ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНАЛИЗАТОРА СПЕКТРА R&S FPC1000. 9 лаба. Исследование параметров анализатора спектра r&s fpc1000
 Скачать 190.95 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ ––––––––––––––––––––––––––––––––– Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Кафедра Теоретических основ радиотехники ОТЧЕТ по лабораторной работе по дисциплине «Приборы и техника радиоизмерений» Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНАЛИЗАТОРА СПЕКТРА R&S FPC1000
Санкт-Петербург 2021 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНАЛИЗАТОРА СПЕКТРАRohde & Schwarz FPC100 В работе изучаются устройство и принцип действия широкополосно- го цифрового анализатора спектра. Измеряются разрешающая способ- ность и пороговая чувствительность прибора. Изучаются методы измере- ния спектров периодических сигналов Краткие сведения об анализаторах спектраНапомним, какие существуют спектральные характеристики радио- сигнала. Для сигнала u(t) вводят спектральнуюфункцию(или спек- тральнуюплотность), определяемую прямым преобразованием Фурье  S() u(t)eitdt Эта функция комплексная, имеет размерность В/Гц и представляет распределение амплитуд и фаз гармонических составляющих по частот- ной оси. Спектральная функция существует при абсолютной интегрируе- мости сигнала. Для реальных сигналов это условие обычно всегда выпол- няется. Спектральная функция – это функционал уже закончившегося про- цесса (интеграл берется до «бесконечного» времени). В реальных услови- ях измерять можно только текущий частотныйспектр  tS(,t) u(t)eitdt, характеризующий незаконченный процесс. Обычно измеряют модуль этого выражения – его называют амплитудной спектральной функцией или, проще, амплитудным спектром сигнала. Фазу измерить сложнее, по- этому в стандартных измерительных задачах этого не делают. Для периодических бесконечных сигналов используют спектральное представление сигнала в виде ряда Фурье: u(t) U0 Uncos(n n1 2t ) ,  n T где T– период повторения сигнала ( u(t kT) u(t) , постоянная составляющая (среднее значение сигнала). k 0,1, 2,3...), U0 – Ряд представляет собой совокупность гармонических колебаний с кратными частотами. Совокупность амплитуд Un и начальных фазы n гармоник называют амплитудным и фазовым спектром периодического сигнала. Практический интерес представляет измерение амплитудного спектра, то есть множество амплитуд гармоник и их частот. Особый класс сигналов, которые исследуют в спектральной области - это случайные (шумовые) сигналы. Важной характеристикой шумового сигнала является его спектральнаяплотностьмощности: W() lim .  T TЗдесь S(,t) – спектральная плотность реализации случайного про-  цесса на интервале T2,T 2. Размерность спектральной плотности   мощности [В2·с] совпадает с размерностью энергии сигнала, поэтому иногда говорят об энергетическом спектре случайного сигнала. Факти- чески это характеристика распределения мощности случайного сигнала по частоте.Сформулируем измерительные задачи спектрального анализа сигна- лов: определение амплитуд и частот гармонических составляю- щих периодических сигналов; измерение амплитудной спектральной функции непериодиче- ских сигналов; измерение спектральной плотности мощности случайных сигналов. Эти задачи решаются анализатором спектра (АС). В радиоизмерени- ях наиболее распространены АС последовательного типа, позволяющие исследовать спектры сигналов в широком диапазоне частот. Принцип действия таких приборов напоминает принцип действия супергетеродин- ного радиоприемника. АС последовательно настраивается на различные частоты спектра входного сигнала. Выделенный фильтром сигнал детек- тируется. Уровень сигнала на выходе детектора соответствует амплитуде спектральной составляющей. Если сигнал с детектора подать на канал вертикального отклонения осциллографического индикатора и обеспе- чить жесткую связь между частотой настройки АС и положением луча на горизонтальной оси, то на экране получится спектрограмма. Это изобра- жение амплитудного спектра сигнала в виде отдельных импульсов – от- кликов. Высота откликов соответствует амплитудам гармоник, а положе- ние на горизонтальной оси – их частотам. Такой принцип индикации ре- зультатов анализа называют панорамным. Структурная схема анализатора спектра последовательного типаАнализаторы спектра радиосигналов строятся преимущественно по принципу последовательного сканирования частотного диапазона узко- полосным фильтром. Фактически такой прибор является узкополосным селективным приемником с супергетеродинным принципом перестройки. Упрощенная структурная схема такого прибора представлена на рис. 3.1. Исследуемый сигнал через калиброванный аттенюатор подают на смеситель преобразователя частоты. Управление перестройкой частоты гетеродина преобразователя производят пилообразным напряжением uупр(t) . Длительность прямого хода напряжения задает времяанализаTа . Это время, за которое анализатор сканирует заданный диапазон частот спектра – полосуанализа fа . Этим же напряжением производят горизон- тальное отклонение луча осциллографического индикатора. Гетеродин преобразователя является генератором качающейся частоты (ГКЧ) с по- стоянной амплитудой и меняющейся по линейному закону частотой f(t) f f uупр (t) .  г г0 а Uупр max Предположим, что на вход анализатора подана одна гармоника с ча- стотой fс. Тогда на выходе смесителя возникают колебания с комбина- ционными частотами, в том числе с разностной частотой fс fг (t) .  УПЧ Рис. 3.1. Структурная схема аналогового анализатора спектра последовательного ти- па. Этот сигнал подают на вход узкополосного усилителя промежуточ- ной частоты (УПЧ) c радио фильтром, настроенным на фиксированную частоту fпч . При постоянной амплитуде гетеродина на входе УПЧ при- сутствует гармонический сигнал с амплитудой, пропорциональной уров- ню входной гармоники. Закон изменения частоты сигнала от времени по- казан на графике рис.3.2, где для наглядности ось времени повернута вниз. В момент t0, когда выполняется условие fc fг(t0) fпч, на выходе УПЧ появляется радиоимпульс, огибающая которого повторяет форму АЧХ фильтра УПЧ. На выходе фильтра ставят детектор, постоянную времени которого задают полосой пропускания видеофильтра. Результат детектирования – напряжение, повторяющее АЧХ радиофильтра (видео- импульс). Этот импульс подают на канал Y осциллографического индика- тора или на вход АЦП цифрового индикатора прибора. Он формирует от- клик анализатора спектра на гармонику входного сигнала. При наличии нескольких гармоник, процесс образования откликов происходит аналогично, но в разные моменты времени. Соответственно, изображения откликов появляются в разных точках оси Х, формируя спектрограмму. Величины откликов пропорциональны амплитудам входных гармоник, их расположение на оси Хсоответствует их частотам.  Uвых УПЧt0 t Рис.3.2.Иллюстрация действия последовательного анализатора спектра Вид спектрограммы зависит от формы АЧХ фильтра и ширины его полосы пропускания. Чем уже полоса, тем уже отклики гармоник сигнала на спектрограмме – тем выше разрешающая способность прибора по ча- стоте. Использование узкополосных фильтров наталкивается на трудно- сти, связанные с искажением формы огибающей выходного сигнала фильтра. Увеличить разрешающую способность до величин порядка еди- ниц Гц позволяет дискретное преобразование Фурье (быстрое преобразо- вание Фурье –БПФ) , реализуемое в вычислительных анализаторах спек- тра.  Упрощенная структурная схема такого АС представлена на рис. 3.3.  Рис. 3.3 Структурная схема вычислительного анализатора спектра Спектр входного сигнала ограничивается сверху с помощью ФНЧ для подавления помех зеркального канала. С помощью преобразователя частоты полоса частот входного сигнала смещается в область рабочего диапазона частот АЦП. Далее сигнал усиливается в УПЧ с относительно широкой полосой пропускания, равной рабочей полосе частот АЦП. УПЧ выполняет также роль фильтра для устранения эффекта наложения спек- тров (anti-aliasing). После аналогово-цифрового преобразования значения отсчетов сигнала поступают в ОЗУ. Эти данные используются для вычис- ления спектра в блоке БПФ. Результат расчета спектра поступает на дис- плей в виде спектрограммы, аналогичной по виду получаемой в аналого- вом АС. Как уже говорилось ранее, при реализации узких полос фильтрации (единицы и десятки герц) требуемое время традиционного последова- тельного анализа может быть неприемлемо большим. Применение вы- числительных методов позволяет значительно улучшить разрешающую способность анализаторов спектра. В этом случае фильтром УПЧ выре- зают часть анализируемого спектра (в полосе «захвата») и далее проводят его БПФ-преобразование. Далее анализатор перестраивают на следую- щую полосу частот и вычисление повторяют. На индикатор выводят ре- зультат «сшивания» численных результатов БПФ-анализа. Таким обра- зом, удается обеспечить высокую разрешающую способность (до единиц герц) при приемлемом времени анализа и широких полосах обзора. От- метим, что вычислительные АС могут работать и в обычном режиме по- следовательного анализа (режим свиппирования), в котором гетеродин перестраивается плавно, а обработка отфильтрованного сигнала с помо- щью алгоритма БПФ не производится. В этом случае разрешающая спо- собность определяется полосой пропускания радиофильтра, поэтому ее иногда называют RBW (Resolution BandWidth). Перечислим основные параметры последовательных спектроанали- заторов: Рабочий диапазон частот - это область частот, в которой ра- ботает данный прибор. Рабочий диапазон может быть разбит на поддиа- пазоны. Полоса анализа (полоса обзора) – это диапазон частот, в ко- тором производится обзор спектра сигнала за один ход развертки. Может устанавливаться от максимально возможной до нулевой. В последнем случае спектроанализатор превращается в измерительный приемник с ручной перестройкой частоты. ВремяанализаTа это время обзора полосы анализа. Задает- ся длительностью прямого хода напряжения развертки и регулируется в широких пределах. Часто предусматривают ручной режим перестройки по частоте – его используют при узких полосах УПЧ. Разрешающая способность – минимальная разность частот двух спектральных составляющих, при которых они фиксируются раз- дельно и могут быть измерены. Отметим, что разрешающая способность впрямую не определяет точность измерения амплитуд и частот гармоник. Она характеризует возможность визуально разделить отклики отдельных спектральных составляющих. Количественно задается разностью частот двух гармонических составляющих f1 и f2 , которые на экране создают спектрограмму откликов (рис. 3.3) с оговоренным заранее значением про- вала между пиками.   UnΔfp Рис.3.3.Определение разрешающей способности анализатора спектра Например, можно выбрать величину провала между откликами гар- моник f1 и f2 , равную половине их высоты (–6 дБ) при условии, что ам- плитуды откликов одинаковы. Иногда используют уровень провала 0,707 (–3 дБ). Различают статическуюи динамическуюразрешающие способно- сти. Статическая определяется шириной полосы пропускания УПЧ. Для типовой формы АЧХ УПЧ часто используют эмпирическую формулу  fp 3fУПЧДинамическая разрешающая способность определяется степенью расширения отклика спектроанализатора из-за динамических искажений в фильтре УПЧ. Она всегда больше, чем статическая. Их разница обратно пропорциональна полосе пропускания УПЧ и прямо пропорциональна скорости изменения частоты гетеродина. Поэтому при заданной полосе анализа для улучшения разрешающей способности используют большое время анализа. В противном случае используют компромиссный подход – увеличивают полосу пропускания УПЧ и снижают динамические искаже- ния, но тем самым ухудшая статическую разрешающую способность. В вычислительных АС разрешающая способность определяется ча- стотой дискретизации АЦП, которая задает количество временных и ча- стотных отсчётов выбранного фрагмента спектра. Чувствительность АС – это минимальный уровень гармони- ческого сигнала, амплитуду которого можно измерить анализатором спектра с заданной точностью. Она ограничена, как правило, внутренни- ми шумами прибора. Количественно чувствительность задают минималь- ным значением гармонического сигнала, при котором его отклик превы- шает уровень шумов на экране прибора в заданное число раз (пороговаячувствительность). В данной работе чувствительность определяется по отношению сигнал/шум 20 дБ (10 раз по напряжению). Обычно мощность собственных шумов Pш задают в пересчете к входу прибора. Она может быть определена через коэффициент шума N приемного тракта АС, абсо- лютную температуру Tи полосу пропускания фильтра УПЧ Pш (N1) kT fУПЧ fУПЧ : где k– постоянная Больцмана. Таким образом, пороговая чувствитель- ность изменяется при переключении полосы пропускания фильтра УПЧ. Максимальный уровень входного сигнала определяется уров- нем допустимых искажений при воздействии сигнала на входные актив- ные элементы прибора. При перегрузках в спектрограмме появляются до- полнительные паразитные составляющие, а амплитуды существующих откликов могут измениться. Степень нелинейности анализатора оцени- вают уровнем паразитных гармоник. Так, при подаче на вход одной гар- моники большого уровня на спектрограмме появляются сигналы второй и третьей гармоники, которые реально на входе прибора отсутствуют. При возрастании уровня входного сигнала на L1 дБ уровень n– ной гармо- ники увеличивается на n L1. Это вытекает из полиномиальной аппрок- симации слабой нелинейности спектроанализатора. Нелинейные искаже- ния оценивают по соотношению уровней второй и первой (реже – третьей и первой) гармоник. Задавая допустимый уровень паразитных гармоник, определяют максимально допустимый уровень входного сигнала АС. Ча- сто используют обобщенный параметр нелинейности анализатора точкупересечения со второй гармоникой (SH1). Это уровень входного сигнала, при котором уровень второй гармоники достиг бы уровня основной гар- моники (рис. 3.4).  L1,L2,дБм L0 Lвх,дБм Рис.3.4.Определение точки пересечения со второй гармоникой На практике эта точка не достигается, так как входные цепи анализа- тора уже при меньшем сигнале переходят в режим насыщения. Чем больше этот параметр, тем меньше нелинейности АС. Современные спек- троанализаторы имеют точку пересечения со второй гармоникой порядка нескольких десятков дБм. Динамическийдиапазон– это отношение максимального и минимального уровней гармоник, при котором искажения спектра прене- брежимо малы. Не следует путать это понятие с диапазоном измеряемых амплитуд сигнала, который с использованием входного аттенюатора мо- жет быть шире, чем динамический диапазон. Динамический диапазон определяется нелинейностью входных блоков спектроанализатора (сме- сителя, усилителя и пр.) и уровнем собственных шумов. Амплитудно-частотнаяхарактеристикаАС – это зависи- мость уровня отклика гармоники постоянной амплитуды от ее частоты в пределах полосы обзора. Неравномерность АЧХ определяет систематиче- ские погрешности при измерении спектров в широком диапазоне частот. Метрологическиепараметры– это погрешности измерения уровня гармоник U и погрешность измерения частоты гармоники f. Погрешность измерения амплитуды включает погрешность калибровки АС, неравномерность собственной АЧХ, погрешность входного калибро- ванного аттенюатора и пр. Погрешность измерения частоты гармоники методом стоп-метки определяется точностью совмещения метки с вы- бранной точкой спектрограммы, погрешностью встроенного частотомера. Основные области применения анализаторов спектра:Измерениеамплитуд ичастотлинейныхспектров. Совре- менные спектроанализаторы имеют погрешность измерения амплитуды 0,5…1 дБ, погрешность измерения частоты 103 …106 (в зависимости от метода). Практически они заменяют ВЧ вольтметры и во многих случаях частотомеры ВЧ и СВЧ. Измерение параметров модуляции. Коэффициент амплитуд- ной модуляции определяют с помощью АС по амплитудам боковых со- ставляющих. Для частотной модуляции при малых индексах девиацию частоты оценивают по уровню первых боковых составляющих. Измерение шумовых спектров. Для измерения спектров шу- мовых (случайных) сигналов используется детектор среднеквадратиче- ских значений и режим усреднения откликов спектроанализатора на входной сигнал. Для усреднения используют увеличение постоянной времени детектора (переключают полосу пропускания видеофильтра де- тектора). На экране при этом наблюдают сглаженную огибающую спек- тральной плотности мощности шума. Измерение спектров квазисинусоидальных сигналов. Для ге- нераторов с высокой стабильностью частоты (синтезаторов частоты и пр.) искажение формы сигнала связано обычно со случайной флуктуацией фа- зы (остаточный ФМ шум). Измерить его обычными средствами затрудни- тельно. Однако уровень шума можно оценить по виду спектральной плотности. Он измеряется по отношению к сигналу несущей. Измерениенелинейныхиинтермодуляционныхискажений. Такие искажения оцениваются коэффициентом гармоник и коэффициен- том интермодуляционных искажений. Определяют амплитуды спектра искаженного сигнала при подаче на вход в первом случае одного синусо- идального колебания, во втором – двух колебаний разных частот. Исследование паразитных модуляций радиоимпульсов прово- дят по виду их спектра. Контролируют наличие и уровень паразитной ЧМ, выявляют пропуск импульсов, появление ложных сигналов, флукту- ации длительности импульсов и пр. Технические характеристики цифрового спектроанализатораFPC1000 фирмы Rohde & Schwarz В лабораторной работе исследуется ВЧ вычислительный спектро- анализатор с диапазоном рабочих частот до 1 ГГц (рис. 3.5):  Рис.3.5.Вычислительный спектроанализатор R&S FPC100 Прибор имеет малые габариты, массу. В приборе использован циф- ровой индикатор с жидкокристаллическим экраном 10,1" WXGA (1366 × 768 пикселей). Сохранение данных и дистанционное управление прибо- ром возможно с компьютера по интерфейсам USB или Ethernet. Опцио- нально доступно подключение по сети Wi-Fi. Основные технические параметры анализатора спектра:Диапазон рабочих частот от 5 кГц до 1 ГГц; Полоса обзора регулируется в пределах от 10 Гц до 1 ГГц; Время обзора (свиппирования) – от 20 мс до 1000с; Число частотных точек – 1183; Опорный источник частоты – 10 МГц, нестабильность 1*10-6; Разрешающая способность 1 Гц до 3 МГц; Входное сопротивление 50 Ом, разъем N-типа; Диапазон входного уровня сигнала -150…+30 дБм; Максимальный уровень входного сигнала 30дБм; Спектральная плотность собственных шумов -120 дБм/Гц; Неравномерность собственной АЧХ ±1,5 дБ. Время анализа регулируется в пределах от 100 мс до 25,6 с. Полоса видеофильтра регулируется в пределах от 1 Гц до 3 МГц. Прибор имеет низкий уровень собственных фазовых шумов -150 дБм при установленной полосе разрешения 1 Гц. Прибор обеспечивает дополнительные функциональные возможно- сти: Разделение окна для одновременного измерения при двух различ- ных полосах обзора. Обработку спектрограмм (поиск пикового значения; накопление; замораживание изображения и пр.). Маркерные измерения. Анализ спектра по шаблону: задание верхней/нижней границы с индикацией «Годен – Негоден». Запись результатов и профилей установок в энергонезависимую память. Разнообразные виды запуска.
1 Гармоника 26,9 2 Гармоника -14,3 3 Гармоника -30
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||