Поверка ультразвукового дефектоскопа АВИКОН-02Р УДС2-112.. курсовая работа. IАудиоанализаторы Верно или нет 30 дБмВт 30 дБмВт 60 дБмВт Почему один раз 1% преобразуется к виду
 Скачать 1.57 Mb.
|
|
Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 22 Пример Воображаемый анализатор спектра, который не производит собственного шума, имеет полосу пропускания 1 МГц. Какое значение мощности шума будет отображаться на анализаторе b = 10·lg 1 МГц дБ = 10·lg 1000000 Гц дБ = 60 дБ Гц 1 Гц L P/1 мВт = –174 дБмВт + 60 дБ = –114 дБмВт Уровень мощности шума, который отображается при комнатной температуре для полосы пропускания 1 МГц, равен –114 дБмВт. Приемник/анализатор спектра производит шумна дБ больше при полосе пропускания 1 МГц, чем при полосе пропускания 1 Гц. Отображается уровень шума -114 дБмВт. Если необходимо измерять малые амплитуды сигналов, следует уменьшить ширину полосы пропускания. Однако, это возможно только до тех пор, пока не будет достигнута ширина полосы частот сигнала. В определенной степени, можно измерять сигналы, даже если они лежат ниже порогового уровня шума, поскольку каждый дополнительный сигнал увеличивает общую мощность, которая отображается на экране (см. вышеприведенный раздел об измерении сигналов при пороговом шуме. Однако при этом мы быстро достигнем предела разрешения используемого измерительного прибора. В отдельных специальных областях применения, например, при исследовании дальнего космоса ив астрономии необходимо проводить измерения сверхмалых амплитуд сигналов от космических зондов и звезд. При этом единственно возможное решение подразумевает охлаждение входных каскадов приемника до уровней, близких к абсолютному нулю (-273,15°C или -459,67 F). 5.3 Усреднение шумовых сигналов Для отображения шумовых сигналов в более стабильном виде обычно включают функцию усреднения, имеющуюся в анализаторах спектра. Большинство анализаторов спектра выполняют обработку сигналов с помощью так называемого детектора отсчетов и усредняют логарифмические значения, отображаемые на экране. Это приводит к появлению систематической погрешности измерения, так как нижние измеренные значения оказывают чрезмерное влияние на отображаемые результаты измерения. Наследующем рисунке этот эффект проиллюстрирован на примере сигнала с синусоидальной амплитудной модуляцией. Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 23 Рисунок 5-1 – Амплитудно-модулированный сигнал зависимость логарифмических значений амплитуды от времени Можно видеть, что здесь синусоида искажена и имеет сердцеобразную форму со слишком низким средним значением, на 2,5 дБ ниже. В анализаторах спектра компании R&S используются детекторы среднеквадратического значения, чтобы исключить эту погрешность измерений (см. [4]). 5.4 Фактор шума, коэффициент шума Фактор шума (шум-фактор) F четырехполюсника определяется как отношение отношения сигнал-шум на входе SN вх к отношению сигнал-шум на выходе SN вых F = SN вх SN вых Отношение сигнал-шум S/N определяется, как было описано ранее. Если фактор шума выражается в логарифмических единицах, используется термин коэффициент шума (NF). NF = 10·lg SN вх дБ SN вых При определении коэффициента шума для каскадно соединенных четырехполюсников необходимо учитывать определенные нюансы, которые выходят за рамки настоящих указаний по применению. Подробности можно найти в соответствующей технической литературе или в Интернете (см. [3] и [4]). Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 24 5.5 Фазовый шум Идеальный генератор имеет бесконечно узкий спектр. Однако из-за различных физических шумовых воздействий фазовый угол сигнала незначительно изменяется, что приводит к расширению спектра. Это явление называется фазовым шумом. Рисунок 5-2 – Фазовый шум генератора Чтобы измерить фазовый шум, необходимо определить мощность шумов генератора в виде зависимости от смещения (отстройки) от несущей частоты так называемой частоты отстройки f Offset ) с помощью узкополосного приемника или анализатора спектра в полосе частот B. Затем входе вычислений уменьшаем полосу частот измерения B до 1 Гц. Теперь, отнесем эту мощность к мощности несущей P c для получения результата в дБн (в полосе 1 Гц. Буква "н" в единицах измерения дБн (dBc) обозначает несущую (на англ, c – carrier). Таким образом, мы получаем фазовый шум, или точнее, уровень фазового шума L водной боковой полосе (SSB, single sideband): P = 10·lg P R · 1 дБн P c B / 1 Гц Обозначение дБн также является нарушением стандарта, однако используется повсеместно. Преобразование в линейные единицы мощности возможно, ноне является общепринятым. В технических данных кварцевых генераторов, генераторов сигналов и анализаторов спектра обычно содержится таблица со значениями уровней фазового шума на разных частотах отстройки. Значения для верхней и нижней боковых полос полагаются одинаковыми. дБн Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 25 Таблица 5-1 – Фазовый шумна частоте 640 МГц Отстройка Фазовый шум SSB 10 Гц - 86 дБн (1 Гц) 100 Гц - 100 дБн (1 Гц) 1 кГц - 116 дБн (1 Гц) 10 кГц -123 дБн (1 Гц) 100 кГц -123 дБн (1 Гц) 1 МГц -144 дБн (1 Гц) 10 МГц -160 дБн (1 Гц) В большинстве технических данных приведены кривые для однополосного фазового шума, которые не спадают также монотонно, как кривые на рисунке 5-2. Это происходит потому, что системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), используемые в современных приборах, "привязывают" генератор к опорному кварцевому генератору, что ведет к улучшению, нов тоже время, и ухудшению зависимости фазового шума от частоты отстройки из-за некоторых конструктивных проблем. Рисунок 5-3 – Кривые фазового шума для анализатора сигналов При сравнении генераторов, необходимо также рассмотреть значение несущей частоты. Если мы умножаем частоту генератора, используя множитель нулевого шума (что возможно только в теории, коэффициент фазового шума снижается пропорционально напряжению, те. если умножить несущую частоту на 10, R&S FSQ, центральная частота 200 МГц R&S FSQ, центральная частота 1 ГГц R&S FSQ, центральная частота 5 ГГц R&S FSQ, центральная частота 25 ГГц Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 26 фазовый шум увеличится на 20 дБ при той же частоте отстройки. Соответственно, как правило, СВЧ-генераторы всегда хуже, чем ВЧ-генераторы. При смешении умножении) двух сигналов, уровни мощности шума этих двух сигналов складываются на каждой частоте отстройки. 5.6 параметры Четырехполюсники могут быть охарактеризованы четырьмя параметрами S 11 коэффициент отражения по входу, S 21 коэффициент прямой передачи, S 12 коэффициент обратной передачи) и S 22 коэффициент отражения по выходу. Рисунок 5-4 – параметры четырехполюсника S- параметры могут быть рассчитаны по волновым величинами следующим образом S 11 = b 1 S 21 = b 2 S 12 = b 1 S 22 = Волновые величины a и b являются величинами напряжения. Если параметры заданы в виде значений в децибелах, справедливы следующие формулы s 11 = 20·lg S 11 дБ s 21 = 20·lg S 21 дБ = 20·lg S 12 дБ s 22 = 20·lg S 22 дБ КСВН и коэффициент отражения Как коэффициент отражения, таки коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) или коэффициент стоячей волны (КСВ) являются мерой того, насколько хорошо источник сигнала или нагрузка согласован с волновым сопротивлением импедансом. КСВН принимает значения от 1 до бесконечности и не указывается в децибелах. Однако, коэффициент отражения r в них указывается. Соотношение между r и КСВН следующее Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 27 r = 1 – КСВН 1 + КСВН КСВН = 1 + r 1 – r Для КСВН = 1 (очень хорошее согласование) коэффициент r = 0. Для очень высоких значений КСВН коэффициент r приближается к 1 (рассогласование или полное отражение. Коэффициент r представляет собой отношение двух величин напряжения. Для r в децибелах имеем значение a r : a r = 20·lg r дБ или наоборот r = 10 a r /дБ 20 a r носит название потери на отражение. Для вычисления КСВН по коэффициенту отражения, r берется в виде линейного значения. В следующей таблице показана связь между КСВН, r ив дБ. Если нужно получить приблизительное значение r по КСВН, просто разделите десятичную часть КСВН пополам. Это приближение хорошо работает для значений КСВН до 1,2. Таблица 5-2 – Преобразование из КСВН в коэффициент отражения r и потери на отражение a r КСВН r a r дБ 1,002 0,001 60 1,004 0,002 54 1,006 0,003 50 1,008 0,004 48 1,01 0,005 46 1,02 0,01 40 1,04 0,02 34 1,1 0,05 26 1,2 0,1 20 1,3 0,13 18 1,4 0,16 15 1,5 0,2 14 Имейте ввиду, что для четырехполюсников коэффициент r соответствует коэффициенту отражения по входу или по выходу Аттенюаторы обладают наименьшими коэффициентами отражения. Хорошие аттенюаторы имеют коэффициенты отражения <5% во всем диапазоне до 18 ГГц. Это значение соответствует потерям на отражение > 26 дБ или КСВН < 1,1. Входы измерительных приборов и выходы источников сигналов как правило характеризуются КСВН<1,5, что соответствует коэффициентам r < 0,2 или a r > 14 дБ. Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 28 5.8 Напряженность поля При измерении напряженности поля, обычно используются такие термины, как плотность потока мощности, напряженность электрического поля и напряженность магнитного поля. Плотность потока мощности измеряется в Вт/м 2 или мВт/м 2 Соответствующими логарифмическими единицами измерения являются дБ(Вт/м 2 ) и дБ(мВт/м 2 ). L S / 1 Вт / м 10·lg S дБ(Вт/м 2 ) 1 Вт/м 2 L S / 1 мВт / м 10·lg S дБ(мВт/м 2 ) 1 мВт/м 2 Напряженность электрического поля измеряется в В/м или мкВ/м. Соответствующими логарифмическими единицами измерения являются дБ(В/м) и дБ(мкВ/м). L E / 1 В / м = 20·lg E/(В/м) дБ(В/м) 1/(В/м) L E / 1 мкВ / м = 20·lg E/(мкВ/м) дБ(мкВ/м) 1/(мкВ/м) Преобразование из дБ(В/м) в дБ(мкВ/м) выполняется последующей формуле L E / 1 мкВ / мВ м + 120 дБ Добавление 120 дБ соответствует умножению на 10 в линейных единицах. 1 В = 10 мкВ. Пример -80 дБ(В/м) = -80 дБ(мкВ/м) + 120 дБ = 40 дБ(мкВ/м) Напряженность магнитного поля измеряется в А/м или мкА/м. Соответствующими логарифмическими единицами измерения являются дБ(А/м) и дБ(мкА/м). L H / 1 А / м = 20·lg H/(А/м) дБ(А/м) 1/(А/м) L H / 1 мкА / м = 20·lg H/(мкА/м) дБ(мкА/м) 1/(мкА/м) Преобразование из дБ(А/м) в дБ(мкА/м) выполняется последующей формуле L H / 1 мкА / мА м + 120 дБ Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 29 Пример 20 дБ(мкА/м) = 20 дБ(А/м) – 120 дБ = -100 дБ(А/м) Дополнительную информацию по теме напряженности поля см. в [1]. 5.9 Коэффициент усиления антенны Антенны, как правило, ориентируют электромагнитное излучение в определенном направлении. Коэффициент усиления по мощности G, который в результате этого возникает на приемнике, определяется в децибелах по отношению к эталонной антенне. Наиболее распространенным эталонными антеннами являются изотропный излучатель и полуволновый вибратор (диполь. Коэффициент усиления указывается в дБи (dBi) или дБд (dBd). Если необходимо получить коэффициент усиления в линейных единицах измерения, для преобразования можно использовать следующую формулу G лин = 10 G / дБи 10 или G лин = 10 G / дБд 10 Более подробно о коэффициенте усиления и КПД антенны см. в [1]. 5.10 Крест-фактор Отношение пиковой мощности к средней тепловой мощности (СКЗ) сигнала называется пик-фактором (коэффициентом амплитуды. Синусоидальный сигнал имеет амплитудное (пиковое) значение мощности, которое в 2 раза больше среднеквадра- тического значения мощности, те. пик-фактор равен 2, что соответствует 3 дБ. Для модулированных радиосигналов, крест-фактор относится к пиковому значению модулированной огибающей, а не к пиковому значению сигнала ВЧ несущей. Частотно-модулированный (ЧМ) сигнал имеет постоянную огибающую и, поэтому, пик-фактор равный 1 (0 дБ. Если мы суммируем множество синусоидальных сигналов, пиковое значение теоретически может увеличиться до суммы отдельных напряжений. Пиковая мощность P s будет тогда равна P s = (U 1 + U 2 + … + U n ) 2 R СКЗ мощности P получается путем суммирования отдельных значений мощности P = U 2 = U 1 2 + U 2 2 +…+ U n 2 R R R R Получим значение крест-фактора следующим образом C F = P s P Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 30 C F = 10·lg P s дБ P Чем больше (некоррелированных) сигналов мы суммируем, тем менее вероятно, что будет достигнута общая сумма отдельных напряжений из-за разных фазовых сдвигов. Крест-фактор колеблется вокруг приблизительного уровня 11 дБ. Внешний вид сигнала напоминает шум. Рисунок 5-5 – Шумоподобный сигнал с пик-фактором 11 дБ Примеры Крест-фактор шума равен приблизительно 11 дБ. сигналы, которые используются в стандартах DAB, Т и WLAN также имеют крест- факторы, равные приблиз. 11 дБ. Сигналы CDMA, предусмотренные стандартами мобильной радиосвязи CDMA2000 и UMTS, имеют крест-факторы вплоть до 15 дБ, но они могут быть снижены до 7-9 дБ с помощью специальных методов, предусматривающих использование данных модуляции. За исключением пакетных сигналов, сигналы имеют постоянную огибающую из-за модуляции и, таким образом, крест-фактор 0 дБ. Сигналы стандарта EDGE имеют крест-фактор 3,2 дБ благодаря фильтрующей функции модуляции (также без учета пакетных сигналов. На рисунке показана так называемая дополнительная интегральная функция распределения (CCDF) шумоподобного сигнала. Крест-фактор находится в той точке измерительной кривой, в которой она пересекает ось X. На этом рисунке этой точке соответствует значение приблиз. 10,5 дБ. Рисунок 5-6 – Крест-фактор, измеренный с помощью анализатора сигналов R&S ® FSQ Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить 31 5.11 Мощность в канале ив соседнем канале Современные системы связи, такие как GSM, CDMA2000 и UMTS имеют дело с огромным объемом вызовов. Чтобы избежать возможных сбоев и связанных с этим потерь доходов, важно убедиться, что в полезном канале имеется точно допустимая мощность канала Р ch (где "ch" обозначает канал (channel)) и не более. Мощность в полезном канале чаще всего обозначается как уровень в дБмВт. L ch / 1 мВт = 10·lg P ch дБмВт 1 мВт Обычно он имеет значение 20 Вт или 43 дБмВт. В соседних каналах мощность не может превышать значение Это значение коэффициента мощности соседнего канала ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) измеряется как отношение к мощности в полезном канале и выражается в дБ. ACPR = 10·lg P adj дБ Здесь в непосредственно прилегающих (соседних) каналах должны быть значения мощности от -40 дБ (для мобильных радиоустройств) до -70 дБ (для базовых станций) и, соответственно, более высокие значения в альтернативных каналах. При измерении уровней мощности важно учитывать полосу пропускания каналов. Для полезного и соседнего каналов она может различаться. Пример (стандарт CDMA2000): полоса полезного канала 1,2288 МГц, полоса соседнего канала 30 кГц. Иногда, также необходимо выбрать конкретный тип фильтрации модуляции, например, с характеристикой в виде квадратного корня из приподнятого косинуса. Современные анализаторы спектра оснащены встроенными измерительными функциями, которые автоматически учитывают полосу пропускания полезного канала и соседнего канала, а также фильтрацию. Для получения дополнительной информации см. также [4]. Рисунок 5-7 – Мощность в соседнем канале для сигнала UMTS, измеренная с помощью анализатора сигналов R&S ® FSQ Что можно измерить в децибелах Rohde & Schwarz Все, что вы хотели знать о децибелах, но боялись спросить |