Улучшенный динамический диапазон
Преселектор улучшает динамический диапазон, если наш сигнал достаточно выделен по частоте. При обсуждении динамического диапазона в Главе 6 было сделано допущение, что и большой, и маленький сигналы постоянно подаются на смеситель, и что их амплитуды не изменяются в течение времени измерения. Но, как мы видели, если сигналы достаточно далеко отстоят друг от друга, преселектор пропускает лишь один, отсеивая остальные. К примеру, если бы мы тестировали СВЧ-генератор на наличие гармоник, то преселектор отсеял бы основную моду при настройке анализатора на одну из гармоник.
Давайте рассмотрим динамический диапазон на примере тестирования второй гармоники 3-ГГц генератора. Пользуясь примером из Главы 6, допустим, что сигнал величиной -40 дБм в смесителе порождает вторую гармонику -75 дБн. Нам также известно из наших предыдущих обсуждений, что на каждый дБ изменения уровня основной моды в смесителе, диапазон измерений также изменяется на 1 дБ. Кривая искажений второй гармоники показана на Рис. 7-11. Для нашего примера предположим, что от генератора поступает значительная мощность, и установим входной аттенюатор так, чтобы при измерении основной моды генератора уровень на смесителе был -10 дБм, то есть ниже 1 дБ точки компрессии.
Из графика нам видно, что сигнал -10 дБм на смесителе создаст искажающий компонент второй гармоники -45 дБн. Теперь мы настроим анализатор на вторую гармонику 6 ГГц. Если заграждение преселектора будет 70 дБ, то основная мода на смесителе опустится до -80 дБм. На Рис. 7-11 показано, что для сигнала -80 дБм на смесителе внутреннее генерируемое искажение будет -115 дБн, то есть на 115 дБ ниже нового уровня основной моды -80 дБм. Это помещает абсолютный уровень гармоники на отметку -195 дБн. Так что разница между основной модой, когда мы на нее настраиваемся, и внутренне сгенерированной второй гармоникой, когда мы на нее настраиваемся, будет 185 дБ! Совершенно ясно, что для гармонических искажений динамический диапазон ограничен со стороны низких уровней сигналов (гармоник) только уровнем шума (чувствительностью) анализатора.
Рисунок 7-11. График искажений второго порядка
Что же насчет верхней, высокоуровневой части диапазона? При измерении основной моды генератора нам надо ограничить мощность, идущую на смеситель, чтобы получить точные показания уровня сигнала. Можно воспользоваться внутренним или подключаемым аттенюатором, чтобы ослабить основную моду на смесителе до некоторого уровня ниже 1-дБ точки компрессии. Однако, поскольку преселектор значительно ослабляет основную моду, когда мы настроены на вторую гармонику, то можно и уменьшить аттенюацию, если нам нужна чувствительность получше, чтобы измерить гармонику. Уровень основной моды порядка +20 дБм на преселекторе не должен слишком повлиять на нашу способность измерить гармонику.
Любое улучшение в динамическом диапазоне для измерений интермодуляции третьего порядка зависит от разделения тестовых частот в зависимости от полосы преселектора. Как было сказано ранее, полоса типичного преселектора примерно равна 35 МГц в нижней области и 80 МГц в верхней. В качестве ограничивающего значения можно использовать завал типичного ЖИГ-преселектора в 18 дБ на октаву полосы ниже 3-дБ точки компрессии. Так что для определения улучшения динамического диапазона, нам надо узнать, насколько ослабляется каждая основная мода и как это влияет на внутренне генерируемое искажение. Из уравнений для интермодуляции третьего порядка из Главы 6 мы имеем:
(k4/8)VLOV12V2cos[ωLO - (2ω1 - ω2)]t
и
(k4/8)VLOV1V22cos[ωLO - (2ω2 - ω1)]t.
Глядя на эти выражения, видно, что амплитуда нижней компоненты искажения (2ω1 - ω2) изменяется как квадрат V1 и линейно относительно V2. С другой стороны, амплитуда верхней компоненты искажения (2ω2 - ω1) изменяется как квадрат V2 и линейно относительно V1. Однако, в зависимости от частот сигнала и их разделения, преселектор может ослабить эти две основные моды не в равной степени.
Представим себе ситуацию, изображенную на Рис. 7-12, когда мы настроены на нижнюю компоненту искажения, а две основные моды разделены на половину полосы преселектора. В этом случае тестовый тон нижней частоты лежит у самого края полосы пропускания преселектора и ослабляется на 3 дБ. Тестовый тон верхней частоты лежит выше нижней компоненты искажения на величину, равную полной полосе преселектора, и ослабляется примерно на 21 дБ. Поскольку мы настроены на нижнюю компоненту искажения, внутренне генерируемое искажение на этой частоте понижается в два раза относительно ослабления V1
(2 x 3 дБ = 6 дБ) и на столько же, на сколько ослабляется V2 (21 дБ). Улучшением динамического диапазона будет сумма 6 дБ и 21 дБ, т.е. 27 дБ. Как и в случае искажений второй гармоники, уровень собственных шумов анализатора тоже должен быть учтен. Для тестовых тонов, очень близко расположенных по частоте, преселектор не дает никакого улучшения, и динамический диапазон будет таким же, как и вовсе без преселектора.
Рисунок 7-12. Улучшение искажений интермодуляции третьего порядка: разделение тестовых частот значительно, относительно полосы преселектора
Обсуждение динамического диапазона в Главе 6 относится к случаю, когда нижняя полоса отфильтровывается ФНЧ. Исключения возникают только тогда, когда определенная гармоника сигнала нижней полосы попадает в диапазон преселектора. Например, если мы измеряем вторую гармонику от 2.5-ГГц основной моды, преселектор нам становится полезен, когда мы настраиваемся на 5-ГГц гармонику.
Плюсы и минусы преселекции
Плюсы преселекции мы с вами уже увидели: это упрощение пользования анализатором, незагроможденная картинка на дисплее, улучшенный динамический диапазон, широкие полосы обзора. Однако, по сравнению с анализаторами без преселекции, есть также и некоторые отрицательные стороны.
Во-первых, преселектор обладает вносимыми потерями, обычно от 6 до 8 дБ. Эти потери вносятся до первой ступени усиления, поэтому чувствительность системы ухудшается на полную величину этих потерь. Вдобавок, когда преселектор присоединен непосредственно к смесителю, взаимодействие рассогласования преселектора и рассогласования смесителя может ухудшить частотную характеристику. Для компенсации этой волнистости необходимо применять определенные калибровочные методы. Другим способом решения этой проблемы может быть включение согласующей прокладки (фиксированного аттенюатора) или изолятора между преселектором и смесителем. В этом случае чувствительность ухудшится на полное значение потерь в аттенюаторе или изоляторе.
В некоторых архитектурах анализаторов спектра устраняется необходимость в согласующем переходе или изоляторе. По мере увеличения электрической длины между преселектором и смесителем, скорость изменения фазы отраженного и переотраженного сигналов увеличивается при заданном изменении входной частоты. Результатом будет более выраженный эффект волнистости. Архитектуры, подобные тем, что используются в приборах серий ESA и PSA, включают в себя смесительные диоды, как составную часть сборки преселектор/смеситель. В такой конструкции обеспечивается минимальная электрическая длина между преселектором и смесителем. В таких архитектурах устраняется волнистость частотной характеристики и улучшается чувствительность системы из-за отсутствия согласующего перехода или изолятора.
Даже помимо взаимодействий со смесителем, преселектор сам несколько ухудшает частотную характеристику. Полоса пропускания преселектора не является идеально ровной, а всегда имеет некоторую волнистость. В большинстве конструкций, развертка подстроечного напряжения подается на преселектор и на гетеродин из одного источника, но механизма обратной связи, чтобы убедиться, что преселектор в точности отслеживает настройку анализатора, нет. Другой причиной посленастроечного дрейфа является собственный нагрев из-за тока в цепи преселектора. Положение центра полосы пропускания преселектора будет зависеть от температуры и градиентов температуры. А это будет в свою очередь зависеть от истории настройки преселектора. В результате, наилучшей равномерности можно добиться, центруя преселектор на каждом сигнале. Функция центровки обычно обеспечивается встроенными средствами анализатора, и включается либо вручную с панели управления при проведении измерения, либо программно в автоматизированных измерительных системах. При активации функция центровки подправляет настроечный ЦАП преселектора, чтобы поместить центр полосы пропускания на сигнал. Спецификации частотной характеристики большинства СВЧ-анализаторов соответствуют реальности только после центровки преселектора, поэтому на практике лучше всего пользоваться этой функцией до проведения амплитудных измерений микроволновых сигналов, чтобы избежать эффекта посленастроечного дрейфа.
Внешнее смешение на гармониках
Мы рассмотрели процесс настройки на высокие частоты, происходящий внутри анализатора. Для внутреннего смешения на гармониках, анализаторы серий ESA и PSA используют вторую гармонику (N=2-) для настройки до 13.2 ГГц, и четвертую (N=4-) для настройки до 26.5 ГГц. Что же делать, если мы хотим провести измерение, лежащее выше максимальной частоты настройки анализатора? В некоторых анализаторах спектра предусмотрен способ обхода внутреннего первого смесителя и преселектора для использования внешнего подключаемого смесителя, дающего возможность проводить более высокочастотные измерения1. При внешнем смешении мы можем использовать более высокие гармоники первого гетеродина. Обычно, у анализатора спектра, который поддерживает возможность внешнего смешения, есть два дополнительных разъема на панели. Порт «Выход гетеродина» поставляет сигнал внутреннего первого гетеродина на внешний смеситель, который использует его высокие гармоники для смешения с высокочастотными сигналами. Выход ПЧ внешнего смесителя подключается к порту «Вход ПЧ» анализатора. И пока внешний смеситель использует ту же ПЧ, что и анализатор, сигнал может быть обработан и отображен внутренними средствами анализатора, точно как и любой другой сигнал, поступающий от внутреннего первого смесителя. На Рис. 7-13 изображена блок-схема использования внешнего смесителя в связке с анализатором спектра.
Рисунок 7-13. Блок-схема анализатора спектра с подключенным внешним смесителем
В Табл. 7-1 перечислены гармонические моды смешения, используемые анализаторами ESA и PSA в различных полосах миллиметровых волн. Смеситель выбирается в зависимости от частотного диапазона. Обычно это стандартные волноводные диапазоны. Существует два вида внешних смесителей на гармониках: с преселекцией и без. Компания Agilent предлагает смесители без преселекции в шести частотных диапазонах: 18 - 26.5 ГГц, 26.5 - 40 ГГц, 33 - 50 ГГц, 40 - 60 ГГц, 50 - 75 ГГц и 75 - 110 ГГц. С преселектором доступны четыре модели в диапазонах до 75 ГГц. Для частот свыше 110 ГГц существуют модели других производителей, для работы с частотами до 325 ГГц.
Некоторым внешним смесителям от других производителей требуется ток смещения для того, чтобы установить диоды смесителя на требуемую рабочую точку. Анализаторы спектра серий ESA и PSA могут обеспечить подачу постоянного тока до ±10 mA через порт «Выход ПЧ», чтобы обеспечить смещение и максимально облегчить подготовку к измерению.
Таблица 7-1. Гармонические моды смешения, используемые в анализаторах серий ESA-E и PSA с внешними смесителями
Происходит ли смешение на внутреннем смесителе или на внешнем - проблемы в любом случае одинаковы. Сигнал гетеродина и его гармоники смешиваются не только с радиочастотным входным сигналом, но и с любым сигналом, который может присутствовать на входе. Так могут появиться продукты смешения, попадающие на ПЧ и обрабатывающиеся наряду с другими, нужными сигналами. Есть два способа борьбы с этими нежелательными сигналами. Преселектор, встроенный во внешний смеситель, осуществляет те же самые функции настраиваемого фильтра, что и в анализаторе спектра, только в рамках интересующего частотного диапазона. На Рис. 7-14 показан анализатор спектра и внешний смеситель со встроенным преселектором. Преимущества и недостатки внешнего смесителя с преселекцией практически идентичны таковым в случае преселектора, встроенного в анализатор спектра. Наиболее явным недостатком смесителей с преселекцией является увеличение вносимых потерь из-за фильтра, что выражается в снижении чувствительности измерения. Смесители с преселектором также значительно дороже, чем без него. По этим причинам другой способ борьбы с нежелательными сигналами включается в конструкцию самого анализатора спектра. Эта функция называется «идентификация сигнала».
Рисунок 7-14. Блок-схема анализатора спектра с подключенным внешним смесителем со встроенным преселектором
Идентификация сигнала
Даже при использовании смесителя без преселекции и при работе в тщательно контролируемом окружении бывают ситуации, когда нам приходится иметь дело с неизвестными сигналами. В таких случаях вполне вероятно, что отклик, наблюдаемый на экране, был сгенерирован на гармонике осциллятора или на моде, отличной от той, на которую настроен и калиброван дисплей. Так что у нашего анализатора должен быть способ поведать нам о том, калиброван ли дисплей для этого отклика или же нет. Для примера давайте предположим, что мы пользуемся фильтром Agilent 11970V без преселекции для диапазона 50 - 75 ГГц, который использует смесительную моду 14-. Часть этого миллиметрового диапазона можно увидеть на Рис. 7-15.
Анализатор спектра Agilent E4407B серии ESA-E предлагает два метода идентификации сигнала: сдвиг изображения и подавление изображения. Для начала рассмотрим метод сдвига изображения. Изучая Рис. 7-16, давайте предположим, что мы настроили анализатор на частоту 58.5 ГГц. 14-ая гармоника гетеродина порождает пару откликов, и продукт смешения 14- появляется на экране в правильной точке 58.5 ГГц, а продукт смешения 14+ дает отклик с частотой 57.8572 ГГц, что на 2fIF ниже реального отклика. Поскольку ПЧ анализатора серии ESA равна 321.4 МГц, то пара откликов будет разнесена по частоте на 642.8 МГц.
Рисунок 7-15. Какие из отображаемых сигналов действительные?
Рисунок 7-16. Настроечные линии гармоник для анализатора E4407B серии ESA-E
Предположим, что некоторое представление о характеристиках нашего сигнала мы все же имеем, но точную частоту не знаем. Как нам определить, какой из сигналов верный? Процедура сдвига изображения перенастраивает частоту основной моды гетеродина на величину равную 2fIF/N. Благодаря этому гармоника с номером N смещается на 2fIF. Если мы настроены на реальный сигнал, его соответствующая пара займет на экране то положение, которое он занимал при предыдущем цикле развертки. Если мы настроены на другую множественную пару, сгенерированную какой-то другой гармоникой, то сигнал на дисплее окажется сдвинут по частоте. Анализатор ESA смещает гетеродин в поочередных циклах развертки, что дает две картинки, изображенные на Рис. 7-17а и 7-17б. На Рис. 7-17а реальный сигнал (продукт смешения на 14-) настроен в центр экрана. На Рис. 7-17б показано, как функция сдвига изображения смещает соответствующую пару (продукт смешения 14+) в центр экрана.
Рисунок 7-17а. Центрованная 14-
Рисунок 7-17б. Центрованная 14+
Рисунок 7-17. Два разных прохода развертки, снятые с использованием функции сдвига изображения
Теперь давайте разберем второй метод идентификации сигнала, называемый подавлением изображения. В этом режиме берутся два последовательных цикла развертки с функцией MIN HOLD, которая запоминает меньшее из значений для каждой дисплейной точки (или блока) за оба прохода развертки. Первый проход развертки осуществляется при обычных значениях настройки гетеродина. При втором проходе частота основной моды гетеродина смещается на величину равную 2fIF/N. Как мы видели в предыдущем методе, при этом второй продукт смешения на нужной гармонике попадет точно в то место, где при первом проходе находился отклик реального сигнала. Поэтому здесь трасса сохранит высокое амплитудное значение. Любой ложный отклик, смещенный по частоте, будет заменен на более низкое значение в данной точке. Таким образом, все мнимые и неправильные множественные отклики отобразятся на экране как шум. Это проиллюстрировано на Рис. 7-18.
Рисунок 7-18. Функция подавления изображения позволяет отображать только действительные сигналы
Следует отметить, что оба метода идентификации сигнала используются только для идентификации верных частот. Во время включенной функции идентификации сигнала не следует предпринимать попыток провести амплитудные измерения. На Рис. 7-17 и 7-18 видно экранное сообщение, уведомляющее пользователя об этом факте. Как только мы определим интересующий нас реальный сигнал, функцию идентификации мы выключаем и приближаем изображение сигнала, уменьшая полосу обзора. Теперь можно измерять частоту и амплитуду сигнала. См. Рис. 7-19.
Для проведения точных амплитудных измерений очень важно сперва ввести калибровочные данные для внешнего смесителя. Обычно эти данные поставляются производителем смесителя и представляют собой таблицу потерь преобразования в смесителе, в дБ, определенную для некоторого количества точек частоты в соответствующем диапазоне. Таблица для заполнения вызывается клавишей [AMPLITUDE] и последующим выбором в меню [More], [Corrections], [Other] и [Edit]. После внесения данных потерь преобразования, корректировка применяется путем нажатия [Correction On]. Теперь опорный уровень анализатора откалиброван для сигналов на входе внешнего смесителя. Если присутствуют другие элементы с потерями или усилением, включенные между источником сигнала и смесителем (антенны, кабели, предусилители), частотные характеристики этих элементов следует также внести в таблицу поправок амплитуды.
Рисунок 7-19. Измерение положительно идентифицированного сигнала
1 Более подробно о внешнем смешении см. документ Agilent Application Note 1485, External Waveguide Mixing and Millimeter Wave Measurements with Agilent PSA Spectrum Analyzers.