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無線電子工学および電気工学の百科事典 安価なスペクトラム アナライザを高価にする方法。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
放射された信号の帯域幅、動作周波数の不安定性、帯域外およびスプリアス放射の抑制、無線送信機のベースバンド信号の歪みを評価する必要が生じた場合、私たちは何をしますか? そうです、スペクトル アナライザー (AC) HP 8560 シリーズ E を持って、必要なものすべてを測定してください! しかし、私はHPを持っていません.私は世界で最も国産の最も普通のアナライザーを持っています! この場合、スペクトラム アナライザの感度が高すぎるということはありません。 率直に言って、感度は常に十分ではありません。 非常に小さな信号を扱います。 XNUMX 番目に同意する点は、常にダイナミック レンジが小さく、より多くのダイナミック レンジが必要だということです。 非常に強い干渉または別の信号が存在する中で信号のスペクトルを調べる場合、広いダイナミック レンジが必要です。 ほとんどの場合、このような問題は、送信機信号の XNUMX 次または XNUMX 次高調波のレベルを評価するときに発生します。 測定機器の著名なメーカーのパンフレットを調べていると、自分の分析装置にとって恥ずべきことになる場合があります。 したがって、「帝国主義者」に答える何かを得るために、高価な輸入デバイスのみが実行できる問題を解決するために必要な感度とダイナミックレンジを達成する方法に関するいくつかのヒントと推奨事項を共有します. ダイナミックレンジ アクティブな受信デバイスのダイナミックレンジは、RF信号がデバイスを通過するときにこのデバイスで発生するさまざまな歪みを特徴付けるいくつかの所定のパラメータによって推定されます。 言い換えれば、これは歪みがまだ観察されていない信号レベルの最大値と最小値の差です。 これらの歪みの理由は、問題のデバイスの増幅経路の非線形性です。 非線形性にはさまざまなタイプがあるため、ダイナミックレンジの推定にはさまざまな特性が使用されます。 最も重要な特性は、IP3ポイントでの線形ダイナミックレンジと3次IMDダイナミックレンジです（図1）。 両方を考慮すると、振幅特性などの概念を使用せずに行うことはできません。これにより、非線形歪みの程度を判断できます。
検討中のデバイスの一般化された振幅特性 (AC) は、図 1 (曲線 1) に両対数スケールで示されています。 検出可能な最小信号は、デバイス固有のノイズより 3 dB 高いと考えられます。 したがって、下からの特性の線形セクションの始まりは、出力における自己ノイズの 3 dB の超過と、対応する最小入力 P に対応する AX 上の点であると考えられます。インチ分 と出力 R出力最小 パワー。 AXの線形セクションの上限は、実際の特性が理想（線形）から1dB逸脱するポイントです。 この点は入力Pに対応します1dBv と出力 R1dBout 飽和力（圧縮点）。 飽和入力電力と最小入力信号電力の差 (デシベル単位) によって、線形ダイナミック レンジが決まります。 知られているように、非線形要素に対する変化する信号の影響は、そのスペクトルの強化であり、高調波と組み合わせ周波数成分が現れます。 信号のスペクトルを調査する場合、調査中の信号の帯域に直接入る奇数次数の周波数の組み合わせによって、多くの問題が発生します。 2 次の最も危険な組み合わせ成分、つまり周波数 1f2-f2 および 2f1-f1 の成分です。ここで、f2 と f2 は、入力信号の XNUMX つの最も重要なスペクトル成分です (たとえば、キャリアとサイド、XNUMX 次高調波と XNUMX 次高調波)。 、信号と強い干渉など)。 検討中の問題に関連して、送信機の側方振動のレベルを測定するという典型的な例で、XNUMX次の組み合わせ成分の有害な影響を考えてみましょう。 図上。 図２は、送信機の出力における信号スペクトルの組み合わせ歪みを示す。
第 2 高調波に対する第 1 高調波のレベル比が十分に小さい場合、分析器の増幅経路の振幅特性の線形部分の限界を超える危険性があります。 高調波の弱い信号を見ようとすると、（強い最初の高調波に関連して）デバイスのゲインが過度に増加します。 次に、多調波 (2 つ以上のスペクトル成分を含む) 信号が非線形経路に影響を与える結果として、スペクトル成分の組み合わせが発生します。そのうちの 2 つ (最も単純なケースでは、最初と周波数 2f1-f2 および 2f2-f1 では、調査中の信号の動作帯域に直接入ります。 ここで、XNUMX 次結合成分はどのような種類の非線形性でも発生しないことに注意してください (XNUMX 次非線形性では発生しません)。 図上。 XNUMX、これらの組み合わせ周波数は太字で強調表示されています。 コンポーネント XNUMXfXNUMX-fXNUMX が XNUMX 次高調波の周波数に落ち、その真の値を歪めていることがわかります。 その結果、観測者は信号のスペクトルについて誤った結論を下します! 図2の曲線1を使用して、3次の組み合わせ歪みからダイナミックレンジの値を決定すると便利です。 図１は、入力信号のレベルに対する組み合わせ成分のデータレベルの依存性を表示する。 XNUMX次ピッチの線形部分の拡張と組み合わせ周波数特性は、XNUMX次歪みIPXNUMXの特性パワーポイント（または圧縮ポイント）と呼ばれるポイントで交差します。 入力に対応します（PIP3in) と出力 (РIP3out.) 特徴的な XNUMX 次歪みパワー。 3次（ポイントIP3による）の組み合わせ歪みのダイナミックレンジは、歪みがないことに対応する入力電力と最小入力信号の電力との差として定義されます。 IPXNUMXポイントが高いほど、それぞれダイナミックレンジが高くなります。 上記のことから、ダイナミックレンジはさまざまな基準に従って決定できることがわかります。 実際には、これがまさに行われていることであり、結果に従って、最悪の値がダイナミックレンジの値として採用されます。 感度あげる！ スピーカーの感度を上げるには、つまりデバイスの内部に入らずに低レベル信号を処理する機能を提供するには、入力の前にプリアンプを配置するだけで十分です。 すぐにいくつかの疑問が生じます。 最初の質問は、どのアンプを使用するか、その主なパラメーターは何か、つまりゲイン (以下、単にゲインと呼びます)、雑音指数、およびダイナミック レンジです。 XNUMX 番目の重要な問題は、AC 入力にプリアンプを含めることが回路全体の動作にどのように影響するかということです。 アプリケーションに適したアンプを選択できるように、これらの質問にお答えします。 プリアンプを使用する場合、プリアンプの入力での最大信号レベルは、スペクトラムアナライザの入力での最大許容信号のレベルからプリアンプのゲインを引いたものを超えてはならないことを常に覚えておく必要があります。 説明を簡単にするために、具体的な例を使用します。 スペクトル アナライザの雑音指数が -30dB で、3 次の組み合わせ歪みポイント IP10 が +3dBm であると仮定します。 さまざまなタイプのプリアンプが測定回路の特性にどのように影響するかを調べてみましょう。 図 XNUMX に、プリアンプとアナライザの接続図を示します。
プリアンプのゲインが 20dB、雑音指数が 6dB、IP3 ポイントが +15dBm であるとします。 図 3 に示す回路の雑音指数とダイナミック レンジを決定する必要があります。 図 3 の回路の雑音指数を計算するには、カスケード デバイスの式を使用します。 Ш=Ш1+（Ш2-1）/К1+（ШЗ-1）/К1К2、（1） ここで：
雑音指数 (倍) は、次のようにデシベル単位の雑音指数に関連しています。 N = 10log（f） 式 (3) で計算された、図 1 の回路の雑音指数 (時間)。 13,99 に等しい。 確かに： Ш = 4+ 1000 -1/100 = 13,99 この騒音係数をデシベルで表現しましょう: 10log(13.99) = 11,5 dB。 このように、プリアンプを接続することで、スペクトラム アナライザの雑音指数を 18,5 dB 下げることができました。これは、実際に達成しようとしていたことです。 それでは、プリアンプがIP3ポイントにどのように影響するかを見てみましょう。 表1に、プリアンプのIP3ポイントと図3の回路のIP3ポイント値の減少との関係を示します。 表1のデータは、アナライザー自体の組み合わせコンポーネントのレベルが最大である最悪の場合に対応しています。 表の左側の列は、アナライザーのIP3ポイントを超えるプリアンプのIP3ポイントの超過を示しています。
表1
この例では、プリアンプIP3 +15dBmとスペクトラムアナライザIP3-+10dBmで、差は5dBです。 表の差の最も近い値。 1〜6dBおよび3dB。 IP3の減少はそれぞれ3,5dBと4,6dBです。 私たちの場合、これらの値の間の線形補間によって計算されたIP3ドロップは3,9dBです。 つまり、図3の回路のIP3ポイントは+6,1dBmに対応します。 これは、プリアンプ入力で、IP3 ポイントが 20 dB 低くなり、-13,9 dBm に相当することを意味します。 そのため、プリアンプを追加することで、スペクトル アナライザの低レベル信号を処理する能力を向上させ、大信号領域での性能を低下させました。 これは驚くべきことではありません。なぜなら、プリアンプの接続により、無限のダイナミックレンジから遠く離れたもう1つの非線形デバイスが測定回路に追加されたからです。 表 3 は、プリアンプの IP3 がアナライザの IP3 を超えるほど、回路全体の IP20 の低下が小さくなることを示しています。 たとえば、差の値が 3 dB の場合、IP0,8 の低下はわずか XNUMX dB です。 したがって、スペクトル アナライザのダイナミック レンジよりもはるかに広いダイナミック レンジを備えたプリアンプを使用すると、測定回路全体のダイナミック レンジの低下をほぼ完全に回避できるため、最も好ましい方法です。 場合によっては、良好なゲインを得るために、複数のプリアンプを直列に接続する必要があります。 スペクトラム アナライザの前に 4 つのプリアンプをカスケードするとどうなるかを考えてみましょう。 図XNUMXに示したスキームを分析してみましょう。
両方のプリアンプは、図に示すように同じ特性を持っています。 4. プリアンプのトータルゲインは40dB(10000倍)。 総雑音指数は次のとおりです。
次に、IP3 の減少を計算してみましょう。 両方のアンプの IP3 値は同じ +30 dBm です。 表によると。 図１に示すように、差が０ｄＢの場合、前置増幅器２の出力におけるＩＰ３の減少は６ｄＢである。 したがって、プリアンプ 1 の出力の IP0 は次のようになります。
これは、スペクトラム アナライザの IP14 値よりも 3 dB 大きくなっています。 もう一度、表を見てください。 1 で、最も近い値の間の補間によって取得します。2,4 dB の場合は -10 dB、1,4 dB の場合は -15 dB、値は -1,6 dB です。 アナライザーの IP3 値の計算
所見。 したがって、プリアンプを使用した場合のアナライザーの感度は向上し、ダイナミックレンジは一般的に低下し、プリアンプのダイナミックレンジがアナライザー自体のダイナミックレンジを超えないほど、より強力になります。 プリアンプは微弱信号の分析に使用できます。 強い信号を分析する場合や、強いノイズが存在する中で弱い信号を分析する場合は、プリアンプの使用を避ける必要があります。 ダイナミックレンジを与える！ 前述のように、ダイナミック レンジを超える危険性は、トランスミッタ信号の XNUMX 次または XNUMX 次高調波のレベルを評価する場合に最も大きくなります。 最初の高調波が強い干渉である場合、調査中の高調波との組み合わせ成分が出現します。 この不快な現象を解消し、高調波レベルを測定する方法を考えてみましょう。 この問題は、スペクトラム アナライザの入力にノッチ フィルタを使用することで解決できます。このフィルタは、第 XNUMX または第 XNUMX 高調波が通過帯域に入る間、搬送波を抑制します。 実際には、アナライザのダイナミックレンジは拡大されませんが、観測された入力信号間の差は縮小されます。 スペクトラム アナライザの指定された最大入力信号レベルを超えてはならないことに注意してください。 記載されている最大入力レベルを 1dB 圧縮ポイントまたは IP3 ポイントと混同しないでください。 最大許容入力信号レベルは、入力アッテネータまたはミキサが許容可能な動作制限内に留まるレベルです。 IP3 ポイントは通常、10 dB 圧縮ポイントよりも 15 ～ 1 dB 高くなります。 図5の回路を考えてみましょう。
減衰器は、送信機の出力をアナライザが動作するのに安全なレベルに制限するために使用されます。 アナライザの最大入力レベルが+30dBm、1dBの圧縮ポイントが0dBm、送信機の出力電力が100 W（50 dBm）であると想定します。 送信機とスペクトラムアナライザの間に設置された減衰器の減衰が20dBの場合、アナライザ入力の信号レベルは最大許容値に等しくなります。 30 dBの減衰器を使用することをお勧めします。これにより、10dBのヘッドルームが得られます。 スペクトル アナライザのダイナミック レンジが 70 dB であると仮定します。 これは、70 つの信号の差が 1 dB を超えない場合、3 つの信号のレベルを測定できることを意味します。 また、大きな信号のレベルは、XNUMX dB 圧縮ポイントまたはアナライザの IPXNUMX ポイントよりも数デシベル低くする必要があります。 キャリアに関して、調査中の信号の 80 次以上の高調波のレベルを測定する必要がある場合の例を考えてみましょう。 70 次高調波レベルがキャリア レベルより XNUMX dB 低いと仮定します。 アナライザのダイナミック レンジは XNUMX dB であるため、調査対象の信号の高調波は、奇数次の組み合わせ成分によって歪められます。 この問題を回避するために、減衰器とアナライザの間にフィルタを取り付けて、キャリアレベルを下げ、20次高調波への損失を最小限に抑えます。 測定を正確に行うには、30次高調波周波数でのノッチフィルターによって引き起こされる損失を知る必要があります。 レゾネーターまたはLCフィルターの場合があります。後者は、従来のレゾネーターフィルターに比べて非常に小さく便利です。 原則として、XNUMX〜XNUMX dBのキャリア抑制で十分であるため、コンパクトなLCフィルタの作成と設定は難しくありません。 まず、フィルタの損失を決定します。このために、信号発生器とスペクトル アナライザはキャリア周波数に調整されます。 次に、アナライザの読み取り値に従って、フィルタが最大キャリア抑制に調整されます。 次に、信号発生器を 0 次高調波周波数に調整し、信号レベルを 3 dBm に設定します。 アナライザーの読み取り値に従って、フィルターの損失を決定します。 たとえば、アナライザが -3 dBm の場合、フィルタ損失は XNUMX dB です。 次に、6 次高調波の値を決定します。 図 XNUMX に示した装置を組み立ててみましょう。
ノッチ フィルターを配置し、最大のキャリア抑制に設定します。 ここで、スペクトラム アナライザの感度を上げ、入力アンプのゲインを上げて、信号の 60 次高調波のレベルを決定します。 3 次高調波レベルが -60 dBm で、この周波数でのフィルター損失が 3 dB であると仮定します。 したがって、真の 57 次高調波レベルは -20 dBm - (-77 dBm) = -XNUMX dBm です。 キャリア レベルが +XNUMX dBm であるため、XNUMX 次高調波レベルはキャリア レベルより XNUMX dB 低くなります。 このような測定の精度は、接続ケーブルの損失など、多くの要因に依存します。高出力では、電力の一部が漏れる可能性があります。 したがって、測定には十分にシールドされた接続ケーブルを使用し、トランスミッタをアナライザから離して配置することをお勧めします。 このアプローチを使用すると、非常に正確な測定結果を得ることができます。 所見。 ノッチフィルターを使用すると、スペクトラムアナライザーのダイナミックレンジに適合しない信号や、強い干渉が存在する信号のスペクトルを調査でき、調査中の信号の帯域に組み合わせ成分が出現します。 この場合、測定の精度は、大部分、これらのフィルターのパラメーターによって決定されます。 著者：G。メルニコフ、モスクワ; 出版物：radioradar.net
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