Входная радиочастотная часть анализаторов спектра

В данной главе приводится подробное описание отдельных компонентов анализатора, работающего по гетеродинному принципу, а также практической реализации современного анализатора спектра для диапазона частот от 9 кГц до 3 ГГц / 7 ГГц. Подробную структурную схему, на которой отдельные блоки пронумерованы и объединены в функциональные блоки, можно найти в конце статьи.

Входная радиочастотная часть анализаторов спектра

Как и большинство измерительных приборов, используемых в современных системах связи, анализаторы спектра обычно имеют входной импеданс 50 Ом. Чтобы обеспечить возможность измерений в системах с волновым сопротивлением 75 Ом, таких как кабельное телевидение (CATV), некоторые анализаторы в качестве альтернативы обеспечивают входное сопротивление 75 Ом. Но при наличии трансформатора сопротивления в таких системах можно использовать и анализаторы с входным сопротивлением 50 Ом (смотрите совет по измерениям: «Измерения в системе с импедансом 75 Ом»).

Одним из критериев качества анализатора спектра является входной коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН, VSWR), на который сильно влияют компоненты входного интерфейса, такие как аттенюатор, входной фильтр и первый смеситель. Эти компоненты образуют входную радиочастотную часть, функциональность и реализация которой будут подробно рассмотрены ниже.

Для измерения сигналов с высокими уровнями на входе анализатора спектра предусмотрен ступенчатый аттенюатор 2 (номера, выделенные синим цветом, ссылаются на блоки структурной схемы в конце статьи). С помощью этого аттенюатора можно установить уровень сигнала на входе первого смесителя.

Ослабление РЧ сигнала этого аттенюатора обычно регулируется с шагом 10 дБ. В некоторых анализаторах, требующих широкого динамического диапазона, используются аттенюаторы с более плавной ступенчатой регулировкой 5 дБ или 1 дБ (смотрите раздел 5.5 «Динамический диапазон»).

Измерения в системе с импедансом 75 Ом

В звуковом и телевизионном радиовещании импеданс 75 Ом более распространен (сейчас уже нет, прим. пер.), чем широко используемый импеданс 50 Ом. Для проведения измерений в таких системах с помощью анализаторов спектра, которые обычно имеют входное сопротивление 50 Ом, требуются соответствующие согласующие устройства. В противном случае, из-за рассогласования между тестируемым устройством и анализатором спектра могут возникать ошибки измерения.

Самый простой способ преобразовать 50 Ом в 75 Ом – это последовательный резистор 25 Ом. Хотя резистор и обеспечивает низкие вносимые потери (примерно 1,8 дБ), согласовывается только 75-омный выход тестируемого устройства (теперь он нагружается на импеданс 75 Ом), но ВЧ вход анализатора спектра всё еще не согласован (смотрите рисунок 1a). А поскольку входное сопротивление анализатора спектра может отличаться от идеального значения 50 Ом, из-за многократных отражений могут возникать ошибки измерений, особенно в случае отклонения импеданса и у тестируемого устройства.

Поэтому рекомендуется использовать трансформаторы сопротивления, согласованные с обеих сторон (например, Π- или L-образные трансформаторы).

Гетеродинный приемник с помощью смесителя 4 и гетеродина 5 переносит входной сигнал на промежуточную частоту (ПЧ). Этот тип преобразования частоты обычно можно выразить как:

\[|m \cdot f_{гет} \pm n \cdot f_{вх}| = f_{пч} \qquad (1)\]

где

• m, n – 1, 2, ... ;
• f_гет – частота гетеродина;
• f_вх – частота преобразуемого входного сигнала;
• f_пч – промежуточная частота.

Если учитываются основные гармоники входного сигнала и сигнала гетеродина (m = 1, n = 1), уравнение 1 упрощается до:

\[|f_{гет} \pm f_{вх}| = f_{пч} \qquad (2)\]

или при решении относительно f_вх

\[f_{вх} = |f_{гет} \pm f_{пч}| \qquad (3)\]

С помощью непрерывно перестраиваемого гетеродина можно перекрыть широкий диапазон входных частот при постоянной промежуточной частоте. Для конкретных частоты гетеродина и промежуточной частоты уравнение 3 показывает, что всегда существует две частоты принимаемого входного сигнала, для которых выполняется критерий, установленный уравнением 2 (смотрите рисунок 2). Это означает, что помимо требуемой частоты приема существуют также «зеркальные» частоты. Чтобы гарантировать работоспособной данной архитектуры, входные сигналы на таких нежелательных зеркальных частотах должны подавляться с помощью соответствующих фильтров перед подачей на вход радиочастотного смесителя.

На рисунке 3 показаны диапазоны частот входного сигнала и зеркальных помех для настраиваемого приемника с низкой первой промежуточной частотой. Если диапазон входных частот больше 2·f_пч, то эти два диапазона перекрываются, и поэтому для подавления зеркальных помех, без влияния на полезный входной сигнал, входной фильтр должен быть реализован как перестраиваемый полосовой фильтр.

Чтобы охватить диапазон частот от 9 кГц до 3 ГГц, который является типовым для современных анализаторов спектра, эта концепция построения фильтра будет чрезвычайно сложной из-за широкого диапазона настройки (несколько декад). Гораздо менее сложным является подход с высокой первой промежуточной частотой (рисунок 4).

В этой конфигурации частотный диапазон зеркальной помехи лежит выше входного частотного диапазона. Поскольку эти два частотных диапазона не перекрываются, частоты зеркальной помехи можно подавить с помощью фиксированного фильтра нижних частот. Для входного сигнала выполняется следующие преобразование:

\[f_{пч} = f_{гет} - f_{вх} \qquad (4)\]

а для частоты зеркальной помехи:

\[f_{пч} = f_{зерк} - f_{гет} \qquad (5)\]

Входная часть для частот до 3 ГГц

Описываемый здесь анализатор для охвата частотного диапазона от 9 кГц до 3 ГГц использует подход с высокой промежуточной частотой. Поэтому для подавления зеркальных помех после входного аттенюатора 2 следует фильтр нижних частот 3. Из-за ограниченной развязки между трактами РЧ и ПЧ, а также между входами гетеродина и РЧ у первого смесителя, этот фильтр нижних частот также служит для минимизации утечек сигнала ПЧ и излучения сигнала гетеродина на РЧ входе.

В нашем примере первая промежуточная частота составляет 3476,4 МГц. Для преобразования диапазона входных частот от 9 кГц до 3 ГГц в верхнюю частоту 3476,4 МГц сигнал гетеродина 5 должен перестраиваться в диапазоне частот от 3476,40 МГц до 6476,4 МГц. В соответствии с уравнением 5 диапазон зеркальных помех получается от 6952,809 МГц до 9952,8 МГц.

В качестве гетеродина часто используется ЖИГ-генератор (YIG-генератор, генератор на основе резонатора из железо-итриевого граната) из-за своих широкого диапазона перестройки и низкого фазового шума вдали от несущей частоты (смотрите раздел 5.3 «Фазовый шум»). Для настройки частоты резонатора эта технология использует магнитное поле.

В некоторых анализаторах спектра в качестве гетеродинов используются генераторы, управляемые напряжением (ГУН, VCO, «voltage controlled oscillator»). Хотя такие генераторы имеют меньший диапазон перестройки, чем ЖИГ-генераторы, но они могут перестраиваться намного быстрее, чем ЖИГ-генераторы.

Для повышения точности частоты измеряемого спектра сигнал гетеродина синхронизируется с сигналом опорного генератора 26 через петлю фазовой автоподстройки частоты6. В отличие от аналоговых анализаторов спектра частота гетеродина настраивается не непрерывно, а с множеством небольших шагов. Размер шага зависит от полосы разрешения (RBW). Маленькие полосы разрешения (RBW) требует меньшего шага перестройки. В противном случае входной сигнал может быть записан не полностью или могут возникнуть ошибки измерения уровней. Чтобы проиллюстрировать этот эффект, на рисунке 5 показан фильтр, перестраиваемый пошагово во всем диапазоне входных частот. Чтобы избежать таких ошибок, на практике выбирается размер шага, который намного меньше ширины полосы разрешения (например, 0,1·RBW).

Опорный сигнал обычно генерируется термокомпенсированным кварцевым генератором (TCXO). Для повышения точности и длительной стабильности частоты (смотрите также раздел 5.9 «Точность частоты») большинству анализаторов спектра доступна дополнительная опция в виде термостатированного кварцевого генератора (OCXO). Для синхронизации с другими измерительным оборудованием сигнал опорного генератора (обычно 10 МГц) подается на выходной разъем 28. Также анализатор спектра может быть синхронизирован с внешним опорным сигналом 27. Если для передачи опорного сигнала наружу и внутрь используется только один разъем, то текущая функция этого разъема, как правило, зависит от внутренних настроек анализатора спектра.

Как показано на структурной схеме анализатора спектра, работающего по гетеродинному принципу, (рисунок 2 из предыдущего раздела), за первым преобразованием следует обработка сигнала и детектирование сигнала промежуточной частоты. Но при такой высокой промежуточной частоте трудно реализовать узкополосные фильтры ПЧ, что означает, что сигнал ПЧ в описываемой здесь архитектуре должен быть перенесен на более низкую промежуточную частоту (например, 20,4 МГц в нашем примере).

При прямом преобразовании в 20,4 МГц частота зеркальной помехи будет смещена от сигнала на частоте 3476,4 МГц, который необходимо преобразовать, только на 2 · 20,4 МГц = 40,8 МГц (рисунок 6). Подавление этой зеркальной частоты изображения важно, поскольку из-за ограниченной развязки между РЧ и ПЧ портами смесителя этот сигнал может быть передан без преобразования в тракт первой ПЧ. Этот эффект называется прямым прохождением ПЧ (смотрите раздел 5.6 «Устойчивость к помехам»). Если частота входного сигнала соответствует частоте зеркального канала второго преобразования, этот эффект проявляется в частотном отклике на сигнал зеркального канала второй ПЧ. При определенных условиях входные сигналы также могут быть преобразованы в частоту зеркального канала второго преобразования. Поскольку потери при преобразовании у смесителей обычно намного меньше, чем развязка между РЧ и ПЧ портами смесителей, этот тип попадания в зеркальный канал является гораздо более критичным.

При низкой ПЧ 20,4 МГц из-за высокой частоты сигнала для подавления зеркальной помехи потребуется чрезвычайно сложный фильтр с высокой избирательностью. Поэтому рекомендуется преобразовать входной сигнал из первой ПЧ в среднюю ПЧ, например, 404,4 МГц, как в нашем примере. Для этого потребуется сигнал фиксированного гетеродина 10 3072 МГц. Поскольку частота зеркального канала для этого преобразования составляет 2667,6 МГц, подавление зеркальной помехи в этом случае можно легко реализовать с помощью соответствующего полосового фильтра 8. Полоса пропускания этого полосового фильтра должна быть достаточно большой, чтобы сигнал не ухудшался даже при максимальной ширине полосы разрешения. Для снижения общего коэффициента шума анализатора входной сигнал перед вторым преобразованием усиливается 7.

Входной сигнал, перенесенный на вторую ПЧ, снова усиливается, фильтруется полосовым фильтром подавления зеркальной помехи для третьего преобразования и переносится с помощью смесителя на низкую, третью ПЧ 20,4 МГц. Полученный таким образом сигнал может быть подвергнут обработке сигнала ПЧ.

Входная часть для частот выше 3 ГГц

Подход с высокой первой промежуточной частотой требует широкого частотного диапазона гетеродина (f_гет,max = f_вх,max + f_{1ая пч}). В дополнение к широкополосному РЧ входу первый смеситель должен также иметь чрезвычайно широкополосный вход гетеродина и выход ПЧ – требования, которые при повышении верхнего предела входной частоты становится всё труднее удовлетворить. Поэтому эта концепция подходит только для диапазонов частот входных сигналов до 7 ГГц.

Чтобы охватить микроволновый диапазон, необходимо реализовать другие архитектуры с учетом следующих особенностей:

• диапазон частот от 3 ГГц до 40 ГГц занимает чуть более декады, тогда как диапазон от 9 кГц до 3 ГГц соответствует примерно 5,5 декадам.
• в микроволновом диапазоне фильтры, настраиваемые в широком диапазоне и с узкой относительной полосой пропускания, могут быть реализованы с помощью технологии ЖИГ-резонаторов [1]. Полностью реализуемы диапазоны настройки от 3 ГГц до 50 ГГц.

Прямое преобразование входного сигнала на низкую ПЧ требует использования следящего полосового фильтра для подавления зеркальной помехи. Благодаря упомянутым ранее особенностям диапазона выше 3 ГГц такая преселекция может быть в нем реализована, в отличие от диапазона частот до 3 ГГц. Соответственно, гетеродин нужно перестраивать только в диапазоне частот, который соответствует диапазону входных частот.

Таким образом, в нашем примере частотный диапазон анализатора спектра увеличен с 3 ГГц до 7 ГГц. После аттенюатора входной сигнал разделяется диплексером 19 на диапазоны частот от 9 кГц до 3 ГГц и от 3 ГГц до 7 ГГц и подается на соответствующие радиочастотные входные части.

В высокочастотной входной части сигнал проходит через следящий ЖИГ-фильтр 20 на смеситель. Центральная частота полосового фильтра соответствует частоте входного сигнала, который нужно перенести на ПЧ. Прямое преобразование на низкую ПЧ (в нашем примере 20,4 МГц) в этой архитектуре усложняется из-за достаточно широкой полосы пропускания ЖИГ-фильтра. Поэтому лучше всего сначала перенести сигнал на среднюю ПЧ (404,4 МГц), как это было сделано в низкочастотной входной части.

В нашем примере для преобразования входного сигнала в качестве верхней боковой полосы (то есть для f_пч = f_вх – f_гет) от гетеродина потребуется обеспечение частотного диапазона от 2595,6 МГц до 6595,6 МГц. Для преобразования входного сигнала в качестве нижней боковой полосы (f_пч = f_гет – f_вх) гетеродин должен перестраиваться в диапазоне от 3404,4 МГц до 7404,4 МГц.

Если объединить эти два преобразования путем переключения между верхней и нижней боковыми полосами в центре диапазона входных частот, то такая архитектура может быть реализована даже с ограниченным частотным диапазоном гетеродина от 3404,4 МГц до 6595,6 МГц (рисунок 7).

Сигнал, преобразованный на ПЧ 404,4 МГц, усиливается 23 и подается через переключатель 13 в тракт сигнала ПЧ низкочастотной входной части.

Верхний и нижний частотные пределы реализации этой архитектуры определяются технологическими ограничениями ЖИГ-фильтра. Максимальная возможная частота составляет около 50 ГГц.

В нашем примере верхний предел 7 ГГц определяется диапазоном перестройки гетеродина. При указанном частотном диапазоне гетеродина возможны различные варианты для преобразования входных сигналов и выше 7 ГГц:

Преобразование с помощью основной частоты

Входной сигнал преобразуется с помощью основной (первой) гармоники сигнала гетеродина. Для охвата более высокого диапазона частот с заданным диапазоном частот гетеродина необходимо перед смесителем, например, удвоить частоту сигнала гетеродина с помощью умножителя.

Преобразование с помощью гармоники

Входной сигнал преобразуется с помощью гармоники сигнала гетеродина, создаваемой в смесителе из-за его нелинейностей.

Для получения минимальных потерь преобразования, и тем самым поддержания низкого коэффициента шума анализатора спектра, предпочтительным является преобразование с помощью основной частоты. Однако для достижения хороших характеристик требуется сложная обработка сигнала гетеродина. Помимо умножителей 22, необходимы фильтры для подавления субгармоник после умножения. Усилители, необходимые для обеспечения достаточно высокого уровня сигнала гетеродина, должны быть очень широкополосными, поскольку они должны работать в диапазоне частот, который примерно соответствует диапазону входных частот высокочастотной входной части.

Преобразование с помощью гармоники легче реализовать, но оно подразумевает более высокие потери преобразования. В этом случае потребуется сигнал гетеродина в относительно низкочастотном диапазоне, и который при подаче на смеситель должен иметь достаточно высокий уровень. Из-за нелинейности смесителя и высокого уровня сигнала гетеродина для преобразования используются высшие гармоники, имеющие достаточный уровень. В зависимости от порядка m гармоники гетеродина потери преобразования смесителя по сравнению с аналогичными в режиме преобразования с помощью основной частоты увеличиваются на:

\[\Delta a_m = 20 \ дБ \cdot \lg m\]

где

• Δa_m – увеличение потерь преобразования по сравнению с режимом преобразования с помощью основной частоты;
• m – порядок гармоники сигнала гетеродина, используемой для преобразования.

Использование на практике этих двух концепций преобразования частоты зависит от ценового класса анализатора. Также возможна комбинация этих двух методов. Например, преобразование с использованием гармоники сигнала гетеродина, удвоенной с помощью умножителя, приведет к компромиссу между сложностью и чувствительностью при приемлемых затратах.

Внешние смесители

Для измерений в миллиметровом диапазоне (выше 40 ГГц) частотный диапазон анализатора спектра может быть расширен за счет использования внешних смесителей. Эти смесители также работают по принципу преобразования с помощью гармоник, и поэтому для них требуется сигнал гетеродина в частотном диапазоне, который находится ниже частотного диапазона входного сигнала.

Входной сигнал преобразуется в сигнал низкой ПЧ с помощью гармоники сигнала гетеродина, а входной сигнал ПЧ подается в соответствующую точку в тракте сигнала ПЧ низкочастотной входной части анализатора.

В миллиметровом диапазоне для передачи сигнала в тракте обычно используются волноводы. Поэтому внешние смесители, предназначенные для расширения частотного диапазона анализаторов спектра, обычно представляют собой волноводные конструкции. Эти смесители обычно не содержат фильтра преселекции и, следовательно, не обеспечивают подавление зеркальной помехи. Нежелательные продукты частотного преобразования необходимо идентифицировать с помощью соответствующих алгоритмов. Дополнительную информацию о расширении частотного диапазона с помощью внешних смесителей гармоник можно найти в [2].

Структурная схема анализатора спектра, описываемого в данной книге

Справочная информация

1. Helszajn, J.: YIG Resonators and Filters. John Wiley & Sons Ltd., Chichester, New York, Brisbane, Toronto, Singapore, 1985.
2. Rauscher, C.: Frequency Range Extension of Spectrum Analyzers with Harmonic Mixers. Application Note*) 1EF43, Rohde & Schwarz.

Теги