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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 저렴한 스펙트럼 분석기를 비싸게 만드는 방법. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
방출된 신호의 대역폭, 작동 주파수의 불안정성, 대역 외 및 스퓨리어스 방출 억제, 무선 송신기의 기저대역 신호 왜곡을 평가해야 하는 경우 어떻게 해야 합니까? 맞습니다. 스펙트럼 분석기(AC) HP 8560 시리즈 E를 가지고 필요한 모든 것을 측정하십시오! 하지만 말씀드리자면 저는 HP가 없고, 세계에서 가장 국내 생산되는 가장 평범한 분석기를 가지고 있습니다! 이 경우 스펙트럼 분석기의 감도가 결코 높지 않다는 데 동의할 것입니다! 감도는 솔직히 항상 충분하지 않기 때문입니다. 아주 작은 신호를 처리합니다. 두 번째로 확실히 동의할 것은 다이내믹 레인지가 항상 적기 때문에 항상 더 많은 것을 원한다는 것입니다! 매우 강한 간섭 또는 기타 신호가 있는 상태에서 신호의 스펙트럼을 볼 때는 큰 동적 범위가 필요합니다. 대부분의 경우 이러한 문제는 송신기 신호의 XNUMX차 또는 XNUMX차 고조파 레벨을 평가할 때 발생합니다. 저명한 측정 장비 제조업체의 브로셔를 연구하면 때로는 자신의 분석기에 부끄러운 일이됩니다. 따라서 "제국주의자"에 대한 답을 얻기 위해 값비싼 수입 장치만이 할 수 있는 문제를 해결하는 데 필요한 감도와 동적 범위를 달성하는 방법에 대한 몇 가지 팁과 권장 사항을 공유합니다. 동적 범위 활성 수신 장치의 동적 범위는 RF 신호가 장치를 통과할 때 이 장치에서 발생하는 다양한 왜곡을 특성화하는 사전 결정된 매개변수에 의해 추정됩니다. 즉, 아직 왜곡이 관찰되지 않는 신호 레벨의 최대값과 최소값의 차이입니다. 이러한 왜곡의 이유는 해당 장치의 증폭 경로의 비선형성입니다. 다양한 유형의 비선형성이 있으므로 다른 특성을 사용하여 동적 범위를 추정합니다. 가장 중요한 특성은 IP3 지점에서 선형 동적 범위와 3차 IMD 동적 범위입니다(그림 1). 둘 다 고려할 때 비선형 왜곡 정도를 판단할 수 있는 진폭 특성과 같은 개념을 사용하지 않고는 할 수 없습니다.
고려 중인 장치의 일반화된 진폭 특성(ACH)은 그림 1(곡선 1)에서 이중 로그 눈금으로 표시됩니다. 감지 가능한 최소 신호는 장치 자체 노이즈보다 3dB 높은 것으로 간주됩니다. 따라서 아래에서 특성의 선형 섹션의 시작은 AX의 한 지점으로 간주되며 출력에서 3dB의 자체 노이즈 초과에 해당하고 해당 최소 입력 Pin.min 출력 R최소 출력 힘. AX의 선형 단면의 상한은 실제 특성이 이상(선형)에서 1dB만큼 벗어나는 지점입니다. 이 점은 입력 Р에 해당합니다.1dBv 출력 R1dBout 포화 전력(압축점). 포화 입력 전력과 최소 입력 신호 전력 간의 차이(데시벨)가 선형 동적 범위를 결정합니다. 알려진 바와 같이, 비선형 요소에 대한 신호 변경의 영향은 스펙트럼의 풍부화입니다. 고조파 및 조합 주파수 구성 요소가 나타납니다. 신호 스펙트럼을 연구할 때 연구 중인 신호 대역에 직접 떨어지는 홀수 차수의 조합 주파수로 인해 많은 문제가 발생합니다. 2차의 가장 위험한 조합 구성 요소, 즉 주파수 1f2-f2 및 2f1-f1의 구성 요소, 여기서 f2 및 f2는 입력 신호의 가장 중요한 두 스펙트럼 구성 요소(예: 반송파 및 측면, XNUMX차 및 XNUMX차 고조파 , 신호 및 강한 간섭 등). 고려중인 문제와 관련하여 일반적인 XNUMX 차 조합 구성 요소의 유해한 영향을 고려해 보겠습니다. 예를 들어 송신기의 측면 진동 수준을 측정합니다. 무화과에. XNUMX는 송신기의 출력에서 신호 스펙트럼의 조합 왜곡을 보여줍니다.
첫 번째에 대한 두 번째 이상의 고조파 레벨의 비율이 충분히 작은 경우 분석기 증폭 경로의 진폭 특성의 선형 섹션의 한계를 벗어날 위험이 있습니다. 더 높은 고조파의 약한 신호를 보려고 하면 (강한 첫 번째 고조파와 관련하여) 장치의 이득을 과도하게 높입니다. 그런 다음 비선형 경로에 대한 다조파(2개 이상의 스펙트럼 구성 요소 포함) 신호의 영향으로 조합 스펙트럼 구성 요소가 발생하며 그 중 두 개(가장 간단한 경우 첫 번째 및 1차 고조파, 나머지는 무시) 주파수 2f2-f2 및 1f2-f2에서 연구 중인 신호의 작동 대역에 직접 떨어집니다. 여기서 2차 조합 성분은 어떤 종류의 비선형성으로도 발생하지 않는다는 점에 유의해야 합니다(1차 비선형성에서는 발생하지 않음). 무화과에. XNUMX에서 이러한 조합 빈도는 굵게 강조 표시됩니다. 구성 요소 XNUMXfXNUMX-fXNUMX이 XNUMX차 고조파의 주파수에 해당하고 실제 값을 왜곡하는 것을 볼 수 있습니다. 결과적으로 관찰자는 신호 스펙트럼에 대해 잘못된 결론을 내립니다! 그림 2의 곡선 1를 사용하여 3차 조합 왜곡의 동적 범위 값을 결정하는 것이 편리합니다. XNUMX, 입력 신호 레벨에 대한 조합 성분의 데이터 레벨 의존성을 표시합니다. XNUMX차 피치와 조합 주파수 특성의 선형 부분의 확장은 XNUMX차 왜곡 IPXNUMX의 특성 파워 포인트(또는 압축 포인트)라고 하는 점에서 교차합니다. 입력(PIP3in) 및 출력(РIP3out.) 특징적인 XNUMX차 왜곡 전력. 3차 조합 왜곡의 동적 범위(포인트 IP3 기준)는 왜곡이 없는 경우에 해당하는 입력 전력과 최소 입력 신호 전력 간의 차이로 정의됩니다. IPXNUMX 포인트가 높을수록 각각 다이나믹 레인지가 높아집니다. 위에서부터 다이내믹 레인지는 다른 기준에 따라 결정될 수 있습니다. 실제로 이것은 정확히 수행 된 다음 결과에 따라 최악의 값을 동적 범위 값으로 취합니다. 감성을 줘! 스피커의 감도를 높이려면, 즉, 장치 내부에 들어가지 않고 낮은 수준의 신호를 처리할 수 있는 기능을 제공하려면 입력 앞에 프리앰프를 두는 것으로 충분합니다. 여러 가지 질문이 즉시 발생합니다. 첫 번째 질문은 어떤 증폭기를 사용할 것인지, 이득(이하 단순히 이득이라고 함), 잡음 지수 및 동적 범위와 같은 주요 매개변수가 무엇이어야 하는지입니다. 두 번째로 덜 중요한 질문은 AC 입력에 전치 증폭기를 포함하는 것이 전체 회로의 작동에 어떤 영향을 미치는지입니다. 우리는 귀하가 귀하의 응용 분야에 적합한 증폭기를 선택할 수 있도록 이러한 질문에 답하려고 노력할 것입니다. 전치 증폭기를 사용할 때는 전치 증폭기 입력의 최대 신호 레벨이 스펙트럼 분석기 입력의 최대 허용 신호 레벨에서 전치 증폭기의 이득을 뺀 값을 초과해서는 안 된다는 점을 항상 기억하십시오. 설명의 편의를 위해 특정 예를 사용합니다. 스펙트럼 분석기가 -30dB의 잡음 지수를 갖고 3차 조합 왜곡 포인트 IP10가 +3dBm이라고 가정합니다. 다양한 유형의 전치 증폭기가 측정 회로의 특성에 어떤 영향을 미치는지 알아 보겠습니다. 그림 XNUMX은 전치 증폭기와 분석기의 연결 다이어그램을 보여줍니다.
프리앰프 게인이 20dB, 잡음 지수가 6dB, IP3 포인트가 +15dBm이라고 가정해 보겠습니다. 그림 3에 표시된 회로의 잡음 지수와 동적 범위를 결정할 필요가 있습니다. 그림 3에서 회로의 잡음 지수를 계산하기 위해 캐스케이딩 장치에 대한 공식을 사용합니다. Ш = Ш1+(Ш2-1)/К1 +(ШЗ-1)/К1К2, (1) 지역 :
잡음 지수(시간 단위)는 다음과 같이 데시벨 단위의 잡음 지수와 관련이 있습니다. N = 10log(에프) 그림 3의 회로에 대한 잡음 지수(시간 단위)는 공식 (1)로 계산됩니다. 13,99와 같습니다. 사실 : W = 4+ 1000 -1/100 = 13,99 이 노이즈 수치를 데시벨로 표현해 보겠습니다. 10log(13.99) = 11,5dB. 따라서 전치 증폭기를 연결하면 스펙트럼 분석기의 잡음 지수를 18,5dB까지 줄일 수 있었고, 이는 실제로 우리가 달성하려고 했던 것입니다. 이제 프리앰프가 IP3 포인트에 어떤 영향을 미치는지 봅시다. 표 1은 전치 증폭기의 IP3 포인트와 그림 3의 회로에 대한 IP3 포인트 값의 감소 사이의 관계를 보여줍니다. 표 1의 데이터는 분석기 자체의 조합성분 수준이 최대일 때의 최악의 경우에 해당한다. 표의 왼쪽 열은 분석기의 IP3 포인트에 대한 프리앰프의 IP3 포인트 초과를 나타냅니다.
표 1
우리의 예에서: 전치 증폭기 IP3 +15dBm 및 스펙트럼 분석기 IP3 -+10dBm, 차이는 5dB입니다. 표에서 차이의 가장 가까운 값. 1-6dB 및 3dB. IP3 감소는 각각 3,5dB 및 4,6dB입니다. 우리의 경우 이러한 값 사이의 선형 보간으로 계산된 IP3 강하는 3,9dB입니다. 즉, 그림 3에서 회로의 IP3 포인트는 +6,1dBm에 해당할 것이다. 이는 프리앰프 입력에서 IP3 포인트가 -20dBm에 해당하는 13,9dB 낮아진다는 것을 의미합니다. 따라서 전치 증폭기를 추가하여 스펙트럼 분석기의 낮은 레벨 신호를 처리하는 능력을 개선하고 큰 신호 영역에서 성능을 저하시켰습니다. 전치 증폭기의 연결과 함께 측정 회로에 무한한 동적 범위에서 멀리 떨어진 비선형 장치가 하나 더 추가되었기 때문에 이는 놀라운 일이 아닙니다. 표 1은 분석기의 IP3에 비해 전치 증폭기의 IP3 초과가 클수록 전체 회로의 IP3가 더 적게 떨어짐을 보여줍니다. 예를 들어 차이 값이 20dB인 경우 IP3의 강하는 0,8dB에 불과합니다. 따라서 스펙트럼 분석기의 다이내믹 레인지보다 훨씬 큰 다이내믹 레인지를 가진 전치 증폭기를 사용하는 것이 가장 바람직합니다. 전체 측정 회로의 다이내믹 레인지 감소를 거의 완전히 피할 수 있기 때문입니다. 어떤 경우에는 좋은 이득을 얻기 위해 여러 프리앰프를 직렬로 연결해야 합니다. 스펙트럼 분석기 앞에 두 개의 전치 증폭기를 연결하면 어떤 일이 발생하는지 생각해 보십시오. 그림 4에 표시된 구성표를 분석해 보겠습니다.
두 전치 증폭기는 그림 4에 표시된 것과 같은 특성을 가지고 있습니다. 40. 프리앰프의 총 이득은 10000dB(XNUMX배)입니다. 총 잡음 지수는 다음과 같습니다.
이제 IP3의 감소를 계산해 보겠습니다. 두 증폭기 모두 +3dBm의 동일한 IP30 값을 갖습니다. 표에 따르면. 1에서 0dB의 차이로 전치 증폭기 3의 출력에서 IP2 감소는 6dB입니다. 따라서 전치 증폭기 3의 출력에서 IP2은 다음과 같습니다.
이것은 스펙트럼 분석기의 IP14 값보다 3dB 더 높습니다. 다시, 표를 보십시오. 1 및 가장 가까운 값 사이의 보간으로 얻습니다. 2,4dB의 경우 -10dB 및 1,4dB의 경우 -15dB, 값 -1,6dB. 분석기의 IP3 값 계산
조사 결과. 따라서 전치 증폭기를 사용할 때 분석기의 감도가 향상되고 동적 범위가 일반적으로 악화되며 전치 증폭기의 동적 범위가 분석기 자체의 동적 범위를 덜 초과할수록 더 강해집니다. 전치 증폭기는 약한 신호를 분석하는 데 사용할 수 있습니다. 강한 노이즈가 있는 상태에서 약한 신호를 분석할 때뿐만 아니라 강한 신호를 분석할 때도 전치 증폭기의 사용을 피해야 합니다. 다이나믹 레인지를 주세요! 위에서 언급했듯이 다이내믹 레인지를 넘어설 위험은 송신기 신호의 XNUMX차 또는 XNUMX차 고조파 레벨을 평가할 때 가장 큽니다. 첫 번째 고조파가 강한 간섭일 때 연구 중인 고조파와의 조합 구성 요소가 나타납니다. 이 불쾌한 현상을 어떻게 제거하고 고조파 레벨을 측정할 수 있는지 생각해 봅시다. 이 문제는 두 번째 또는 세 번째 고조파가 통과 대역에 들어가는 동안 반송파를 억제하는 스펙트럼 분석기의 입력에 노치 필터를 사용하여 해결할 수 있습니다. 실제로는 분석기의 동적 범위가 확장되지 않고 관찰된 입력 신호 간의 차이가 줄어듭니다. 스펙트럼 분석기에 대해 지정된 최대 입력 신호 레벨을 초과해서는 안 된다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 명시된 최대 입력 레벨은 1dB 압축 포인트 또는 IP3 포인트와 혼동되어서는 안 됩니다. 최대 허용 입력 신호 레벨은 입력 감쇠기 또는 믹서가 허용 가능한 작동 한계 내에서 유지되는 레벨입니다. IP3 포인트는 일반적으로 10dB 압축 포인트보다 15~1dB 높습니다. 그림 5의 회로를 고려하십시오.
감쇠기는 분석기가 작동하기에 안전한 수준으로 송신기의 출력을 제한하는 데 사용됩니다. 분석기의 최대 입력 레벨은 +30dBm, 1dB 압축 포인트는 0dBm, 송신기 출력 전력은 100W(50dBm)라고 가정합니다. 송신기와 스펙트럼 분석기 사이에 설치된 감쇠기의 감쇠가 20dB이면 분석기 입력의 신호 레벨은 최대 허용치와 같습니다. 30dB의 헤드룸을 제공하는 10dB 감쇠기를 사용하는 것이 좋습니다. 스펙트럼 분석기의 동적 범위가 70dB라고 가정합니다. 이는 두 신호의 차이가 70dB를 초과하지 않는 경우 두 신호의 레벨을 측정할 수 있음을 의미합니다. 또한 더 큰 신호의 레벨은 1dB 압축 지점 또는 분석기의 IP3 지점보다 몇 데시벨 아래여야 합니다. 반송파와 관련하여 연구 중인 신호의 80차 이상 고조파 레벨을 측정해야 하는 경우를 예로 들어 보겠습니다. 70차 고조파 레벨이 반송파 레벨보다 XNUMXdB 낮다고 가정합니다. 분석기의 동적 범위는 XNUMXdB이므로 연구된 신호의 고조파는 홀수 차수의 조합 구성 요소에 의해 왜곡됩니다. 이 어려움을 해결하기 위해 감쇠기와 분석기 사이에 필터를 설치하여 캐리어 레벨을 낮추고 20차 고조파에 최소 손실을 도입합니다. 측정이 정확하려면 30차 고조파 주파수에서 노치 필터로 인한 손실을 알아야 합니다. 공진기 또는 LC 필터가 될 수 있으며 후자는 기존 공진기 필터에 비해 상당히 작고 편리합니다. 일반적으로 반송파 억제는 XNUMX...XNUMXdB이면 충분하므로 소형 LC 필터를 만들고 설정하는 것은 어렵지 않습니다. 먼저 신호 발생기와 스펙트럼 분석기가 반송파 주파수에 맞춰져 있기 때문에 필터의 손실을 결정합니다. 그런 다음 분석기 판독값에 따라 필터가 최대 캐리어 억제로 조정됩니다. 다음으로 신호 발생기는 0차 고조파 주파수로 조정되고 신호 레벨은 3dBm으로 설정됩니다. 분석기 판독 값에 따라 필터의 손실을 결정합니다. 예를 들어 분석기가 -3dBm이면 필터 손실은 XNUMXdB입니다. 이제 우리는 두 번째 고조파의 값을 결정합니다. 그림 6과 같이 설치를 조립해 봅시다.
노치 필터를 넣고 최대 캐리어 억제로 설정했습니다. 이제 스펙트럼 분석기의 감도를 높이고 입력 증폭기의 이득을 증가시켜 신호의 60차 고조파 레벨을 결정합니다. 두 번째 고조파 레벨이 -3dBm이고 이 주파수에서 필터 손실이 60dB라고 가정합니다. 따라서 실제 3차 고조파 레벨은 -57dBm - (-20dBm) = -77dBm입니다. 반송파 레벨이 +XNUMXdBm이므로 XNUMX차 고조파 수준은 반송파 수준보다 XNUMXdB 낮습니다. 이러한 측정의 정확도는 예를 들어 연결 케이블의 손실 등과 같은 여러 요인에 따라 달라집니다. 고전력에서는 전력의 일부가 누출될 수 있습니다. 따라서 측정을 위해 잘 차폐된 연결 케이블을 사용하고 트랜스미터를 분석기에서 멀리 배치하는 것이 좋습니다. 이 접근 방식을 사용하면 매우 정확한 측정 결과를 얻을 수 있습니다. 조사 결과. 노치 필터를 사용하면 스펙트럼 분석기의 동적 범위에 맞지 않는 신호 또는 강한 간섭이 있는 신호의 스펙트럼을 조사할 수 있어 연구 중인 신호 대역에서 조합 구성 요소가 나타납니다. 이 경우 측정의 정확도는 대부분 이러한 필터의 매개변수에 의해 결정됩니다. 저자: G. Melnikov, 모스크바; 발행: radioradar.net
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