Instrukcja do ćwiczenia nr 23

Instrukcja do ćwiczenia
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.
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
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
(Pout1-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.
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
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 Pin1-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
(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 (IP3,
third order intercept point).
Rys. 7. Produkty intermodulacyjne
Metoda wyznaczania punktu IP3 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:
Rys. 8. Współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych
II. Zagadnienia do przygotowania.
1.
2.
3.
4.
Jednostki miary decybelowej: dB, dBW, dBm, dBc.
Podstawowe parametry analizatora widma.
Podstawowe parametry wzmacniaczy.
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
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. Na podstawie sporządzonej charakterystyki określić moce wejściową i
wyjściową, odpowiednio, Pin1-dB i Pout1-dB, odpowiadające 1 dB spadkowi wzmocnienia
mierzonego w zakresie nieliniowej pracy wzmacniacza, tzw. 1-dB kompresję wzmocnienia.
Moc wejściową należy skalibrować, mierząc bezpośrednio moc wyjściową generatora dla jednego
ustawienia tłumika.
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 IP3.