Зависимости между настройками в анализаторах спектра

Добавлено 24 февраля 2021 в 22:50

Некоторые настройки анализатора взаимозависимы. Чтобы избежать ошибок измерения, в обычном режиме работы современных анализаторов спектра эти параметры связаны друг с другом. То есть при изменении одной настройки все остальные зависимые параметры будут изменяться автоматически. Но эти параметры также могут быть установлены пользователем индивидуально. В таком случае особенно важно знать взаимосвязи и влияния различных настроек.

4.6.1 Время развертки (sweep time), полоса обзора (span), полоса разрешения (RBW) и полоса видеосигнала (VBW)

За счет использования аналоговых или цифровых фильтров ПЧ максимально допустимая скорость развертки ограничивается длительностями переходных процессов в фильтре ПЧ и в видеофильтре. Длительность переходного процесса в видеофильтре никак не влияет, если полоса пропускания видеосигнала (VBW) больше, чем полоса разрешения (RBW). В этом случае время переходного процесса увеличивается обратно пропорционально квадрату полосы разрешения, поэтому с уменьшением полосы разрешения в n раз минимально необходимое время развертки становится на n² больше. Применима следующая формула:

\[ \large T_{разв} = k \cdot \frac{\Delta f}{B^2_{пч}} \qquad (1)\]

где

T_разв – минимально необходимое время развертки (при заданных полосе обзора и полосе разрешения);
B_пч – полоса разрешения;
Δf – полоса обзора;
k – коэффициент пропорциональности.

Коэффициент пропорциональности k зависит от типа фильтра и допустимой ошибки (выброса) отклика при переходном процессе. Для аналоговых фильтров, состоящих из четырех или пяти отдельных звеньев, коэффициент пропорциональности k равен 2,5 (максимальная ошибка переходного процесса составляет приблизительно 0,15 дБ). При использовании гауссовых фильтров с цифровой реализацией отклик при переходном процессе известен и точно воспроизводим. По сравнению с аналоговыми фильтрами, с помощью соответствующих поправочных коэффициентов могут быть получены более высокие скорости развертки без потерь при определении амплитуд, независимо от типа входного сигнала. Таким образом, можно получить коэффициент k равный 1. На рисунке 1 показано необходимое время развертки для полосы обзора 1 МГц как функция от ширины полосы разрешения.

Рисунок 1 Теоретически требуемое время развертки как функция от ширины полосы разрешения при полосе обзора 1 МГц. Пример времени развертки, которое может быть достигнуто в современном анализаторе спектра с помощью фильтров БПФ — Рисунок 1 – Теоретически требуемое время развертки как функция от ширины полосы разрешения при полосе обзора 1 МГц. Пример времени развертки, которое может быть достигнуто в современном анализаторе спектра с помощью фильтров БПФ

Если ширина полосы видеосигнала (VBW) меньше, чем ширина полосы разрешения (RBW), на требуемое минимальное время развертки начинает влиять длительность переходного процесса в видеофильтре. Аналогично фильтру ПЧ, при уменьшении полосы пропускания фильтра (VBW) длительность переходного процесса в видеофильтре увеличивается. Видеофильтр, если он реализован в аналоговой форме, обычно представляет собой фильтр нижних частот 1-го порядка или простую RC-цепь. Следовательно, существует линейная зависимость между полосой пропускания видеосигнала (VBW) и временем развертки (sweep time). Уменьшение полосы пропускания видео в n раз увеличивает время развертки в n раз.

Если не удается обеспечить минимально необходимое время развертки, фильтр ПЧ или видеофильтр не смогут достичь установившегося состояния, что вызовет потери в определении амплитуды и искажения в отображении сигнала (смещение частоты). Например, для синусоидального сигнала не будут правильно отображаться ни уровень, ни частота (рисунок 2). Более того, эффективное разрешение может ухудшиться из-за расширенного отображения спектра сигнала.

Рисунок 2 Потери в определении амплитуды, когда не обеспечивается минимальное время развертки (синяя кривая) — Рисунок 2 – Потери в определении амплитуды, когда не обеспечивается минимальное время развертки (синяя кривая)

Чтобы избежать ошибок измерений из-за короткого времени развертки, в нормальном рабочем режиме современных анализаторов спектра полоса разрешения (RBW), полоса видеосигнала (VBW), время развертки (sweep time) и полоса обзора (span) объединены и взаимосвязаны.

Полоса разрешения автоматически адаптируется к выбранной полосе обзора. Таким образом, можно избежать большого времени развертки из-за узкой полосы разрешения при больших полосах обзора или плохого разрешения из-за большой полосы разрешения при малых полосах обзора. В результате работа с анализатором спектра становится намного проще. Коэффициент связи между полосой обзора и полосой разрешения часто может быть установлен пользователем самостоятельно.

Также возможно частичное связывание этих параметров. Например, при ручной настройке полосы разрешения и полосы видеосигнала время развертки может подстраиваться автоматически.

При ручной настройке этих параметров, если минимальное время развертки не обеспечивается, то обычно выводится предупреждение (UNCAL на рисунке 2 в верхнем левом углу).

При использовании фильтров БПФ длительность переходного процесса заменяется временем наблюдения, необходимым для заданного разрешения (уравнение 4 в разделе 3.1). В отличие от времени развертки при использовании аналоговых или цифровых фильтров, время наблюдения не зависит от полосы обзора, поэтому даже если бы полоса обзора была увеличена, время наблюдения при постоянном разрешении не увеличивается. Таким образом, время наблюдения как функция от разрешения (желтый график), показанная на рисунке 1, не зависит от полосы обзора.

На практике большие полосы обзора делятся на несколько поддиапазонов. При заданном разрешении для каждого поддиапазона требуется соответствующее время наблюдения. Общее время наблюдения прямо пропорционально количеству поддиапазонов. Таким образом, реальное время измерения значительно больше ожидаемого в теории. На рисунке 1 показано время развертки, которое может быть достигнуто с помощью современного анализатора спектра, использующего БПФ-фильтры. На нем ясно видно, что фильтры БПФ позволяют значительно сократить время развертки при больших отношениях полосы обзора к полосе разрешения, особенно при использовании очень узких полос разрешения.

В современных анализаторах спектра ширина полосы видеосигнала (VBW) также может быть связана с полосой разрешения (RBW). При изменении полосы пропускания сигнала ПЧ (RBW) ширина полосы видеосигнала подстраивается автоматически. Коэффициент связи (соотношение между полосой разрешения и полосой видеосигнала) зависит от режима применения и, следовательно, должен быть установлен пользователем (смотрите раздел 4.3). Помимо значения, задаваемого пользователем, часто доступны следующие варианты:

Синусоидальный сигнал	RBW / VBW = 0,3 ... 1
Импульсный сигнал	RBW / VBW = 0,1
Шум	RBW / VBW = 10

По умолчанию полоса пропускания видеосигнала обычно выбирается так, чтобы максимальное усреднение с помощью видеофильтра достигалось без увеличения требуемого времени развертки. При коэффициенте пропорциональности k = 2,5 (уравнение 1) ширина полосы видеофильтра должна быть, по крайней мере, равна полосе разрешения (RBW / VBW = 1). Если фильтр ПЧ реализован в цифровом виде, коэффициент пропорциональности k = 1 может быть достигнут посредством соответствующей компенсации, описанной выше, а минимальное требуемое время развертки может быть уменьшено в 2,5 раза. Чтобы обеспечить достижение видеофильтром установившегося состояния, несмотря на уменьшенное время развертки, выбранная полоса пропускания видеосигнала должна быть примерно в три раза больше, чем полоса разрешения (RBW / VBW = 0,3).

4.6.2 Опорный уровень (reference level) и ослабление РЧ сигнала (RF attenuation)

Анализаторы спектра позволяют проводить измерения в очень широком диапазоне уровней, который ограничивается с одной стороны собственным шумом и максимально допустимым входным уровнем с другой стороны (смотрите раздел 5.1 и раздел 5.4). В современных анализаторах этот диапазон уровней может простираться от -147 дБм до +30 дБм (при полосе разрешения 10 Гц), таким образом, охватывая почти 180 дБ. Однако достичь эти две границы диапазона одновременно невозможно, поскольку они требуют разных настроек, а динамический диапазон логарифмических усилителей, детекторов огибающей и аналого-цифровых преобразователей в любом случае намного меньше. В пределах всего диапазона уровней может использоваться только определенное окно, которое пользователь должен адаптировать к конкретному типу измерений, выбрав опорный уровень (reference level, максимальный уровень сигнала, который должен отображаться на дисплее). Ослабление РЧ сигнала a_рч и усиление сигнала ПЧ g_пч подстраиваются в зависимости от опорного уровня.

Чтобы избежать перегрузки или даже повреждения первого смесителя и последующих каскадов обработки, входные сигналы с высокими уровнями должны ослабляться аттенюатором, входящим в состав анализатора (рисунок 3). Ослабление, необходимое для конкретного опорного уровня, зависит от динамического диапазона первого смесителя и последующих блоков. Уровень на входе первого смесителя (т.е. уровень смесителя) должен быть заметно ниже точки компрессии 1 дБ. Из-за нелинейностей при увеличении уровня сигнала на входе смесителя уровни продуктов преобразования, формируемых в анализаторе спектра, увеличиваются непропорционально. Если уровень сигнала на входе смесителя слишком большой, эти продукты преобразования могут вызывать помехи на отображаемом спектре, и поэтому так называемый диапазон, свободный от продуктов интермодуляции, уменьшится, т.е. верхняя граница динамического диапазона анализатора опустится.

Рисунок 3 Автоматическая подстройка ослабления РЧ сигнала и усиления сигнала ПЧ к максимальному уровню сигнала, отображаемому на дисплее (максимальный уровень сигнала = опорный уровень) — Рисунок 3a – Автоматическая подстройка ослабления РЧ сигнала и усиления сигнала ПЧ к максимальному уровню сигнала, отображаемому на дисплее (максимальный уровень сигнала = опорный уровень) – сильный входной сигнал

Если ослабление РЧ сигнала слишком велико, что приводит к слишком низкому уровню сигнала на входе смесителя, отношение сигнал/шум входного сигнала будет излишне уменьшено. В результате, как показано на рисунке 4, получаемый в итоге динамический диапазон уменьшается из-за более высокого уровня шума. На рисунке 5 показано влияние уровня сигнала на входе смесителя при входном сигнале, состоящем из одной синусоиды (смотрите раздел 5.2 «Нелинейность»).

Рисунок 4 Динамический диапазон, ограниченный минимальным уровнем шума, как функция от уровня сигнала на входе смесителя — Рисунок 4 – Динамический диапазон, ограниченный минимальным уровнем шума, как функция от уровня сигнала на входе смесителя

Рисунок 5a Входной сигнал, состоящий из одной синусоиды: динамический диапазон уменьшается из-за слишком высокого уровня сигнала на входе смесителя — Рисунок 5a – Входной сигнал, состоящий из одной синусоиды: динамический диапазон уменьшается из-за слишком высокого уровня сигнала на входе смесителя

Рисунок 5b Входной сигнал, состоящий из одной синусоиды: динамический диапазон уменьшается из-за слишком низкого уровня сигнала на входе смесителя — Рисунок 5b – Входной сигнал, состоящий из одной синусоиды: динамический диапазон уменьшается из-за слишком низкого уровня сигнала на входе смесителя

Рисунок 5c Входной сигнал, состоящий из одной синусоиды: для сравнения, динамический диапазон, достигаемый при оптимальном уровне сигнала на входе смесителя — Рисунок 5c – Входной сигнал, состоящий из одной синусоиды: для сравнения, динамический диапазон, достигаемый при оптимальном уровне сигнала на входе смесителя

Чтобы получить полный динамический диапазон логарифмического усилителя и детектора огибающей (при использовании аналоговых фильтров ПЧ) или аналого-цифрового преобразователя (при использовании цифровых фильтров ПЧ), уровень сигнала на последней ПЧ соответствующим образом усиливается с помощью усилителя ПЧ. Коэффициент усиления выбирается таким образом, чтобы сигналы, достигающие опорного уровня, вызывали полную загрузку логарифмического усилителя, детектора огибающей (при индикации уровней в линейном масштабе) или АЦП (при использовании цифровых фильтров ПЧ). Следовательно, коэффициент усиления сигнала ПЧ устанавливается косвенно через опорный уровень, хотя он также зависит и от выбранного значения аттенюатора. При поддержании опорного уровня на постоянном значении, при увеличении ослабления РЧ сигнала коэффициент усиления сигнала ПЧ должен быть увеличен (смотрите g_пч,1 и g_пч,2 на рисунке 4).

Если уровень входного сигнала, который необходимо вывести на дисплей, превышает опорный уровень, это может вызвать перегрузку. Коэффициент усиления сигнала ПЧ в этом случае необходимо уменьшить за счет увеличения опорного уровня.

Связь между опорным уровнем и ослаблением РЧ сигнала

В современных анализаторах спектра, ослабление РЧ сигнала может быть привязано к настройке опорного уровня. Критерий этой связи – максимальный уровень на входе смесителя, достигаемый при входном сигнале, соответствующем опорному уровню. Таким образом, уровень сигнала на входе смесителя, достигаемый при полной загрузке, (т.е. максимальный уровень смесителя при сохранении нелинейных искажений на допустимом уровне) определяется как разница между опорным уровнем и ослаблением РЧ сигнала. Применима следующая формула:

\[\large L_{см} = L_{вх,max} - a_{рч} = L_{опор} - a_{рч} \qquad (2)\]

где

L_см – уровень на входе первого смесителя при полной загрузке, дБм;
L_вх,max – уровень входного сигнала, вызывающий полную загрузку, (максимальный входной уровень при сохранении нелинейных искажений на допустимом уровне), дБм;
L_опор – опорный уровень, дБм;
a_рч – ослабление РЧ сигнала, устанавливаемое аттенюатором, дБ.

При выборе уровня сигнала на входе смесителя необходимо найти компромисс между низким отношением сигнал/шум и низким уровнем искажений. Для того, чтобы оптимизировать уровень сигнала на входе смесителя для конкретных измерений, некоторые анализаторы позволяют пользователю свободно выбирать уровень смесителя для заданного опорного уровня. Часто в анализаторах предоставляются предварительно заданные настройки этой связи:

Низкое отношение сигнал/шум

Чем ниже ослабление РЧ сигнала, тем меньше снижается отношение сигнал/шум на входе первого смесителя. Для низкого отображаемого уровня шума требуется высокий уровень сигнала на входе смесителя (смотрите раздел 5.1 «Собственный шум»).

Низкие искажения

Чем ниже уровень сигнала на входе смесителя, тем меньше искажения, создаваемые анализатором спектра из-за нелинейностей. В этом режиме ослабление РЧ сигнала выше (смотрите раздел 5.2 «Нелинейность»).

В таблице 1 показаны некоторые типовые настройки ослабления ВЧ сигнала и усиления сигнала ПЧ при заданных значениях опорного уровня для различных режимов работы. Пример показывает, что даже при очень низких опорных уровнях ослабление РЧ сигнала всегда устанавливается не менее 10 дБ. Таким образом, выполняется защита первого смесителя, и достигается хорошее согласование по входу. Так достигается более высокая точность измерения абсолютных уровней (смотрите раздел 5.10.1 «Компоненты ошибки»). В этом примере ослабление РЧ сигнала может быть установлено на максимум 70 дБ, а усиление сигнала ПЧ – на максимум 50 дБ.

Таблица 1. Пример настройки ослабления РЧ сигнала и усиления сигнала ПЧ на заданных значениях опорного уровня (максимальное усиление сигнала ПЧ – 50 дБ, максимальное ослабление РЧ сигнала – 70 дБ)
Уровень сигнала на входе смесителя	–40 дБм (низкие искажения)		–30 дБм (нормальный режим)		–20 дБм (низкий шум)
Опорный уровень	Ослабление РЧ сигнала	Усиление сигнала ПЧ	Ослабление РЧ сигнала	Усиление сигнала ПЧ	Ослабление РЧ сигнала	Усиление сигнала ПЧ
+30 дБм	70 дБ	30 дБ	60 дБ	20 дБ	50 дБ	10 дБ
+20 дБм	60 дБ	30 дБ	50 дБ	20 дБ	40 дБ	10 дБ
+10 дБм	50 дБ	30 дБ	40 дБ	20 дБ	30 дБ	10 дБ
0 дБм	40 дБ	30 дБ	30 дБ	20 дБ	20 дБ	10 дБ
–10 дБм	30 дБ	30 дБ	20 дБ	20 дБ	10 дБ	10 дБ
–20 дБм	20 дБ	30 дБ	10 дБ	20 дБ	10 дБ	20 дБ
–30 дБм	10 дБ	30 дБ	10 дБ	30 дБ	10 дБ	30 дБ
–40 дБм	10 дБ	40 дБ	10 дБ	40 дБ	10 дБ	40 дБ
–50 дБм	10 дБ	50 дБ	10 дБ	50 дБ	10 дБ	50 дБ
–60 дБм	10 дБ	50 дБ	10 дБ	50 дБ	10 дБ	50 дБ
–70 дБм	10 дБ	50 дБ	10 дБ	50 дБ	10 дБ	50 дБ
–80 дБм	10 дБ	50 дБ	10 дБ	50 дБ	10 дБ	50 дБ
–90 дБм	10 дБ	50 дБ	10 дБ	50 дБ	10 дБ	50 дБ
–100 дБм	10 дБ	50 дБ	10 дБ	50 дБ	10 дБ	50 дБ

4.6.3 Перегрузка

При использовании анализатора спектра следует быть осторожным, чтобы избегать перегрузки слишком высокими уровнями входных сигналов. Перегрузка может произойти в нескольких точках тракта прохождения сигнала. Чтобы избежать её, необходимо правильно установить как ослабление РЧ сигнала, так и опорный уровень (усиление сигнала ПЧ). Ниже описаны критические компоненты и критерии, которые необходимо соблюдать.

Первый смеситель

Чтобы охватить нижний частотный диапазон (до 3 ГГц, в случае описываемого здесь анализатора), во входной РЧ части обычно используется принцип высокой первой промежуточной частоты. Если в анализаторе спектра перед первым смесителем нет узкополосного преселектора, сигналы могут поступать на первый смеситель во всем диапазоне входных частот (до 3 ГГц в нашем примере) независимо от отображаемой на дисплее полосы обзора (span). Таким образом, смеситель может быть перегружен сигналами, лежащими далеко за пределами полосы обзора. В зависимости от полосы обзора, выбранной для отображения на дисплее, создаваемые из-за этой перегрузки побочные колебания (гармоники высших порядков) могут искажать показываемый спектр (рисунки 6 и 7).

Рисунок 6 Высшие гармоники входных сигналов, генерируемые в первом смесителе — Рисунок 6 – Высшие гармоники входных сигналов, генерируемые в первом смесителе

Рисунок 7 Изображение на дисплее анализатора спектра при подаче на вход синусоидального сигнала с f = 520 МГц — Рисунок 7a – Изображение на дисплее анализатора спектра при подаче на вход синусоидального сигнала с f = 520 МГц

Рисунок 7 Вторая гармоника с f = 1040 МГц, создаваемая в первом смесителе, появляется на изображении, даже если основная частота сигнала не содержится в отображаемом спектре (b) — Рисунок 7b – Вторая гармоника с f = 1040 МГц, создаваемая в первом смесителе, появляется на изображении, даже если основная частота сигнала не содержится в отображаемом спектре

Чтобы избежать перегрузки, уровень смесителя, т.е. общий уровень сигнала на входе первого смесителя должен быть ниже точки компрессии 1 дБ смесителя. Данный параметр указывается в техническом описании конкретного анализатора спектра (смотрите раздел 5.4). Как было описано в разделе 4.6.2, уровень смесителя устанавливается с помощью аттенюатора. Некоторые современные анализаторы спектра оснащены детектором перегрузки перед первым смесителем, и поэтому в случае перегрузки может отображаться предупреждение.

Если входная часть анализатора спектра оснащена узкополосным отслеживающим преселектором, риск перегрузки анализатора сигналами за пределами отображаемого спектра значительно снижается. Анализатор, описанный в этой книге, в тракте прохождения сигнала для диапазона частот от 3 ГГц до 7 ГГц содержит узкополосный преселектор в виде следящего ЖИГ-фильтра (YIG-фильтр, фильтр на основе резонатора из железо-итриевого граната). Если из этого частотного диапазона выводится на дисплей только небольшая полоса обзора, первый смеситель может быть перегружен только сигналами в пределах отображаемого спектра или близкими к нему. Из-за ограниченной избирательности ЖИГ-фильтра входные сигналы за пределами отображаемого спектра должны быть на определенном расстоянии от интересующего диапазона, чтобы они подавлялись фильтром в достаточной степени и не перегружали смеситель (рисунок 8).

Рисунок 8 Подавление входных сигналов за пределами отображаемого спектра с помощью следящего ЖИГ-фильтра — Рисунок 8 – Подавление входных сигналов за пределами отображаемого спектра с помощью следящего ЖИГ-фильтра

Для измерений электромагнитной совместимости, которые часто подразумевают очень большое количество одновременно возникающих спектральных компонентов с высокими уровнями, согласно соответствующим стандартам анализаторы спектра обычно также могут быть оснащены дополнительными узкополосными следящими преселекторами в нижнем входном частотном диапазоне.

Обработка сигнала ПЧ до фильтра разрешения

За первым смесителем следуют каскады обработки аналогового сигнала, такие как усилители ПЧ и каскады преобразования. Эти каскады могут быть перегружены сильными сигналами только в пределах отображаемого спектра или вблизи него. Сигналы вне отображаемого спектра подавляются после первого преобразования последующими фильтрами ПЧ при условии, что расстояние от интересующего частотного диапазона достаточно велико (рисунок 9). Фильтры ПЧ на этапах 1-ой и 2-ой промежуточных частот обычно чрезвычайно широкополосные, поэтому расстояние по частоте, требуемое адекватного затухания, может быть очень большим (часто около 100 МГц).

Рисунок 9 Подавление продуктов преобразования на 1-й ПЧ с помощью фильтра первой промежуточной частоты — Рисунок 9 – Подавление продуктов преобразования на 1-й ПЧ с помощью фильтра первой промежуточной частоты

В отличие от перегрузки первого смесителя, побочные колебания, вызванные перегрузкой компонентов обработки аналогового сигнала ПЧ, не появляются в отображаемом спектре. Они подавляются фильтром ПЧ и последующими узкополосными фильтрами разрешения (рисунок 10).

Рисунок 10 Подавление побочных колебаний, возникающих в компонентах обработки аналоговых сигналов ПЧ — Рисунок 10 – Подавление побочных колебаний, возникающих в компонентах обработки аналоговых сигналов ПЧ

Описываемый здесь анализатор спектра имеет детекторы перегрузки на 2-ой и 3-ей ПЧ (44 и 45) и поэтому может указать на перегрузку блоков аналоговой обработки сигнала ПЧ.

Настраиваемый усилитель ПЧ и последующие блоки

Как уже отмечалось выше, усиление сигнала ПЧ зависит от настройки опорного уровня.

Если сигнал в отображаемом спектре превышает опорный уровень, настраиваемый усилитель ПЧ и последующие блоки обработки сигнала будут перегружены. Их реакция зависит от выбранных настроек. Исходя из структурной схемы анализатора спектра, представленной ниже, возможны следующие случаи:

Использование аналоговых фильтров ПЧ

Превышение опорного уровня вызывает перегрузку логарифмического усилителя (при отображении уровней в логарифмическом масштабе) или перегрузку детектора огибающей (при отображении уровней в линейном масштабе).

Для входного сигнала, уровень которого превышает опорный уровень, измерения выполнить невозможно. Однако эта перегрузка не влияет на измерения уровней слабых сигналов в непосредственной близости от сильного сигнала (рисунок 11). Как показано на структурной схеме, фильтр разрешения состоит из нескольких отдельных звеньев. Звенья фильтра перед настраиваемым усилителем ПЧ обеспечивают подавление сильных входных сигналов за пределами полосы пропускания. Следовательно, побочных колебаний, которые могут исказить отображаемый спектр, не будет.

Рисунок 11 Измерение уровня слабого входного сигнала при наличии очень сильного сигнала при нормальном уровне сигнала (a) и при перегрузке настраиваемого усилителя ПЧ (b). Перегрузка не влияет на результат измерения — Рисунок 11a – Измерение уровня слабого входного сигнала при наличии очень сильного сигнала при нормальном уровне сигнала

Использование цифровых фильтров ПЧ или фильтров БПФ

При использовании цифровых фильтров ПЧ или фильтров БПФ сигнал ПЧ оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя. Если в отображаемом спектре уровень сигнала превышает опорный уровень, аналого-цифровой преобразователь может быть перегружен. В отличие от аналоговых фильтров, в этом случае создаются продукты преобразования, которые становятся видимыми на отображаемом спектре (рисунок 12).