Рекомендации по повышению точности измерений спектра

№ 1’2018
PDF версия
Советы тем, кто хочет повысить точность измерений и избежать серьезных ошибок при измерении спектра.

Анализатор спектра или анализатор сигналов — главный и практически незаменимый для радиоинженера измерительный прибор, используемый на всех этапах разработки и эксплуатации изделий. На самом общем уровне его можно представить как селективный вольтметр, отображающий среднеквадратичное значение (СКЗ) синусоидального сигнала. Его точность, быстродействие и другие характеристики играют очень важную роль, поскольку они влияют на эффективность тестирования и, следовательно, на качество проектируемой и выпускаемой продукции.

 

Зачем нужны измерения спектра?

Измерения в частотной области имеют большое значение. С их помощью определяются частотные составляющие сигнала. В левой части рис. 1 показано представление сложного сигнала во временной области, а в правой — в частотной. Из показанного на рисунке представления во временной области ясно только то, что исследуемый сигнал не является чисто синусоидальным. А по представлению в частотной области видно, что сигнал складывается из двух синусоид соответствующей частоты и амплитуды.

Связь между представлениями сигнала во временной и частотной областях

Рис. 1. Связь между представлениями сигнала во временной и частотной областях

Таким образом, представление в частотной области чрезвычайно важно для специалистов в области беспроводных технологий, поскольку оно позволяет измерять параметры устройств, систем и сигналов для оценки таких ключевых факторов как линейность, искажения, шумы и паразитные излучения.

 

Сравнение анализаторов спектра и сигналов

Основная задача анализатора спектра — измерение и отображение амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) известных и неизвестных ВЧ- и СВЧ-сигналов. С появлением цифровых технологий обработки сигналов современные анализаторы спектра получили множество новых возможностей. После оцифровки сигнала информация о его фазе и амплитуде сохраняется и может отображаться прибором. Структурная схема прибора показана на рис. 2. Анализатором сигналов, как правило, называется прибор с архитектурой анализатора спектра с полностью цифровым трактом промежуточной частоты (ПЧ), осуществляющим сложную векторную обработку сигналов во временной и частотной областях, например для анализа цифровой модуляции и заданных временных интервалов.

Структурная схема классического анализатора спектра

Рис. 2. Структурная схема классического анализатора спектра

 

Погрешности

При выборе анализатора спектра следует руководствоваться диапазонами амплитуд и частот измеряемых сигналов. Чтобы понять, насколько хорошо прибор станет выполнять эти измерения, следует обратиться к его точностным характеристикам. Все анализаторы спектра при проведении практических измерений обладают различными показателями как по абсолютной, так и по относительной погрешности.

На рис. 3 показаны различия между абсолютными и относительными значениями, которые измеряются с помощью простого и разностного маркеров, соответственно. Например, измерение частоты или уровня мощности несущей (левый пик) является абсолютным, а измерение разности амплитуд несущей и второй гармоники является относительным.

Измерение абсолютных и относительных значений

Рис. 3. Измерение абсолютных и относительных значений

Погрешность по амплитуде

Все современные анализаторы спектра имеют встроенный калибратор, подающий опорный сигнал заданной амплитуды и частоты. Измерение абсолютного значения амплитуды по факту является измерением относительно амплитуды этого опорного сигнала. Чтобы использовать точностные характеристики опорного сигнала для других частот и амплитуд, следует учесть влияние остальных компонентов анализатора. В таблице представлены значения погрешности по амплитуде для ряда компонентов анализаторов спектра.

Таблица. Типовые значения погрешности по амплитуде для компонентов общераспространенных анализаторов спектра

Погрешность по амплитуде (± дБ)

Измерения относительных значений

Погрешность переключения ВЧ-аттенюатора

0,18–0,7

Погрешность АЧХ

0,38–2,5

Погрешность уровня опорного сигнала (аттенюатор ПЧ/регулирование усиления)

0,0–0,7

Погрешность переключения полосы разрешения

0,03–1,0

Погрешность шкалы дисплея

0,07–1,15

Измерения абсолютных значений

Погрешность калибратора

0,24–0,34

В анализаторах спектра используется опорный сигнал 50 МГц. На этой частоте абсолютная погрешность прибора минимальна. Например, высокопроизводительный анализатор сигнала серии Х на опорной частоте обладает минимальной погрешностью по амплитуде ±0,24 дБ.

При выполнении относительных измерений входного сигнала абсолютные значения не играют роли. Предположим, например, что требуется установить, насколько амплитуда определенной гармоники отличается от амплитуды основной гармоники. Наихудшим будет случай, когда амплитуда основной гармоники является наибольшей, а амплитуда выбранной гармоники — наименьшей из всех представленных в отображаемом спектре. Если погрешность измерения абсолютного значения амплитуды каждой гармоники составляет ±0,5 дБ, то погрешность измерения относительного значения вдвое больше, т. е. 1 дБ.

Погрешность по частоте

Абсолютная погрешность по частоте часто описывается как точность отсчета частоты и характеризует центральную частоту и частоты пуска, останова и маркера. Погрешность полосы обзора играет роль только при выполнении относительных измерений.

Погрешность по частоте рассчитывается как сумма погрешностей, перечисленных в техническом описании анализатора. К ним относятся погрешность опорной частоты, погрешность полосы обзора и погрешность центральной частоты полосы разрешения. Современные анализаторы могут измерять частоту с точностью до 0,1%, чего вполне достаточно для беспроводных систем связи и разных приложений.

 

Как повысить точность измерений?

Прежде чем начать любое измерение, следует проверить, не изменилось ли состояние основных настроек тракта — ВЧ-аттенюатора, полосы разрешения или уровня опорного сигнала. Если это так, то в результат измерения попадут все связанные с этими установками погрешности. В некоторых случаях можно снизить одну погрешность за счет другой. Например, можно выбрать такое сочетание настроек уровня опорного сигнала и шкалы дисплея, при котором обеспечивается максимальная точность. Рассмотрим ряд полезных советов о том, как обеспечить точные измерения спектра.

Входной сигнальный тракт

Следует уделить особое внимание элементам, соединяющим тестируемое устройство (ТУ) с анализатором, т. е. кабелям (длина, тип, качество кабеля и разъемов) и адаптерам, показанным на рис. 4. Эти элементы сигнального тракта могут ухудшить или изменить исследуемый сигнал. Для устранения таких нежелательных эффектов применяется встроенная функция коррекции амплитуды при использовании источника сигнала и измерителя мощности. Данная процедура смещает эталонную плоскость от входного разъема анализатора к ТУ. Поправочные значения для различных комбинаций кабелей и адаптеров можно сохранять.

Качество соединения тестируемого устройства (ТУ) с анализатором может оказать значительное влияние на точность и воспроизводимость измерений, что особенно важно с повышением частоты

Рис. 4. Качество соединения тестируемого устройства (ТУ) с анализатором может оказать значительное влияние на точность и воспроизводимость измерений, что особенно важно с повышением частоты

Уход за разъемами

Правильное обращение с разъемами, включая соблюдение заданного момента затяжки, обеспечивает минимальные потери, хорошее согласование импедансов и воспроизводимость измерений, особенно на высоких частотах.

Использование аттенюаторов для лучшего согласования

Для уменьшения погрешности рассогласования следует улучшить значения коэффициента согласования и коэффициентов отражения источника сигнала и анализатора. Следует избегать установки входного аттенюатора анализатора на 0 дБ, поскольку при такой настройке рассогласование является максимальным. Для наиболее точного измерения амплитуды входной аттенюатор устанавливается не менее чем на 10 дБ.

Повышение чувствительности при измерении низкоуровневых сигналов

Для измерения низкоуровневых сигналов следует повысить чувствительность анализатора. С этой целью входное ослабление минимизируется, сужается полоса разрешающих фильтров и используется предусилитель. В результате уменьшается средний уровень собственных шумов системы (DANL), и появляется возможность выделить слабые сигналы на фоне шума, что обеспечивает точное измерение. Максимальной чувствительности можно добиться, используя малошумящий предусилитель с высоким коэффициентом усиления.

Измерения модулированных сигналов

При измерении модулированных сигналов следует установить полосу обзора такой, чтобы она захватывала боковые полосы исследуемого спектра. В противном случае мощность сигнала измеряется неточно, поскольку измерение не охватывает весь спектр. Разумным решением является интеграция результатов измерений, выполненных во многих точках спектра, с узкой полосой разрешения, что очень удобно при работе с близко расположенными по частоте сигналами с цифровой модуляцией.

Погрешность по частоте

Точность индикации частоты маркера зависит от калибровки отображения частоты на дисплее, положения маркера на дисплее и выбранного количества отображаемых точек. Сужение полос обзора и уменьшение разрешения по полосе пропускания минимизирует влияние этих факторов и облегчает установку маркера на пик в спектре.

Скорость развертки

Скорость развертки обычно пропорциональна квадрату полосы разрешающего фильтра. Чем шире последняя, тем быстрее происходит свипирование по сравнению с настройкой более узкой полосы разрешения.

Точность калибратора

Вместо встроенного калибратора рекомендуется использовать более стабильный внешний калибратор или с частотой, приближенной к частоте исследуемого сигнала.

Продолжительность прогрева

Прежде чем выполнить измерения сразу после включения прибора, следует знать, что его характеристики зависят от продолжительности прогрева. Например, анализатор Keysight серии X требует пятиминутного прогрева для соответствия характеристикам, указанным производителем.

 

Заключение

Ни один прибор в мире не может измерять с абсолютной точностью. В результатах измерений всегда присутствует погрешность. Чем она меньше, тем точнее прибор. Для правильного выполнения измерений крайне необходимо знать о существовании погрешности, уметь ее оценивать и учитывать. Сочетание оптимальных способов выполнения измерений с полезными функциональными особенностями анализатора поможет минимизировать ошибки и ускорить тестирование.

Подробнее об оптимизации анализаторов спектра или сигналов для более точного и быстрого выполнения измерений см. в [1].

Литература
  1. http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5952–0292.pdf.(ссылка утеряна)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.