lokalnego, poniewa plamka na ekranie jest przesuwana przez napicie przestrajajce LO. Oznacza to, e na wywietlaczu, sygnay, które mieszaj si z mniejsz czstotliwoci LO pojawi si na lewo od sygnaów, które mieszaj si z wiksz czstotliwoci LO. Aby dokadnie okreli czstotliwo sygnau na wywietlaczu, wane jest, aby wiedzie, która z harmonicznych jest mieszana.

20 Generator ledzcy Generator ledzcy jest specjalnym ródem sygnau. W poczeniu z analizatorem widma, generator ledzcy wytwarza sygna, którego czstotliwo dokadnie ledzi przestrajanie analizatora widma. Ze wzgldu na t unkcj, dwa instrumenty cz si wszechstronnym system pomiarowy. Jednak przed rozpoznaniem moliwoci pomiarowych systemu, pokrótce rzuci okiem na uproszczony schemat blokowy analizatora / generatora ledzenia, jak pokazano na rysunku poniej. Rysunek 1.27, Uproszczony schemat blokowy analizatora widma z generatorem ledzcym. Równanie analizatora z generatorem ledzcym: ' ' wtedy, gdzie' oraz VTO VTO ' ' W zwizku z tym ledzenie czstotliwoci generatora ( s) dokadnie ledzi strojenie analizatora widma (s), poniewa oba s dostrojone przez ten sam VTO. Ta precyzja ledzenia istnieje we wszystkich trybach przestrajania. Analizator widma / system ledzenia stosowany jest w dwóch koniguracjach: z otwart ptl i w zamknitej ptli. Co zostao pokazane na rysunkach poniej.

21 Rysunek 1.28 Koniguracja otwartej ptli. W koniguracji otwartej ptli, nieznane zewntrzne sygnay s podczone do wejcia analizatora widma. Generator ledzcy jest podczony do licznika. Koniguracja ta sy do wykonywania selektywnego i precyzyjnego pomiaru czstotliwoci. Rysunek 1.29 Koniguracja zamknitej ptli. W koniguracji ptli zamknitej, generator ledzcy jest podczony do badanego urzdzenia, a wyjcie testowanego urzdzenia jest podczone do wejcia analizatora. Koniguracja ta sy do wykonywania pomiarów przejcia transmisja / odbicie, tj. umienno, Return Loss, WR, i wspóczynnika odbicia.