Измерение мощности с помощью анализатора спектра

Содержание
  1. Методы измерения шумоподобных сигналов с помощью анализатора спектра Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
  2. Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Нельсон Боб
  3. Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Нельсон Боб
  4. Текст научной работы на тему «Методы измерения шумоподобных сигналов с помощью анализатора спектра»
  5. Работа анализатора спектра и принцип его работы
  6. Что и для чего?
  7. Назначение анализатора спектра
  8. Как работает анализатор спектра?
  9. Анализаторы спектра новинки-2020
  10. Тестирование усилителей мощности с помощью анализатора спектра Rohde&Schwarz FSW
  11. Тестирование усилителей мощности измерением уровня мощности шума
  12. Принципы измерения уровня мощности шума
  13. Измерение уровня мощности шума с анализатором спектра и сигналов Rohde&Schwarz FSW

Методы измерения шумоподобных сигналов с помощью анализатора спектра Текст научной статьи по специальности « Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Нельсон Боб

Многие современные коммуникационные форматы, такие как W CDMA, cdma2000® и WLAN, используют шумоподобные сигналы. Для точного измерения характеристик таких сигналов необходимы приборы и системы, отличающиеся от тех, что используются для измерения немодулированных синусоидальных сигналов (CW). Чтобы лучше понять, как работать с шумоподобными сигналами, давайте познакомимся с лучшим способом измерения таких сигналов и взглянем на средства, доступные в современных анализаторах спектра, позволяющие выполнять быстрые и точные измерения абсолютной и относительной мощности.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Нельсон Боб

Текст научной работы на тему «Методы измерения шумоподобных сигналов с помощью анализатора спектра»

Методы измерения шумоподобных сигналов с помощью анализатора спектра

Многие современные коммуникационные форматы, такие как W-CDMA, cdma2000® и WLAN, используют шумоподобные сигналы. Для точного измерения характеристик таких сигналов необходимы приборы и системы, отличающиеся от тех, что используются для измерения немодулированных синусоидальных сигналов (CW). Чтобы лучше понять, как работать с шумоподобными сигналами, давайте познакомимся с лучшим способом измерения таких сигналов и взглянем на средства, доступные в современных анализаторах спектра, позволяющие выполнять быстрые и точные измерения абсолютной и относительной мощности.

Выбор детекторов и типа усреднения

В большинстве случаев для работы с шумоподобными сигналами используют два детектора — детектор с выборкой или усредняющий детектор. Детектор с выборкой использует одну выборку для вывода на экран каждой точки трассы. Выборка осуществляется в момент между отображением точек трассы в процессе сви-пирования анализатора спектра и используется для отображения следующей точки. Усредняющий детектор усредняет (по линейной шкале мощности) несколько выборок между двумя точками трассы. Затем усредненное значение отображается в качестве следующей точки трассы. Обратите внимание, что к шумоподобным сигналам не применимо обнаружение пиковых или нормальных значений, поскольку они не обеспечивают хорошего статистического распределения сигнала, что, следовательно, может привести к неточным измерениям мощности. Пиковые детекторы используются, в первую очередь, для немодулированных синусоидальных сигналов.

Одной из основных проблем измерения шумоподобных сигналов является разброс результатов измерений, связанный с самой природой таких сигналов. Для уменьшения такого разброса можно использовать несколько способов усреднения. В первую очередь следует упомянуть усреднение по трассе, усреднение по видеополосе (УВМ’) и с помощью усредняющего детектора. И хотя эти методы можно комбинировать, обычно достаточно одного из них.

Усреднение по трассе просто усредняет каждую точку трассы для нескольких свипиро-ваний. Если включено усреднение по трассе, в качестве детектора автоматически выбирается

детектор с выборкой. Поскольку этот метод усреднения можно использовать с любым типом детектора, он получил наибольшее распространение и поддерживается почти во всех анализаторах спектра.

Другой подход заключается в сужении видеополосы до значения, меньшего, чем разрешающая способность по частоте (RBW). Во многих анализаторах спектра отношение VBW к RBW равно по умолчанию 1, что дает лишь небольшое усреднение. В большинстве случаев для снижения разброса большинства сигналов до приемлемого уровня, достаточно уменьшить отношение VBW к RBW до значения 0,1.

В современных анализаторах спектра лучший подход заключается в применении усредняющего детектора. Если выбран усредняющий детектор, то простое увеличение времени сви-пирования приводит к увеличению степени усреднения. Кроме того, увеличение времени свипирования увеличивает число участвующих в усреднении выборок между точками свипирования, что тоже снижает разброс сигнала.

Главное, на что нужно обратить внимание при измерении шумоподобных сигналов, это то, что усреднение должно выполняться по шкале среднеквадратических значений мощности, а не по логарифмической шкале. Это связано с тем, что логарифм среднего значения не равен среднему значению логарифмов. Поэтому усреднение шумоподобных сигналов по логарифмической шкале может дать ошибку до -2,51 дБ. Это может легко произойти при использовании старых аналоговых анализаторов спектра ПЧ. В современных анализаторах спектра выбор Усреднения по мощности (среднеквадратического усреднения) гарантирует точные измерения. Например, в анализаторах сигналов серии Agilent X выбранный Тип усреднения применяется ко всем упомянутым выше методам усреднения.

Точные измерения мощности

Точное измерение мощности шумоподобных сигналов может оказаться достаточно сложным. Суммарная мощность таких сигналов не сосредоточена в одной частотной точке, как в случае синусоидальных сигналов. Вместо этого она распределена во всей полосе модулированной несущей. Современные анализаторы спектра, подобные анализаторам серии Agilent X, часто предлагают несколько способов точного измерения мощности шумоподобных сигналов. Например, анализаторы серии X предлагают широкий выбор маркеров мощности в полосе, плотности в полосе и маркеров шума, которые интегрируют всю мощность в указанной полосе и отображают ее в единицах дБм или дБм/Гц. При этом мощность вычисляется по следующей формуле:

Total Power (dBm)= 10 • LOG Г

I NBW* (# Points- 1) I

Power Spectral Density (dBm/Hz) =

£P(K).SPAN NBW- CBW • (Й Points — 1)

1. Общая мощность, дБм

2. Спектральная плотность мощности, дБм/Гц

P(k) = Мощность для точки трассы в полосе интегрирования, выраженная в мВт;

SPAN = Выбранная полоса обзора анализатора спектра;

NBW = Шумовая полоса RBW фильтра, в анализаторах серии X NBW = 1,05 * RBW; CBW = Полоса интегрирования;

Points = Число точек трассы в полосе обзора.

Рис. 1. Маркеры мощности в анализаторе спектра серии X

Рис. 2. Пример измерения мощности в соседнем канале несущей W-CDMA с помощью анализатора серии X. Для несущей 3,84 МГц отображается мощность -10,5 дБм. Также измеряется и отображается мощность в соседних каналах, отстоящих на ±5 и ±10 МГц. Приведены результаты для абсолютной мощности (дБм) и мощности, отнесенной к общей мощности несущей (дБн)

Спектральная плотность мощности равна отношению мощности, содержащейся в полосе 1 Гц, к полной мощности сигнала.

В анализаторах серии X при выборе мощности в полосе, плотности в полосе и маркеров шума, детектор автоматически переключается в режим усреднения. При этом выбирается тип усреднения по мощности (среднеквадратический), что предотвращает возникновение ошибок. Дополнительное сглаживание трассы можно получить, применив описанные выше методы усреднения.

В качестве примера на рис. 1 показаны маркеры мощности в полосе, используемые для измерения шумоподобных сигналов. Маркер 2 показывает полную мощность (дБм) несущей W-CDMA в полосе канала 3,84 МГц. Маркер 1 показывает плотность мощности в полосе 1 МГц по отношению к полной мощности несущей (дБн). Маркер 4 показывает общую мощность нижнего соседнего канала. Маркер 3 показывает относительную общую мощность (дБ) в нижнем альтернативном канале по отношению к маркеру 4. Очевидно, что эти маркеры упрощают и повышают гибкость очень сложных измерений относительной мощности шумоподобных сигналов.

Современные анализаторы сигналов, подобные анализаторам серии X, часто предлагают набор встроенных функций измерения мощности, позволяющие выполнять стандартные измерения мощности шумоподобных сигналов одним нажатием кнопки. Такие измерения включают измерение мощности в канале (СНР), мощности в соседнем канале (АСР), занимаемой полосы частот (OBW) и многие другие измерения (рис. 2).

Большинство современных анализаторов спектра предлагают богатый выбор детекторов, типов усреднения и маркеров, позволяющих быстро и просто выполнять гибкие и сложные измерения шумоподобных сигналов. Имеется также широкий набор встроенных функций измерения мощности, которые можно настроить на работу с сигналами многих современных и перспективных коммуникационных стандартов. Уникальная привязка детекторов к типам усреднения гарантирует точность получаемых результатов.

Techniques for Making Measurements of Noise-Like Signals with a Spectrum Analyzer

Many of today’s communication formats, such as W-CDMA, cdma2000® and WLAN, produce signals that are noise-like in nature. Accurately measuring these types of signals requires tools and setups that are different from what is traditionally used for continuous wave (CW) signals. To get a better understanding of how to deal with noise-like signals, let’s examine the best approach for measuring them, and look at the tools available in modern spectrum analyzers for quickly and accurately making absolute and relative power measurements.

Источник

Работа анализатора спектра и принцип его работы

Что и для чего?

Обывателям кажется, что словосочетание «спектральный анализ» звучит очень уж заумно. На эту тему даже в известном телешоу как-то пошутили. При этом мы очень слабо себе представляем, насколько велика роль спектрального анализа в нашей жизни. Радиовещание, качественная звукозапись, мобильная связь были бы невозможны без применения анализатора спектра.

О необходимости создать подобный прибор в Европе задумались в начале XX столетия: бурное развитие радиовещания и множества связанных с ним отраслей требовали новых решений. В СССР же разработку новых направлений и средств радиоизмерительной техники доверили специально созданному в 1949 году НИИ-11 (сегодня предприятие называется «Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц»). Именно там и был создан первый отечественный спектроанализатор.

Назначение анализатора спектра

Назначение анализатора спектра – наблюдение и измерение распределения энергии электрических или электромагнитных колебаний в полосе частот. Сигнал, как известно, может быть представлен в двух видах – временном и частотном. Чтобы оценить какое-то электрическое явление и его изменения во времени, мы используем осциллограф. При этом, каждое такое явление состоит из волн, которые имеют свои фазы, амплитуды и т.д. «Увидеть» сигнал в частотном представлении и помогает анализатор спектра.

Зачем это нужно?

Существует множество областей науки и производства, где анализатор спектра успешно применяется. Например, беспроводные технологии связи (Wi-Fi, Bluetooth) или радиовещание. Каждая служба, каждый передатчик или источник сигнала должен работать на своей, строго закрепленной за ним частоте. «Коридоры» при этом бывают настолько узкими, что сигнал неизбежно наслаивается один на другой. Различные устройства создают помехи друг для друга. Спектральный анализ позволяет увидеть границы своей частоты, и все, что к ней не относится. Соответственно, «лишний» сигнал или помехи можно подавить: «срезать» или просто приглушить.

Аналогично спектральный анализ используется звукорежиссерами для сведения музыкальных треков. При записи музыкального инструмента (или, равно – человеческого голоса) неизбежно возникают помехи – их создает само оборудование. Шум может быть и не слышен человеческому уху, но он влияет на общее качество записи. В хороших программах для мастеринга всегда присутствует хотя бы простейший спектроанализатор. На нем видно, что частота звучания, например, гитары, начинается от определенного уровня. Все, что ниже его (и это хорошо видно на экране!) – можно смело «срезать», улучшая качество звучания трека.

Помогает анализатор спектра и устранить частотный конфликт, если два музыкальных инструмента находятся примерно в одном коридоре. Тем, кто играл в музыкальных коллективах, хорошо знакома проблема, когда бас и барабанная «бочка» забивают звучание друг друга. На экране устройства перекрывающиеся частоты хорошо видны – это помогает решить проблему.

Как работает анализатор спектра?

Чтобы понять, как действует этот прибор, рассмотрим анализатор спектра, принцип работы которого является классическим. Разумеется, в современных цифровых устройствах большинство аналоговых узлов всей «внутренней цепочки» заменяются на более актуальные или даже новаторские. Но идея в целом остается неизменной.

Исследуемый входной сигнал проходит сквозь аттенюатор и фильтр. Оттуда он попадает на смеситель, на который в этот же момент подается напряжение гетеродина. Из смесителя сигнал выходит разностным по частоте (т.е. не только два исходных сигнала, но и гармоники, и разности/суммы первоначальных частот и гармоник ). Далее все это «идет» через фильтры, усиливается и попадает на детектор. Детектор сглаживает его, сигнал оцифровывается и выводится на монитор. Конечно, это в самых общих чертах. Каждый конкретный прибор имеет множество настроек и индивидуальных особенностей. Поэтому, чтобы разобраться, как пользоваться анализатором спектра, нужно прежде всего изучить инструкцию.

Перед работой с любым подобным устройством важно:

  • Внешне осмотреть прибор на предмет повреждений. Узнать, когда последний раз производилась поверка устройства, и, если необходимо, произвести новую.
  • Проверить сохранны ли пломбы, на месте ли предохранители.
  • Внимательно осмотреть разъемы и гнезда, кабели и переходники.
  • Убедиться, что исследуемый сигнал имеет допустимое для анализатора напряжение.

В большинстве современных спектроанализаторов есть функция «стандартных настроек», т.е. настроек по умолчанию. Однако грамотный специалист перед работой всегда отрегулирует прибор так как это ему необходимо. Обычно устанавливается центральная частота, либо начальная и конечная в полосе обзора. Если необходимо, устанавливается сдвиг частот. Также задается и сама полоса обзора (обычно ее устанавливают вдвое больше, чем полоса, занимаемая сигналом) и параметры амплитуды.

Отдельно стоит сказать об «отношениях» спектрального анализа и ТВ. Набором спутниковых каналов, доступных по щелчку на пульте, сейчас уже никого не удивишь. У каждого мастера-настройщика антенн есть свои секреты, как пользоваться анализатором спектра спутникового сигнала, и пользоваться ли вообще. Умельцев, которые без него обходятся, предостаточно. Но те, кто пользуются, уверяют – настройка антенны с такой «примочкой» занимает всего 10-15 минут.

Для работы требуется анализатор, «заточенный» под спутниковые частоты. Сегодня очень распространены специальные приборы для настройки спутниковых антенн, в которых анализатор спектра просто встроен, как функция. Общий принцип работы таков: у каждого спутника есть «маяк», который имеет свою частоту. Он необходим для настройки и идентификации аппарата. Координаты маяка нужного спутника вводят в анализатор и начинают сканирование. Поисковик находит маяк, и мастер сверяется с анализатором – та ли это частота, которая ему необходима. Если все в порядке, антенна «подцепляется» к спутнику, и уже в этот момент довольный клиент на диване у телеэкрана может начать выбирать свои «favorite» – любимые каналы.

Анализаторы спектра новинки-2020

Приборов на рынке сегодня огромное множество: от дорогостоящих устройств узнаваемых брендов до копеечных моделей, которые можно заказать с доставкой в китайских интернет-магазинах. Выбор анализатора спектра — качественного и подходящего для каких-то конкретных целей — дело ответственное и непростое. Стоит внимательно изучить спецификации товаров и проконсультироваться со специалистами. Мы же предлагаем вам небольшой обзор новинок рынка 2016 года, на которые стоит обратить внимание.

Tektronix RSA306B

Пожалуй, самая яркая новинка сезона. Этот малыш легко умещается на ладони и весит меньше килограмма! Не каждый портативный прибор может похвастаться такой «стройностью»! Работает через USB- подключение к ПК. Кроме того, производитель обещает цену в два раза ниже, чем у конкурентов.

Некоторые характеристики:

  • Диапазон: от 9 кГц до 6.2 ГГц
  • Полоса пропускания: 40 МГц
  • Подходит для эксплуатации в помещениях и на улице, в тяжелых условиях
  • ПО в комплекте (базовая версия)
  • Опции для измерений для Bluetooth, LTE, WLAN, APCO 25

RIGOL DSA-700

Китайский производитель запустил в производство линейку недорогих спектроанализаторов буквально этим летом. В серии представлены две модели DSA-710 и DSA-705. Они являются младшей линейкой по отношению к модели анализатора DSA-815.

Некоторые характеристики:

  • Диапазон: от 100 кГц до 1 ГГц (DSA-710), от 100 кГц-500МГц (DSA-705)
  • Уровень собственных фазовых шумов:

ANRITSU MS2840A

Разработчики японской техники сосредоточили свое внимание на платформе среднего класса с широчайшим диапазоном частот. Поскольку большинство современных анализаторов спектра ориентированы на измерения в широкой полосе (для нужд беспроводной связи), пользователи, которым необходимы измерения в узком диапазоне, вынуждены приобретать чересчур дорогую технику. Именно для них и разработан MS2840A.

Некоторые характеристики:

  • Диапазон: от 9 кГц до 44, 5 ГГц (в зависимости от модели). Возможно расширение до 325 ГГц с использованием дополнительного оборудования
  • Разрешение: (RBW) 1 Гц-10 МГц
  • Амплитуда: от +30 дБм до -166 дБм
  • Низкий уровень фазовых шумов

Rohde&Schwartz FSW-85

Весной о выпуске нового анализатора спектра и сигналов заявили и R&S. Данная модель – первая в мире, оснащенная коаксиальным входным разъемом, который охватывает непрерывный диапазон от 1 гц до 85 ГГц. Такой прибор пригодится для разработок автомобильных радаров и новых беспроводных сетей.

Некоторыe характеристики:

  • Диапазон: 2Гц-85 ГГц
  • Низкий уровень фазового шума
  • Полоса анализа до 2 ГГц
  • Возможность одновременного выполнения нескольких задач

Кроме того, в этом году R&S обновили возможности других моделей FSW. Теперь работа анализатора спектра этой серии возможна с общим анализом сигналов и анализом сигналов в реальном времени в полосе 512 МГц.

KEYSIGHT FieldfFox

Группа ручных анализаторов в этом году пополнилась сразу 6-ю моделями миллиметрового диапазона. Флагман – N9952A – работает на максимальной частоте в 50 ГГц. Эти комбинированные приборы заменяют собой три/четыре настольных аппарата. Их точность подходит для лабораторных измерений, а усиленный корпус позволяет работать «в полях». Производитель отмечает, что в новых моделях анализ спектра ведется в разы быстрее, чем у предыдущих поколений прибора.

Некоторыe характеристики:

  • Диапазон: до 50 ГГц
  • Динамический диапазон: 100 дБ
  • Опции: анализ спектра, векторный анализ цепей, вольтметр, измеритель мощности. Работа в режиме анализатора спектра не требует прогревания

Профессиональный анализатор спектра — компактный и экономичный Прибор R&S®FSC — это компактное и экономичное решение, в котором представлены все основные функции профессионального анализатора спектра с качеством Rohde &Schwarz.

Источник

Тестирование усилителей мощности с помощью анализатора спектра Rohde&Schwarz FSW

Тестирование усилителей мощности измерением уровня мощности шума

Существует множество методов оценки линейности усилителей мощности для спутников и других многоканальных коммуникационных систем. Некоторые инженеры предпочитают использовать очень чистый двухтоновый синусоидальный тестовый сигнал и измерять уровень интермодуляций третьего порядка. Однако применение широкополосных сигналов, таких как белый шум или тональные сигналы с несколькими несущими, вместо синусоидальных тестовых сигналов, симулирует присутствие большого числа несущих и делает условия тестирования более реалистичными.

Измерение уровня мощности шума очень распространено в спутниковой отрасли, как наилучший способ измерения линейности высокомощных усилителей, работающих на максимуме выходной мощности. Для целей измерения уровня мощности шума высокомощных усилителей необходим такой анализатор спектра, который сам не создает интермодуляционных искажений и позволяет обнаружить искажения от усилителя на фоне собственных шумов. Таким анализатором является анализатор спектра и сигналов Rohde&Schwarz FSW.

Принципы измерения уровня мощности шума

Значение уровня мощности шума в многоканальной системе измеряется во всей полосе частот вне каналов системы, заполненных сигналами. Продукты интермодуляции, сгенерированные нелинейным усилителем, создают пики и повышают общий уровень шума вне рабочей полосы частот.

На практике в качестве тестового сигнала часто используют белый шум. По характеристикам он соответствует множеству отдельных несущих со случайными значениями амплитуды и фазы каждого сигнала. Шумовой сигнал пропускают через два полосовых фильтра, формируя тем самым тестовый сигнал с полосой, равной полосе реальной системы, и глубоким провалом в центре.

Тестовый сигнал для оценки уровня мощности шума

Такой тестовый сигнал применяют для измерений характеристик усилителей мощности или компонентов передающих систем. Искажения усилителя создадут продукты интермодуляции, которые будут расположены в обеих боковых полосах сигнала, а также поднимут уровень провала в центре. Анализатор спектра используется для измерения отношения уровня сигнала к уровню провала. Это и есть измерение уровня мощности шума.

Измерение уровня мощности шума ограничивается двумя важными параметрами:

  • глубина провала тестового сигнала жестко ограничена и является пределом измерения;
  • качество анализатора спектра напрямую влияет на результат измерений, т.к. входной смеситель и усилители анализатора также создают интермодуляционные искажения, повышающие уровень провала в измеряемом сигнале.

Для выполнения задачи измерения уровня мощности шума прекрасно подойдет анализатор спектра и сигналов Rohde&Schwarz FSW, и далее мы расскажем, почему.

Измерение уровня мощности шума с анализатором спектра и сигналов Rohde&Schwarz FSW

Тестовая система должна иметь характеристики хотя бы на 10 дБ лучше требований к измеряемым параметрам. Стандартное требование к уровню мощности шума усилителя мощности 40-50 дБ, что означает уровень мощности шума тестовой системы 60 дБ. Анализатор спектра и сигналов Rohde&Schwarz FSW имеет уровень мощности шума 80 дБ и позволяет создать тестовую систему для оценки уровня мощности шума усилителей.

Тестовая система для оценки соответствия характеристик R&S FSW


Уровень мощности шума R&S FSW 80 дБ

Измерение мощности шума – стандартное измерение и очень полезный параметр для оценки эффективности усилителей мощности спутниковых передатчиков и других многоканальных коммуникационных систем. Основное преимущество применения широкополосных сигналов, таких как шум или тональные сигналы с несколькими несущими — более точная симуляция окружающей обстановки. Анализатор спектра и сигналов Rohde&Schwarz FSW позволяет проводить автоматические измерения уровня мощности шума (опция FSW-K19) с наибольшей точностью в своем классе.

Анализатор спектра и сигналов Rohde&Schwarz FSW, дополненный опцией FSW-K19, является идеальным решением для точных измерений уровня мощности шума широкополосных усилителей мощности. Встроенные функции автоматических измерений и превосходные радиочастотные характеристики R&S FSW – это мощный инструмент для измерения уровня мощности шума с очень широким динамическим диапазоном. Дополнительно размер шага механического аттенюатора 5 дБ в R&S FSW позволяет достаточно точно регулировать настройки тестовой системы для достижения очень высокой точности измерений уровня мощности шума.

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector