Como tornar caro um analisador de espectro barato. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Se for necessário avaliar a largura de banda do sinal emitido, a instabilidade da frequência de operação, a supressão de emissões fora de banda e espúrias, a distorção do sinal de banda base do rádio transmissor, o que fazemos? Isso mesmo, pegue seu analisador de espectro (AC) HP 8560 série E e meça tudo o que você precisa! Mas deixa eu te falar, eu não tenho HP, eu tenho o analisador mais comum da produção mais nacional do mundo! Neste caso, você concordará comigo que a sensibilidade de um analisador de espectro nunca é muito alta! A sensibilidade, francamente, nem sempre é suficiente, porque. lidar com sinais muito pequenos. A segunda coisa com a qual você certamente concordará é que sempre há pouca faixa dinâmica, você sempre quer mais! Uma grande faixa dinâmica é necessária ao observar o espectro de um sinal na presença de interferência muito forte ou outro sinal. Na maioria das vezes, esse problema surge ao avaliar o nível do segundo ou terceiro harmônico do sinal do transmissor.

Estudar as brochuras de fabricantes eminentes de equipamentos de medição, às vezes torna-se uma vergonha para o seu próprio analisador. Então, para ter algo para responder aos "imperialistas", vamos compartilhar com vocês algumas dicas e recomendações sobre como alcançar a sensibilidade e o alcance dinâmico necessários para resolver problemas que apenas caros dispositivos importados podem fazer.

Gama dinâmica

A faixa dinâmica de qualquer dispositivo receptor ativo é estimada por algum parâmetro predeterminado que caracteriza as várias distorções que ocorrem neste dispositivo quando um sinal de RF passa por ele. Em outras palavras, essa é a diferença entre os valores máximo e mínimo dos níveis de sinal em que ainda não é observada distorção. A razão para essas distorções é a não linearidade do caminho de amplificação do dispositivo em questão. Existem diferentes tipos de não linearidade, portanto, diferentes características são usadas para estimar a faixa dinâmica. As características mais importantes são a faixa dinâmica linear e a faixa dinâmica IMD de 3ª ordem no ponto IP3 (Fig. 1). Ao considerar ambos, não se pode prescindir do uso de tal conceito como uma característica de amplitude, pela qual se pode julgar o grau de distorção não linear.

Pic.1

A característica de amplitude generalizada (AC) do dispositivo em consideração é apresentada em escala logarítmica dupla na Fig. 1 (curva 1). O sinal mínimo detectável é considerado 3 dB acima do ruído inerente ao dispositivo. Portanto, o início da seção linear da característica abaixo é considerado o ponto no AX, correspondendo a um excesso de ruído próprio na saída em 3 dB, e a entrada mínima correspondente P_em.min e saída R_{saída mín.} poder.

O limite superior da seção linear do AX é o ponto em que a característica real se desvia do ideal (linear) em 1 dB. Este ponto corresponde à entrada Р_1dBv e saída R_1dBout poder de saturação (ponto de compressão). A diferença (em decibéis) entre a potência de entrada de saturação e a potência mínima do sinal de entrada determina a faixa dinâmica linear.

Como é sabido, o efeito de qualquer mudança de sinal em um elemento não linear é o enriquecimento de seu espectro - harmônicos e componentes de frequência de combinação aparecem. Ao estudar o espectro de sinais, muitos problemas são causados ​​por frequências combinadas de ordens ímpares que caem diretamente na banda do sinal em estudo. Os componentes combinacionais de terceira ordem mais perigosos, ou seja, os componentes nas frequências 2f1-f2 e 2f2-f1, onde f1 e f2 são os dois componentes espectrais mais significativos do sinal de entrada (por exemplo, portadora e lado, primeiro e segundo harmônicos , sinal e forte interferência e etc.). Vamos considerar o efeito nocivo dos componentes combinacionais de terceira ordem em um típico, em relação ao problema em consideração, por exemplo - medir o nível de oscilações laterais do transmissor. Na fig. 2 mostra as distorções combinacionais do espectro do sinal na saída do transmissor.

Pic.2

No caso em que a razão entre o nível do segundo harmônico e do primeiro harmônico é pequeno o suficiente, existe o perigo de ultrapassar o limite da seção linear da amplitude característica do caminho de amplificação do analisador, uma vez que tentando ver sinais fracos de harmônicos mais altos, aumentamos excessivamente (em relação a um primeiro harmônico forte) o ganho do dispositivo. Então, como resultado da influência de um sinal poliharmônico (contendo dois ou mais componentes espectrais) no caminho não linear, surgem componentes espectrais combinacionais, dois dos quais (no caso mais simples, levando em consideração apenas os componentes combinacionais do primeiro e segundo harmônico e desprezando o resto) nas frequências 2f1-f2 e 2f2-f1 caem diretamente na banda de operação do sinal em estudo. Deve-se notar aqui que componentes de combinação de terceira ordem não surgem com nenhum tipo de não linearidade (eles não surgem com não linearidade quadrática). Na fig. 2, essas frequências de combinação são destacadas em negrito. Pode-se ver que a componente 2f2-f1 cai na frequência do terceiro harmônico e distorce seu valor verdadeiro. Como resultado, o observador tira conclusões errôneas sobre o espectro do sinal!

É conveniente determinar o valor da faixa dinâmica a partir de distorções combinacionais de terceira ordem usando a curva 2 na Fig. 1, que mostra a dependência do nível de dados dos componentes combinacionais no nível do sinal de entrada. As extensões das partes lineares da característica de afinação e a frequência de combinação de terceira ordem se cruzam em um ponto chamado ponto de potência característico (ou ponto de compressão) da distorção de terceira ordem IP3. Corresponde à entrada (P_IP3in) e saída (P_IP3out.) poderes característicos de distorção de terceira ordem.

A faixa dinâmica para distorções combinacionais de terceira ordem (por ponto IP3) é definida como a diferença entre a potência de entrada correspondente à ausência de distorção e a potência do sinal de entrada mínimo. Quanto maior o ponto IP3, maior a faixa dinâmica, respectivamente.

Segue-se do exposto que a faixa dinâmica pode ser determinada de acordo com diferentes critérios. Na prática, é exatamente isso que é feito, e então, de acordo com os resultados, o pior valor é considerado o valor da faixa dinâmica.

Dê sensibilidade!

Para aumentar a sensibilidade dos alto-falantes, ou seja, para fornecer a capacidade de processar sinais de baixo nível sem entrar no dispositivo, basta colocar um pré-amplificador na frente de sua entrada. Uma série de perguntas surgem imediatamente. A primeira questão é qual amplificador usar, quais devem ser seus principais parâmetros: ganho (doravante denominado simplesmente ganho), figura de ruído e faixa dinâmica. A segunda questão, não menos importante, é como a inclusão de um pré-amplificador na entrada CA afeta o funcionamento de todo o circuito. Tentaremos responder a essas perguntas para que você possa escolher o amplificador certo para sua aplicação.

Ao usar pré-amplificadores, lembre-se sempre de que o nível máximo de sinal na entrada do pré-amplificador não deve exceder o nível máximo de sinal permitido na entrada do analisador de espectro, menos o ganho do pré-amplificador.

Para simplificar a explicação, usaremos um exemplo específico. Suponha que nosso analisador de espectro tenha uma figura de ruído de -30dB e que o ponto de distorção combinacional de terceira ordem IP3 seja +10dBm. Vamos descobrir como diferentes tipos de pré-amplificadores afetam as características do circuito de medição. A Figura 3 mostra o diagrama de conexão do pré-amplificador ao analisador.

Pic.3

Digamos que o ganho do pré-amplificador seja 20dB, a figura de ruído seja 6dB e o ponto IP3 seja +15dBm. É necessário determinar a figura de ruído e a faixa dinâmica do circuito mostrado na Figura 3. Para calcular a figura de ruído do circuito na Fig. 3, usamos a fórmula para dispositivos em cascata:

Ш = Ш1+(Ш2-1)/К1 +(ШЗ-1)/К1К2, (1)

em que:

• W - figura de ruído (em tempos);
• W1 - figura de ruído (em tempos) do primeiro dispositivo na conexão em cascata;
• W2 - fator de ruído (em tempos) do segundo dispositivo na conexão em cascata;
• K1 - ganho (em tempos) do primeiro dispositivo na conexão em cascata;
• K2 - ganho (em tempos) do segundo dispositivo na conexão em cascata.

A figura de ruído (em tempos) está relacionada à figura de ruído em decibéis da seguinte forma:

N = 10log(f)

Figura de ruído (em tempos) para o circuito da Fig. 3, calculado pela fórmula (1). é igual a 13,99.

De fato:

Ш = 4+ 1000 -1/100 = 13,99 Vamos expressar esse fator de ruído em decibéis: 10log(13.99) = 11,5 dB.

Assim, conectar um pré-amplificador nos permitiu reduzir a figura de ruído do analisador de espectro em 18,5 dB, o que, de fato, era o que estávamos tentando alcançar.

Agora vamos ver como o pré-amplificador afetará o ponto IP3. A Tabela 1 mostra a relação entre o ponto IP3 do pré-amplificador e a redução do valor do ponto IP3 para o circuito da Fig. 3. Os dados da Tabela 1 correspondem ao pior caso, quando o nível dos componentes combinacionais do próprio analisador é máximo. A coluna da esquerda da tabela indica o excesso do ponto IP3 do pré-amplificador sobre o ponto IP3 do analisador.

Tabela 1

No nosso exemplo: Pré-amplificador IP3 +15dBm e analisador de espectro IP3 -+10dBm, a diferença é de 5dB. Os valores mais próximos da diferença na tabela. 1-6 dB e 3 dB. A redução IP3 é de 3,5dB e 4,6dB, respectivamente. No nosso caso, a queda de IP3 calculada por interpolação linear entre esses valores é de 3,9 dB. Ou seja, o ponto IP3 do circuito da Fig. 3 corresponderá a +6,1 dBm.

Isso significa que na entrada do pré-amplificador, o ponto IP3 será 20 dB menor, o que corresponde a -13,9 dBm.

Assim, ao adicionar um pré-amplificador, melhoramos a capacidade do analisador de espectro de lidar com sinais de baixo nível e degradamos seu desempenho na região de grande sinal. Isso não é surpreendente, pois com a conexão do pré-amplificador, mais um dispositivo não linear com uma faixa dinâmica longe de infinita foi adicionado ao circuito de medição. A Tabela 1 mostra que quanto maior for o excesso de IP3 do pré-amplificador sobre o IP3 do analisador, menor será a queda do IP3 de todo o circuito. Por exemplo, para um valor de diferença de 20 dB, a queda no IP3 é de apenas 0,8 dB. Assim, a utilização de um pré-amplificador com uma faixa dinâmica muito maior do que a faixa dinâmica do analisador de espectro é mais preferível, pois permite evitar quase completamente uma redução na faixa dinâmica de todo o circuito de medição.

Em alguns casos, para obter um bom ganho, torna-se necessário conectar vários pré-amplificadores em série. Considere o que acontece quando você coloca em cascata dois pré-amplificadores antes de um analisador de espectro. Vamos analisar o circuito mostrado na Fig.4.

Pic.4

Ambos os pré-amplificadores têm as mesmas características mostradas na Fig. 4. O ganho total dos pré-amplificadores é de 40dB (10000 vezes). A figura de ruído total é:
W \u4d 4 + (1-100) / 1000 + (1 - 10000) / 4.13 \uXNUMXd XNUMX;
Em decibéis, é 10log(4,13) = 6,17 dB. Assim, a figura de ruído é reduzida por
30 dB - 6,17 dB = 23,8 dB.

Agora vamos calcular a diminuição do IP3. Ambos os amplificadores têm o mesmo valor IP3 de +30 dBm. De acordo com a Tabela. 1, com uma diferença de 0 dB, a redução do IP3 na saída do pré-amplificador 2 é de 6 dB. Assim, IP3 na saída do pré-amplificador 2 é igual a
30 dBm + (-6 dB) = +24 dBm.

Isso é 14 dB a mais que o valor IP3 do analisador de espectro. Mais uma vez, olhe para a mesa. 1 e obter por interpolação entre os valores mais próximos: -2,4 dB para 10 dB e -1,4 dB para 15 dB, o valor de -1,6 dB. Calcule o valor IP3 para o analisador
+10 dBm + (-1,6 dB) = +8,4 dBm.

Descobertas. Assim, a sensibilidade do analisador ao usar um pré-amplificador melhora e a faixa dinâmica geralmente se deteriora, e quanto menos a faixa dinâmica do pré-amplificador exceder a faixa dinâmica do próprio analisador, mais forte ele será. Pré-amplificadores podem ser usados ​​para analisar sinais fracos. O uso de pré-amplificadores deve ser evitado ao analisar sinais fortes, bem como ao analisar sinais fracos na presença de ruído forte.

Dê faixa dinâmica!

Como mencionado acima, o perigo de ir além da faixa dinâmica é maior ao avaliar o nível do segundo ou terceiro harmônico do sinal do transmissor, ou seja, quando o primeiro harmônico é uma interferência forte, levando ao aparecimento de componentes de combinação com o harmônico em estudo. Vamos considerar como esse fenômeno desagradável pode ser eliminado e o nível harmônico pode ser medido.

Este problema pode ser resolvido usando um filtro notch na entrada do analisador de espectro, que suprime a portadora enquanto o segundo ou terceiro harmônico entra na banda passante. Na realidade, a faixa dinâmica do analisador não é expandida, mas sim a diferença entre os sinais de entrada observados é reduzida.

É importante lembrar que o nível máximo de sinal de entrada especificado para o analisador de espectro não deve ser excedido. O nível de entrada máximo declarado não deve ser confundido com o ponto de compressão de 1dB ou o ponto IP3. O nível máximo de sinal de entrada permitido é o nível no qual o atenuador de entrada ou mixer permanece dentro dos limites operacionais aceitáveis. O ponto IP3 é normalmente 10 a 15 dB mais alto que o ponto de compressão de 1 dB.

Considere o circuito da Fig.5.

Pic.5

O atenuador é usado para limitar a saída do transmissor a um nível seguro para a operação do analisador. Suponha que o nível máximo de entrada do analisador seja +30 dBm, o ponto de compressão de 1 dB seja 0 dBm e a potência de saída do transmissor seja 100 W (50 dBm). Se a atenuação no atenuador instalado entre o transmissor e o analisador de espectro for de 20 dB, então o nível do sinal na entrada do analisador é igual ao máximo permitido. É melhor usar um atenuador de 30 dB, o que nos dará 10 dB de headroom.

Suponha que a faixa dinâmica do analisador de espectro seja de 70 dB. Isso significa que podemos medir os níveis de dois sinais se a diferença entre eles não exceder 70 dB. Além disso, o nível do sinal maior deve estar alguns decibéis abaixo do ponto de compressão de 1 dB ou do ponto IP3 do analisador.

Vamos considerar um exemplo quando precisamos medir os níveis da segunda harmônica e das harmônicas mais altas do sinal em estudo em relação à portadora. Suponha que o nível do segundo harmônico esteja 80 dB abaixo do nível da portadora. A faixa dinâmica do analisador é de 70 dB, portanto, os harmônicos do sinal estudado serão distorcidos pela combinação de componentes de ordens ímpares.

Para contornar essa dificuldade, instalamos um filtro entre o atenuador e o analisador para diminuir o nível da portadora e introduzir perdas mínimas no segundo harmônico. Para que nossas medições sejam precisas, precisamos conhecer as perdas causadas pelo filtro notch na frequência do segundo harmônico. Pode ser um filtro ressonador ou LC, este último é bastante pequeno e conveniente em comparação com os filtros ressonadores convencionais. Como regra, 20...30 dB de supressão de portadora são suficientes, portanto, fazer e configurar um filtro LC compacto não é difícil.

Primeiro, determinamos as perdas no filtro, para isso o gerador de sinal e o analisador de espectro são sintonizados na frequência da portadora. Então, de acordo com as leituras do analisador, o filtro é ajustado para a supressão máxima de portadora. Em seguida, o gerador de sinal é sintonizado na frequência do segundo harmônico e o nível do sinal é ajustado para 0 dBm. De acordo com as leituras do analisador, determinamos as perdas no filtro. Por exemplo, se o analisador for -3 dBm, a perda do filtro será de 3 dB.

Agora determinamos o valor do segundo harmônico. Vamos montar a instalação mostrada na Fig.6.

Pic.6

Colocamos um filtro notch e o configuramos para supressão máxima de portadora. Agora, aumentando a sensibilidade do analisador de espectro, aumentando o ganho do amplificador de entrada, determinamos o nível do segundo harmônico do sinal. Suponha que o nível do segundo harmônico seja -60 dBm e a perda do filtro nesta frequência seja 3 dB. Portanto, o nível de segundo harmônico verdadeiro é -60 dBm - (-3 dBm) = -57 dBm. Como o nível da portadora é +20 dBm, o nível do segundo harmônico está 77 dB abaixo do nível da portadora.

A precisão de tais medições depende de muitos fatores, por exemplo, perdas nos cabos de conexão, etc. Em altas potências, parte da potência pode vazar. Portanto, recomendamos usar cabos de conexão bem blindados para medições e posicionar o transmissor longe do analisador. Usando esta abordagem, resultados de medição muito precisos podem ser alcançados.

Descobertas. A utilização de filtros notch possibilita investigar os espectros de sinais que não se enquadram na faixa dinâmica do analisador de espectro ou sinais na presença de forte interferência, causando o aparecimento de componentes de combinação na banda do sinal em estudo. Nesse caso, a precisão das medições, em grande parte, é determinada pelos parâmetros desses filtros.

Autor: G. Melnikov, Moscou; Publicação: radioradar.net

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