Instrukcja do ćwiczenia nr 23. Pomiary charakterystyk przejściowych i zniekształceń nieliniowych wzmacniaczy mikrofalowych. I. Wstęp teoretyczny. Analizator widma jest przyrządem powszechnie stosowanym we współczesnych laboratoriach mikrofalowych, umożliwiającym obserwację widma i pomiary badanych sygnałów. Obecny na stanowisku analizator widma HP 8570A należy do grupy analizatorów z przemianą częstotliwości. Najpopularniejszą metodą opisu sygnału jest zaprezentowanie jego zmian w dziedzinie czasu. Jednakże każdy przebieg składa się z różnej ilości składowych sygnałów sinusoidalnych co powoduje, że analiza sygnału w dziedzinie czasu nie umożliwia jego pełnego opisu (rys.1). Natomiast w dziedzinie częstotliwości można zaobserwować wszystkie składowe badanego sygnału. Rys.1. Widmo i przebieg czasowy sygnału. [1] Do najczęściej wykonywanych pomiarów przy użyciu analizatorów widma należy zaliczyć: pomiary szumu, niezbędne do określenia stosunku S/N, który jest podstawową cechą charakterystyczną każdego systemu telekomunikacyjnego, pomiary parametrów sygnałów zmodulowanych, sprawdzające poprawność pracy modulatora, który jest niezbędnym elementem systemu telekomunikacyjnego, pomiary zniekształceń sygnałów, które określenie jest istotne dla poprawnej pracy nadajnika i odbiornika, gdyż wpływają na poprawne zdekodowanie przesyłanej informacji oraz jej jakość prezentowaną końcowemu użytkownikowi. Schemat blokowy analizatora widma z przemianą częstotliwości został przedstawiony na rys. 2. Zasada działania przyrządu polega na realizowaniu następujących operacji: wstępnej obróbce sygnału doprowadzonego do wrót wejściowych urządzenia (tłumienie sygnału i filtracja filtrem dolnoprzepustowym); przemianie badanego sygnału na częstotliwość pośrednią (IF) w mieszaczu; wzmocnieniu i filtracji sygnału pośredniej częstotliwości; zdetekowaniu badanego sygnału z sygnału pośredniej częstotliwości i prezentacji go na ekranie w celu dokonania analizy przez użytkownika. Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej 1
Rys.2. Schemat blokowy analizatora widma [1] Głównymi elementami analizatora widma są: wejściowy tłumik RF, mieszacz, wzmacniacz pośredniej częstotliwości, filtr pośredniej częstotliwości, detektor, filtr video, lokalny oscylator (LO) i wyświetlacz. Mieszacz jest trójwrotnikiem, który dokonuje przemiany częstotliwości sygnału, mnożąc ze sobą dwa sygnały wejściowe. Sygnał podany na pierwsze wrota wejściowe jest mnożony z sygnałem lokalnego oscylatora doprowadzonego do drugich wrót wejściowych. Sygnał wyjściowy jest sygnałem o częstotliwości będącej liniową kombinacją sygnałów wejściowych. Filtr pośredniej częstotliwości jest filtrem pasmowo-przepustowym, który jest używany jako okno do wykrywania sygnału. Szerokość pasma tego filtru jest określana również jako RBW (Resolution Bandwidth), czyli rozdzielczość pasma analizatora i może być regulowana przez użytkownika. Dla wąskiego pasma filtru pośredniej częstotliwości uzyskuje się wyższą selektywność, co wydłuża czas analizy. Szybkość przemiatania (sweep) i prędkość aktualizowania ścieżki (trace update rate) maleje wraz z zawężaniem pasma RBW. Optymalne ustawienie pasma pośredniej częstotliwości zależy od charakterystyki badanego sygnału. Filtr video jest filtrem dolno-przepustowym włączonym za detektorem obwiedni i przed przetwornikami A/C. Filtr ten określa szerokość pasma wzmacniacza wideo i jest używany do uśrednienia lub wygładzenia widocznego na ekranie przebiegu. Uśrednianie i wygładzanie umożliwia obserwację sygnału użytecznego, którego amplituda jest porównywalna z amplitudą szumu. Wejściowy tłumik RF jest krokowym tłumikiem włączonym pomiędzy wrota wejściowe analizatora widma a mieszacz. Umożliwia on regulację poziomu sygnału doprowadzonego do wrót wejściowych mieszacza, gdyż przesterowanie mieszacza jest niekorzystnym zjawiskiem wywołującym kompresję wzmocnienia przemiany częstotliwości, co zniekształca badany sygnał. Wzmacniacz IF jest włączony pomiędzy mieszaczem a filtrem pośredniej częstotliwości. Zapewnia kompensację tłumienia wprowadzanego przez wejściowy tłumik RF, w wyniku czego, zmiana wartości tłumienia wejściowego nie powoduje zmiany poziomu sygnału obserwowanego na ekranie analizatora widma. Do podstawowych parametrów analizatora widma można zaliczyć: zakres częstotliwości, określa częstotliwość sygnałów, które mogą być analizowane przy wykorzystaniu urządzenia. Obecny na stanowisku pomiarowym analizator widma HP 8570A Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej 2
charakteryzuje się pasmem pracy 10 MHz 22 GHz; rozdzielczość, szerokość pasma filtru RBW, filtr pośredniej częstotliwości włączony za mieszaczem odfiltrowuje z szerokiego pasma analizowanego widma sygnał wąskopasmowy, który doprowadzony do wrót wejściowych detektora jest detekowany i wyświetlany na ekranie analizatora. Pozorne przemiatanie (sweep) filtrem RBW pasma badanego sygnału, pozwala na wyświetlenie jego pełnej charakterystyki częstotliwościowej w oknie analizy (span). Zbyt szerokie pasmo filtru pośredniej częstotliwości względem szerokości pasma sygnału badanego powoduje rozmycie analizowanego przebiegu, a w skrajnym przypadku brak możliwości rozróżnienia sygnałów o częstotliwościach nieznacznie różniących się od siebie. Dwa sygnały o takiej samej amplitudzie mogą być rozróżnione, jeżeli pasmo 3-dB filtru RBW jest mniejsze lub równe różnicy częstotliwości sygnałów; czułość, określa zdolność wykonania pomiaru sygnału o minimalnym poziomie, który jest porównywalny z amplitudą szumów. Idealny odbiornik nie wprowadza dodatkowego szumu do szumu cieplnego, który towarzyszy urządzeniom elektronicznym i określany jest wzorem N = ktb. W praktyce, do szumu pochodzącego z badanego elementu jest dodawany szum generowany przez analizator. Do wyznaczenia czułości analizatora widma wykorzystuje się wskazanie średniego poziomu szumu (DANL Displayed Avarage Noise Level) wyrażanego w dbm przy minimalnym paśmie filtru pośredniej częstotliwości (RBW). Sygnały o niższym poziomie niż DANL nie są wykrywane przez analizator widma. Czułość analizatorów zawiera się w granicach od -90dBm do -145dBm; zniekształcenia, analizatory widma, posiadające elementy aktywne takie jak mieszacze i wzmacniacze, mogą zniekształcać badane sygnały. Zniekształcenie badanego sygnału jest zjawiskiem niekorzystnym i wynika z przesterowania elementów aktywnych analizatora widma. Zniekształcenia generowane w analizatorze zależą od mocy sygnału wejściowego i ustawień samego analizatora. Dlatego też, należy sprawdzić czy mierzone zniekształcenia są generowane w analizatorze, czy w badanym elemencie; dynamika, jest to stosunek poziomów dwóch sygnałów, jednego o maksymalnym dopuszczalnym poziomie, a drugiego o minimalnym poziomie możliwym do zdetekowania przez analizator. Wzmacniacze są jednymi z najczęściej wykorzystywanych elementów półprzewodnikowych w technice mikrofalowej. Do podstawowych parametrów wzmacniacza zaliczyć można: zakres częstotliwości pracy, wzmocnienie, współczynnik szumów, moc wyjściową dla kompresji 1-dB (Pout 1-dB ), zniekształcenia sygnału i sprawność układu. Na rys. 3 przedstawiono charakterystykę przejściową wzmacniacza, na podstawie której można określić wzmocnienie układu oraz moc sygnału wyjściowego w funkcji mocy sygnału wejściowego. Dla sygnałów wejściowych, których poziom mocy jest mniejszy niż -7 dbm wzmacniacz pracuje w liniowym zakresie charakterystyki. Sygnały wejściowe o mocy większej niż -7dBm implikują pracę wzmacniacza w nieliniowym zakresie charakterystyki, co powoduje zniekształcenie sygnału i spadek wzmocnienia wzmacniacza. Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej 3
Rys. 3. Przykładowa charakterystyka przejściowa wzmacniacza Dokonując pomiaru prądu płynącego przez badany układ podczas wyznaczania charakterystyki przejściowej, można wykreślić charakterystykę prądową i charakterystykę sprawności badanego elementu w zależności od sygnału wejściowego, którą zaprezentowano na rys. 4 i 5. Rys. 4. Przykładowa charakterystyka prądowa wzmacniacza Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej 4
Rys. 5. Przykładowa charakterystyka sprawności wzmacniacza Wyznaczenie punktu 1-dB kompresji wzmocnienia, przedstawione na rys. 6, polega na wykreśleniu prostej pokrywającej się z liniową częścią charakterystyki przejściowej, a następnie wyznaczenie punktu na charakterystyce rzeczywistej odległego od przedłużenia liniowej części charakterystyki o 1 db. Rys. 6. Punkt 1 db kompresji wzmocnienia [2] W trakcie pracy wielkosygnałowej (moc sygnału wejściowego jest większa niż Pin 1-dB ) wzmacniacz wprowadza zniekształcenia sygnałów wejściowych. Miarą tych zniekształceń jest współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych. Produkty intermodulacyjne rzędów parzystych są sygnałami o częstotliwościach znacznie różniących się od częstotliwości sygnałów wejściowych Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej 5
(rys. 7), dlatego ich wpływ jest w praktyce pomijalny. Nieparzyste produkty intermodulacyjne są sygnałami o częstotliwościach bliskich częstotliwościom sygnałów wejściowych i mogą je zakłócać. Najbardziej niepożądanymi produktami intermodulacyjnymi są produkty trzeciego rzędu, dlatego najczęściej wykonuje się pomiary współczynnika zniekształceń intermodulacyjnych (IP 3, third order intercept point). Rys. 7. Produkty intermodulacyjne Metoda wyznaczania punktu IP 3 jest zaprezentowana na rys. 8. Punkt ten jest punktem przecięcia się przedłużenia części liniowej charakterystyki przejściowej wzmacniacza z charakterystyką produktów intermodulacji trzeciego rzędu. Wzór umożliwiający obliczenie współczynnika IPn: Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej 6
Rys. 8. Współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych II. Zagadnienia do przygotowania. 1. Jednostki miary decybelowej: db, dbw, dbm, dbc. 2. Podstawowe parametry analizatora widma. 3. Podstawowe parametry wzmacniaczy. 4. Zniekształcenia nieliniowe we wzmacniaczach. Produkty intermodulacyjne kolejnych rzędów. Literatura. [1] Spectrum Analyzer Basic, http://www.agilent.com [2] Fundamentals of Spectrum Analysis, http://www.rohde-schwarz.com Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej 7
III. Program ćwiczenia. 1. Zapoznać się z metodą pomiarów sygnałów mikrofalowych analizatorem widma. 2. Charakterystyka przejściowa mocy wzmacniacza Pout = f{pin}. Kompresja wzmocnienia. Na analizatorze widma ustawić następujące parametry pracy: Ref.Level: 10 dbm Attenuator: 30 db Span: 20 MHz RBW: 300 khz Następnie do wrót wejściowych wzmacniacza doprowadzić sygnał z jednego generatora. Zmieniając ustawienia wbudowanego w generator tłumika, wyznaczyć charakterystykę przejściową badanego wzmacniacza. Moc wejściową odczytać z ustawienia tłumika, a moc wyjściową z analizatora widma. Dopuszczalne, minimalne tłumienie ustawione na generatorze wynosi: 37 db. Na podstawie sporządzonej charakterystyki określić moce wejściową i wyjściową, odpowiednio, Pin 1-dB i Pout 1-dB, odpowiadające 1 db spadkowi wzmocnienia mierzonego w zakresie nieliniowej pracy wzmacniacza, tzw. 1-dB kompresję wzmocnienia. 3. Pomiar drugiej i trzeciej harmonicznej. Identyfikacja źródła zniekształceń nieliniowych. Ustawić na analizatorze maksymalny poziom sygnału o stałej wartości, np. 10dBm w paśmie podstawowym, następnie przełączyć się na żądany zakres częstotliwości i dostroić urządzenie do odpowiedniej harmonicznej sygnału mierzonego na wyjściu wzmacniacza pokrętłem zmiany częstotliwości. Zmierzyć wartość względną sygnałów harmonicznych i zidentyfikować źródło zniekształceń nieliniowych przy pomocy zewnętrznego tłumika. Jeżeli zmiana wartości tłumika spowoduje równy co do wartości spadek amplitudy sygnału wyświetlanego na analizatorze, wtedy oznacza to, że mierzone zniekształcenia generowane są jedynie w badanym elemencie. 4. Wyznaczenie charakterystyki mocy dla drugiej i trzeciej harmonicznej. Korzystając z tych samych ustawień analizatora widma wykonać pomiar mocy poszczególnych sygnałów harmonicznych, zwiększając ustawienie tłumika znajdującego się wewnątrz generatora. Za poziom maksymalnego sygnału przyjąć ustawienie tłumika z punktu 2 niniejszej instrukcji. 5. Pomiar produktów intermodulacji. Do wrót wejściowych wzmacniacza mocy doprowadzić sumę dwóch sygnałów mikrofalowych o częstotliwościach różniących się o kilka MHz. Wyrównać amplitudy obu sygnałów pamiętając o nieprzekraczaniu skrajnej wartości poziomu Reference Level. Zmierzyć na analizatorze widma wszystkie produkty intermodulacyjne trzeciego rzędu wprowadzane przez badany wzmacniacz w warunkach jego mało- i wielkosygnałowej pracy. Porównać ze sobą uzyskane wartości. Częstotliwość sygnału można odczytać bezpośrednio z analizatora widma przesuwając w dziedzinie częstotliwości mierzony sygnał tak, aby znajdował się na środku skali. 6. Wyznaczanie współczynnika intermodulacji. Na podstawie pomiarów charakterystyk przejściowych badanego wzmacniacza, jego sygnału wyjściowego oraz poszczególnych harmonicznych wyznaczyć współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych trzeciego rzędu IP 3. Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej 8