Современные технологии и системы автоматизированного измерения на СВЧ

Заметим, что при нарушении неравенств, приведенных справа от формул, эти формулы не справедливы, т. к. тогда неправомерно ограничиваться первым порядком по факторам ошибок и заменять arctg(x) на x .

3.2. Первый порядок факторов ошибок, результаты в градусах

Для перевода результатов п. 3.1. в градусы, их нужно помножить на коэффициент 180 / π .

Измерительная калибровка

Компьютерный калибровочный диалог (илл. Осн анал цепей, с. 123)

Калибровочные эталоны (SOLT), кит, файл описаний (илл. Осн анал цепей, с. 121)

201

Виды калибровок (илл. Балло, с. 36)

Механическая и электронная калибровка

Коррекция данных

Уравнения коррекции

Верификация точностей (измерительные линии, специальные нагрузки)

Маркеры Рефлектометрия во временной области (РВО)

203

Типовые измерения

Тестирование полосового фильтра в частотной области (илл. Балло, с. 50)

204

Выше показаны частотные отклики фильтра. Слева вверху отклик пропускания в логарифмическом масштабе амплитуд (внесенные потери), справа – отклик отражения (возвратные потери).

Наиболее общие характеристики измеряемого фильтра это внесенные потери и полоса, показаны на нижнем рисунке с растянутой вертикальной шкалой. Другой общий параметр, который мы можем измерить, есть внеполосная режекция. Это мера того, как хорошо фильтр пропускает сигналы внутри полосы, и в то же время вырезает все другие сигналы вне той же полосы. Возможность тестирующей системы измерять внеполосную режекцию прямо зависит от того, как задан ее динамический диапазон.

Кривая возвратных потерь очень типична, показывает высокое отражение (около 0 дБ) в полосе заграждения, и разумное согласование в полосе пропускания. Большинство пассивных фильтров работают таким образом. Существует специальный класс фильтров, поглощающих как в полосе пропускания, так и в полосе заграждения. Эти фильтры демонстрируют хорошее согласование в широком частотном диапазоне.

Для очень узкополосных приборов, таких как кристаллические фильтры, анализатор цепей должен качать частоту достаточно медленно, чтобы позволить фильтру соответственно реагировать. Если оставить скорость качания такой же большой, могут появиться большие ошибки. Это может случиться с приборами, которые электрически очень длинны. Большое время задержки прибора может быть результатом настройки приемника на более высокие частоты, чем те, что следуют с прибора, что также может обусловить значительные измерительные ошибки.

Тестирование усилителя с помощью мощностной панорамы (илл. Балло, с. 51, с. 51)

205

Многие анализаторы имеют возможность производить качание мощности, наряду с качанием частоты. Качание мощности помогает характеризовать нелинейные свойства усилителя. Выше показана кривая выходной мощности усилителя в функции входной мощности на одной частоте. Усиление усилителя на любом частном мощностном уровне есть наклон этой кривой. Заметим, что усилитель имеет линейную область действия, где усиление постоянно и не зависит от уровня мощности. Усиление в этой области обычно называют «усилением малого сигнала». Когда входная мощность увеличивается, усиление начинает уменьшаться, и говорят, что усилитель сжимается. В этих нелинейных условиях выход усилителя уже не синусоидальный

– часть выходной мощности находится в гармониках, вместо того, чтобы полностью присутствовать только на основной частоте. Когда входная мощность увеличивается еще больше, усилитель становится насыщенным, и выходная мощность остается постоянной. В этой точке усиление, по существу, равно нулю, поскольку дальнейшее увеличение входной мощности не изменяет выходную мощность. Насыщенная выходная мощность может быть считана прямо из приведенной кривой.

Для измерения насыщенной выходной мощности усилителя анализатор должен быть способен обеспечить качание мощности с достаточной выходной мощностью, чтобы вести усилитель из линейной области в насыщение. Для достижения этого может понадобиться предусиление на входе тестируемого усилителя.

∙1 дБ сжатия: входная мощность приводит к уменьшению усиления на 1 дБ

∙относительное измерение

∙доступность выходной мощности (неотносительное измерение)

Тестирование амплитудно-фазовой конверсии с помощью мощностной панорамы (илл.

Балло, с. 52, с. 53)

206

Другое общее измерение, которое помогает охарактеризовать нелинейное поведение усилителей, это измерение амплитудно-фазовой конверсии, которое измеряет величину нежелательной фазовой девиации (ФМ), индуцируемой амплитудными вариациями (АМ), присущими системе. В системах связи эта нежелательная фазовая модуляция обусловлена непреднамеренными амплитудными вариациями, подобными дрожанию мощности питания, температурному дрейфу или многолучевому федингу, или преднамеренному амплитудному изменению, который происходит в результате использованного типа модуляции, подобного QAM или вспышечной модуляции.

Амплитудно-фазовая конверсия есть, в частности, критический параметр в системах, где эксплуатируется фазовая (угловая) модуляция, поскольку нежелательные фазовые искажения служат причиной деградации аналоговых сигналов, или увеличивают частоту битовых ошибок (BER) в цифровых системах. Примеры общих модуляционных типов, использующих фазовую модуляцию, это ЧМ, QPSK, 16QAM. Хотя легко измерять BER цифровых систем связи, одно это измерение не обеспечивает проникновение в лежащие под ним явления, которые обуславливают битовые ошибки. Амплитудно-фазовая конверсия есть один из основных вкладов в BER, поэтому важно количественно определить этот параметр в системах связи.

Диаграмма I/Q, приведенная выше, показывает как амплитудно-фазовая конверсия может привести к битовым ошибкам. Пусть желаемое состояние изменилось от маленького сплошного вектора к большому сплошному вектору. При амплитудно-фазовой конверсии настоящий большой вектор может быть таким, как показано точечной линией. Это произошло благодаря фазовому сдвигу, который образовался из изменения уровня мощности. Для сигнала с модуляцией 64QAM, как показано (нарисован только один квадрант), мы видим, что шумовые кружки, которые окружают каждое действительное состояние, перекрываются, что означает, что статистически присутствует некоторые битовые ошибки.

Амплитудно-фазовая конверсия обычно определяется как изменение выходной фазы на 1 дБ добавки выходной мощности усилителя, выраженное в градусах на дБ (град/дБ). Идеальный усилитель должен не иметь взаимодействия между его фазовым откликом и уровнем входного сигнала.

207

208

АНАЛИЗАТОРЫ СПЕКТРА

Предисловие

Цепи и сигналы – два аспекта передачи и преобразования информации в тракте любого радиотехнического устройства, каждый из них не имеет смысл без другого. Поэтому два главных аппаратных исследования, связанных с этими передачей и преобразованием – анализ цепей и анализ сигналов. Число параметров и характеристик сигналов, интересных для практики и теории, бесконечно. Очевидно, первое (но не единственное!), с чего нужно начинать анализ сигналов, это спектральный анализ – при характеризации в частотной области, и форма сигнала – при характеризации во временной области.

Фактически спектральный анализ электромагнитных колебаний восходит к 17 веку, когда был открыт спектральный прибор – призма, реагирующий на частоту света, и начало изучаться и использоваться спектральное разложение света призмой. Еще раньше производились генерация и анализ спектральных составляющих звука на базе таких спектральных приборов, как струна, мембрана, воздушный резонатор. Однако переход к осознанному количественному спектральному анализу стал возможен только с работ Ж.-Б.Ж. Фурье, фактически открывшего спектральновременной дуализм прикладных функций. С появлением радиотехники сразу возникла необходимость анализа сигналов, в частности, спектрального анализа. В качестве спектрального прибора использовался резонатор, в качестве вспомогательных явлений – интерференция и преломление в диспергирующей среде. Из двух принципиальных разновидностей аппаратного спектрального анализа – параллельного и последовательного действия – в универсальных спектроанализаторах выжила вторая, в то время как для специализированных часто используется первая.

Главной особенностью задачи спектрального анализа сигналов СВЧ является чрезвычайное разнообразие структур сигналов, используемых в различных радиоэлектронных приложениях, и разнообразие значений их параметров. Это чрезвычайно усложняет структуру, архитектуру и функциональную вариативность спектроанализатора, имеющего претензии на универсальность. Такие параметры прибора, как ширина обозреваемой частотной области, шаг частотной дискретизации, частотное разрешение, степень видеоусреднения, степень сглаживания измеряемых характеристик и др. должны иметь возможность варьировать при установке в очень широких пределах.

К настоящему времени спектроанализаторы СВЧ стали важнейшим измерительным и индицирующим средством характеризации высокочастотных и сверхвысокочастотных сигналов самой разнообразной структуры. Современный универсальный спектроанализатор ВЧ и СВЧ относится к четвертому поколению радиоизмерительных приборов; позволяет вести автоматическую регистрацию амплитудных (скалярный анализатор) и комплексных (векторный анализатор) спектров панорамно по частоте, вплоть до рабочей полосы 0–110 ГГц; в большой мере управляется и вычислительно обслуживается внутренним или внешним компьютером; использует как минимум тройное преобразование частоты, гетеродины которого построены на высокостабильных синтезаторах частоты; широко использует цифровые технологии, в частности, имеет полностью цифровой тракт, начиная с выхода последнего смесителя; автоматически представляет и сохраняет спектральные характеристики сигналов в различных форматах, масштабах и подробностях; может быть включен в систему метрологического трассирования вплоть до национальных стандартов.

Тем не менее, возможности увеличения эффективности векторных и скалярных спектроанализаторов далеко не исчерпаны. Косвенным свидетельством этому является ежегодное появление на рынке измерительных приборов СВЧ все новых, более совершенных моделей анализаторов ведущих мировых фирм. Можно предположить, что в связке с технологическими прорывами радиотехнического значения и рыночной коньюнктурой основными направлениями развития будут:

1) дальнейшая виртуализация системы, то есть передача выполняемых функций от радиотехнических устройств к компьютерам;

209

2)совершенствование системы измерительных калибровок;

3)дальнейшая автоматизация цикла измерений, вплоть до почти полного устранения ручных операций;

4)совершенствование системы интерпретации наблюдаемых данных на базе специально разработанной теории интерпретации спектрометрических данных;

5)дистанционное управление работой прибора;

6)расширение возможностей включения прибора в измерительный комплекс без доработки интерфейсов и т.п.

Теоретические предпосылки

Цель аппаратного спектрального анализа

Будем пока для простоты считать сигнал действительной конечной непрерывной функцией времени. Фактически при изложении на названном уровне обычно предполагается (явно или неявно), что сигнал детерминированный (в смысле – не случайный), то есть найденная аппаратно спектральная характеристика интерпретируется как характеристика данного сигнала, а не оценка характеристики некоторой совокупности реализаций (ансамбля) случайного процесса, полученная по одной реализации. Впрочем, предположение о детерминированности сигнала не сужает дальнейших технических возможностей, т.к. названная оценка легко получается из спектральной характеристики детерминированного сигнала.

Итак, в свете сделанных оговорок будем считать, что целью скалярного аппаратного спек-

трального анализа является получение амплитудного спектра (амплитудной спектральной плотности) S(ω) сигнала f (t) , а целью векторного аппаратного спектрального анализа явля-

ется получение комплексного спектра (комплексной спектральной плотности) S (ω) . Здесь ком-

плексный спектр определен как преобразование Фурье (интеграл Фурье) от сигнала:

∞

S (ω) = ∫ f (t) e−iω t dt ,

−∞

аамплитудный спектр – как модуль комплексного спектра.

Всвою очередь, при определенных условиях (всегда выполняющихся при сделанных предположениях) сигнал как временная функция может быть получен из комплексного спектра (но не амплитудного!) обратным преобразованием Фурье:

∞

f (t) = 1 ∫ S (ω) eiω t dω .

2π −∞

Говорят, что в виде f (t) сигнал представлен во временной области, а в виде S (ω) – в час- тотной области. Амплитудный спектр суть неполное представление сигнала в частотной области, именно поэтому, зная только его, невозможно восстановить f (t) . Это обстоятельство – один из главных стимулов для создания гораздо более сложных векторных спектроанализаторов (иногда – на опциональной основе).

Используя экспоненциальную форму комплексного числа z = z eiϕ , запишем комплексный спектр в виде

S (ω) = S (ω) eiϕS (ω ) .

Как видим, комплексный спектр характеризуется двумя функциями: амплитудным спектром S(ω) и фазовым спектром ϕS (ω) . Сделаем два замечания.

210