Instrukcja do ćwiczenia nr 23

Instrukcja do ćwiczenia nr 23.

Pomiary charakterystyk przejściowych i zniekształceń nieliniowych wzmacniaczy mikrofalowych.

I. Wstęp teoretyczny.

Analizator widma jest przyrządem powszechnie stosowanym we współczesnych laboratoriach

mikrofalowych, umożliwiającym obserwację widma i pomiary badanych sygnałów. Obecny na
stanowisku analizator widma HP 8570A należy do grupy analizatorów z przemianą częstotliwości.

Najpopularniejszą metodą opisu sygnału jest zaprezentowanie jego zmian w dziedzinie czasu.

Jednakże   każdy   przebieg   składa   się   z   różnej   ilości   składowych   sygnałów   sinusoidalnych   co
powoduje,   że   analiza   sygnału   w   dziedzinie   czasu   nie   umożliwia   jego   pełnego   opisu   (rys.1).
Natomiast   w   dziedzinie   częstotliwości   można   zaobserwować   wszystkie   składowe   badanego
sygnału.

Rys.1. Widmo i przebieg czasowy sygnału. [1]

Do najczęściej wykonywanych pomiarów przy użyciu analizatorów widma należy zaliczyć:

−

pomiary szumu, niezbędne do określenia stosunku S/N, który jest podstawową cechą
charakterystyczną każdego systemu telekomunikacyjnego,

−

pomiary parametrów sygnałów zmodulowanych, sprawdzające poprawność pracy modulatora,
który jest niezbędnym elementem systemu telekomunikacyjnego,

−

pomiary zniekształceń sygnałów, które określenie jest istotne dla poprawnej pracy nadajnika i
odbiornika, gdyż wpływają na poprawne zdekodowanie przesyłanej informacji oraz jej jakość
prezentowaną końcowemu użytkownikowi.

Schemat blokowy analizatora widma z przemianą częstotliwości został przedstawiony na

rys. 2. Zasada działania przyrządu polega na realizowaniu następujących operacji:
− wstępnej obróbce sygnału doprowadzonego do wrót wejściowych urządzenia (tłumienie sygnału

i filtracja filtrem dolnoprzepustowym);

− przemianie badanego sygnału na częstotliwość pośrednią (IF) w mieszaczu;
− wzmocnieniu i filtracji sygnału pośredniej częstotliwości;
− zdetekowaniu badanego sygnału z sygnału pośredniej częstotliwości i prezentacji go na ekranie

w celu dokonania analizy przez użytkownika.

Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej

Rys.2. Schemat blokowy analizatora widma [1]

Głównymi elementami analizatora widma są: wejściowy tłumik RF, mieszacz, wzmacniacz

pośredniej częstotliwości, filtr pośredniej częstotliwości, detektor, filtr video, lokalny oscylator
(LO) i wyświetlacz.

Mieszacz jest trójwrotnikiem, który dokonuje przemiany częstotliwości sygnału, mnożąc ze

sobą dwa sygnały wejściowe. Sygnał podany na pierwsze wrota wejściowe jest mnożony z
sygnałem lokalnego oscylatora doprowadzonego do drugich wrót wejściowych. Sygnał wyjściowy
jest sygnałem o częstotliwości będącej liniową kombinacją sygnałów wejściowych.

Filtr pośredniej częstotliwości jest filtrem pasmowo-przepustowym, który jest używany jako

„okno” do wykrywania sygnału. Szerokość pasma tego filtru jest określana również jako RBW
(Resolution   Bandwidth),   czyli   rozdzielczość   pasma   analizatora   i   może   być   regulowana   przez
użytkownika.   Dla   wąskiego   pasma   filtru   pośredniej   częstotliwości   uzyskuje   się   wyższą
selektywność,   co   wydłuża   czas   analizy.   Szybkość   „przemiatania   (sweep)”   i   prędkość
aktualizowania  ścieżki (trace update rate) maleje  wraz z zawężaniem pasma RBW. Optymalne
ustawienie pasma pośredniej częstotliwości zależy od charakterystyki badanego sygnału.

Filtr video jest filtrem dolno-przepustowym włączonym za detektorem obwiedni i przed

przetwornikami A/C. Filtr ten określa szerokość pasma wzmacniacza wideo i jest używany do
uśrednienia lub wygładzenia widocznego na ekranie przebiegu. Uśrednianie i wygładzanie
umożliwia obserwację sygnału użytecznego, którego amplituda jest porównywalna z amplitudą
szumu.

Wejściowy tłumik RF jest krokowym tłumikiem włączonym pomiędzy wrota wejściowe

analizatora widma a mieszacz. Umożliwia on regulację poziomu sygnału doprowadzonego do wrót
wejściowych mieszacza, gdyż przesterowanie mieszacza jest niekorzystnym zjawiskiem
wywołującym kompresję wzmocnienia przemiany częstotliwości, co zniekształca badany sygnał.

Wzmacniacz IF jest włączony pomiędzy mieszaczem a filtrem pośredniej częstotliwości.

Zapewnia kompensację tłumienia wprowadzanego przez wejściowy tłumik RF, w wyniku czego,
zmiana wartości tłumienia wejściowego nie powoduje zmiany poziomu sygnału obserwowanego na
ekranie analizatora widma.

Do podstawowych parametrów analizatora widma można zaliczyć:

−

zakres częstotliwości, określa częstotliwość sygnałów, które mogą być analizowane przy
wykorzystaniu urządzenia. Obecny na stanowisku pomiarowym analizator widma HP 8570A

Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej

charakteryzuje się pasmem pracy 10 MHz – 22 GHz;

−

rozdzielczość,   szerokość   pasma   filtru   RBW,   filtr   pośredniej   częstotliwości   włączony   za
mieszaczem odfiltrowuje z szerokiego pasma analizowanego widma sygnał wąskopasmowy,
który doprowadzony do wrót wejściowych detektora jest detekowany i wyświetlany na ekranie
analizatora. Pozorne „przemiatanie (sweep)” filtrem RBW pasma badanego sygnału, pozwala na
wyświetlenie jego pełnej charakterystyki  częstotliwościowej w „oknie analizy (span)”. Zbyt
szerokie pasmo filtru pośredniej częstotliwości względem szerokości pasma sygnału badanego
powoduje   „rozmycie”   analizowanego   przebiegu,   a   w   skrajnym   przypadku   brak   możliwości
rozróżnienia sygnałów o częstotliwościach nieznacznie różniących się od siebie. Dwa sygnały o
takiej samej amplitudzie mogą być rozróżnione, jeżeli pasmo 3-dB filtru RBW jest mniejsze lub
równe różnicy częstotliwości sygnałów;

−

czułość,   określa   zdolność   wykonania   pomiaru   sygnału   o   minimalnym   poziomie,   który   jest
porównywalny z amplitudą szumów. Idealny odbiornik nie wprowadza dodatkowego szumu do
szumu cieplnego, który towarzyszy urządzeniom elektronicznym i określany jest wzorem N =
kTB.   W   praktyce,   do   szumu   pochodzącego   z   badanego   elementu   jest   dodawany   szum
generowany przez analizator.  Do  wyznaczenia  czułości analizatora widma wykorzystuje  się
wskazanie średniego poziomu szumu (DANL – Displayed Avarage Noise Level) wyrażanego w
dBm   przy   minimalnym   paśmie   filtru   pośredniej   częstotliwości   (RBW).   Sygnały   o   niższym
poziomie niż DANL nie są wykrywane przez analizator widma. Czułość analizatorów zawiera
się w granicach od -90dBm do -145dBm;

−

zniekształcenia, analizatory widma, posiadające elementy aktywne takie jak mieszacze i
wzmacniacze, mogą zniekształcać badane sygnały. Zniekształcenie badanego sygnału jest
zjawiskiem niekorzystnym i wynika z przesterowania elementów aktywnych analizatora widma.
Zniekształcenia generowane w analizatorze zależą od mocy sygnału wejściowego i ustawień
samego analizatora. Dlatego też, należy sprawdzić czy mierzone zniekształcenia są generowane
w analizatorze, czy w badanym elemencie;

−

dynamika, jest to stosunek poziomów dwóch sygnałów, jednego o maksymalnym
dopuszczalnym poziomie, a drugiego o minimalnym poziomie możliwym do zdetekowania
przez analizator.

Wzmacniacze są jednymi z najczęściej wykorzystywanych elementów półprzewodnikowych

w technice mikrofalowej. Do podstawowych parametrów wzmacniacza zaliczyć można: zakres
częstotliwości pracy, wzmocnienie, współczynnik szumów, moc wyjściową dla kompresji 1-dB
(Pout

1-dB

), zniekształcenia sygnału i sprawność układu.

Na rys. 3 przedstawiono charakterystykę przejściową wzmacniacza, na podstawie której

można   określić   wzmocnienie   układu   oraz   moc   sygnału   wyjściowego   w   funkcji   mocy   sygnału
wejściowego.   Dla   sygnałów   wejściowych,   których   poziom   mocy   jest   mniejszy   niż   -7   dBm
wzmacniacz pracuje w liniowym zakresie charakterystyki. Sygnały wejściowe o mocy większej niż
-7dBm   implikują   pracę   wzmacniacza   w   nieliniowym   zakresie   charakterystyki,   co   powoduje
zniekształcenie sygnału i spadek wzmocnienia wzmacniacza.

Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej

Rys. 5. Przykładowa charakterystyka sprawności wzmacniacza

Wyznaczenie punktu 1-dB kompresji wzmocnienia, przedstawione na rys. 6, polega na

wykreśleniu prostej pokrywającej się z liniową częścią charakterystyki przejściowej, a następnie
wyznaczenie punktu na charakterystyce rzeczywistej odległego od przedłużenia liniowej części
charakterystyki o 1 dB.

Rys. 6. Punkt 1–dB kompresji wzmocnienia [2]

W trakcie pracy wielkosygnałowej (moc sygnału wejściowego jest większa niż Pin

1-dB

)

wzmacniacz wprowadza zniekształcenia sygnałów wejściowych. Miarą tych zniekształceń jest
współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych. Produkty intermodulacyjne rzędów parzystych są
sygnałami o częstotliwościach znacznie różniących się od częstotliwości sygnałów wejściowych

Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej

(rys. 7), dlatego ich wpływ jest w praktyce pomijalny. Nieparzyste produkty intermodulacyjne są
sygnałami o częstotliwościach bliskich częstotliwościom sygnałów wejściowych i mogą je
zakłócać. Najbardziej niepożądanymi produktami intermodulacyjnymi są produkty trzeciego rzędu,
dlatego najczęściej wykonuje się pomiary współczynnika zniekształceń intermodulacyjnych (IP

third order intercept point).

Rys. 7. Produkty intermodulacyjne

Metoda wyznaczania punktu IP

jest zaprezentowana na rys. 8. Punkt ten jest punktem

przecięcia się przedłużenia części liniowej charakterystyki przejściowej wzmacniacza z
charakterystyką produktów intermodulacji trzeciego rzędu. Wzór umożliwiający obliczenie
współczynnika IPn:

Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej

Rys. 8. Współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych

II. Zagadnienia do przygotowania.

1. Jednostki miary decybelowej: dB, dBW, dBm, dBc.
2. Podstawowe parametry analizatora widma.
3. Podstawowe parametry wzmacniaczy.
4. Zniekształcenia nieliniowe we wzmacniaczach. Produkty intermodulacyjne kolejnych

rzędów.

Literatura.

[1] Spectrum Analyzer Basic, http://www.agilent.com
[2]

Fundamentals of Spectrum Analysis,

http://

www.rohde-schwarz.com

Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej

III. Program ćwiczenia.

1. Zapoznać się z metodą pomiarów sygnałów mikrofalowych analizatorem widma.

2. Charakterystyka przejściowa mocy wzmacniacza Pout = f{Pin}. Kompresja wzmocnienia.

Na analizatorze widma ustawić następujące parametry pracy:

Ref.Level: 0 dBm

Attenuator: 10 dB

Span:

20 MHz

RBW:

300 kHz

Następnie   do   wrót   wejściowych   wzmacniacza   doprowadzić   sygnał   z   jednego   generatora.
Zmieniając ustawienia wbudowanego w generator tłumika, wyznaczyć charakterystykę przejściową
badanego   wzmacniacza.   Moc   wejściową   odczytać   z   ustawienia   tłumika,   a   moc   wyjściową   z
analizatora widma.  Dopuszczalne, minimalne tłumienie ustawione na generatorze wynosi: 37
dB.  Na   podstawie   sporządzonej   charakterystyki   określić   moce   wejściową   i   wyjściową,
odpowiednio, Pin

1-dB

i Pout

1-dB

, odpowiadające 1 dB spadkowi wzmocnienia mierzonego w zakresie

nieliniowej pracy wzmacniacza, tzw. 1-dB kompresję wzmocnienia.

3. Pomiar drugiej i trzeciej harmonicznej. Identyfikacja źródła zniekształceń nieliniowych.

Ustawić na analizatorze maksymalny poziom sygnału o stałej wartości, np. -10dBm w paśmie

podstawowym, następnie przełączyć się na żądany zakres częstotliwości i dostroić urządzenie do
odpowiedniej   harmonicznej   sygnału   mierzonego   na   wyjściu   wzmacniacza   pokrętłem   zmiany
częstotliwości.   Zmierzyć   wartość   względną   sygnałów   harmonicznych   i   zidentyfikować   źródło
zniekształceń nieliniowych  przy pomocy zewnętrznego tłumika. Jeżeli zmiana  wartości tłumika
spowoduje równy co do wartości spadek amplitudy sygnału wyświetlanego na analizatorze, wtedy
oznacza to, że mierzone zniekształcenia generowane są jedynie w badanym elemencie.

4. Wyznaczenie charakterystyki mocy dla drugiej i trzeciej harmonicznej.

Korzystając z tych samych ustawień analizatora widma wykonać pomiar mocy

poszczególnych sygnałów harmonicznych, zwiększając ustawienie tłumika znajdującego się
wewnątrz generatora. Za poziom maksymalnego sygnału przyjąć ustawienie tłumika z punktu 2
niniejszej instrukcji.

5. Pomiar produktów intermodulacji.

Do wrót wejściowych wzmacniacza mocy doprowadzić sumę dwóch sygnałów

mikrofalowych   o   częstotliwościach   różniących   się   o   kilka   MHz.   Wyrównać   amplitudy   obu
sygnałów  pamiętając   o   nieprzekraczaniu   skrajnej   wartości   poziomu   Reference   Level.
Zmierzyć   na   analizatorze   widma   wszystkie   produkty   intermodulacyjne   trzeciego   rzędu
wprowadzane   przez   badany   wzmacniacz   w   warunkach   jego   mało-   i   wielkosygnałowej   pracy.
Porównać   ze   sobą   uzyskane   wartości.   Częstotliwość   sygnału   można   odczytać   bezpośrednio   z
analizatora widma przesuwając w dziedzinie częstotliwości mierzony sygnał tak, aby znajdował się
na środku skali.

6. Wyznaczanie współczynnika intermodulacji.

Na podstawie pomiarów charakterystyk przejściowych badanego wzmacniacza, jego sygnału

wyjściowego oraz poszczególnych produktów intermodulacyjnych wyznaczyć współczynnik
zniekształceń intermodulacyjnych trzeciego rzędu IP

Opracowano w Zakładzie Teorii i Techniki Mikrofalowej Politechniki Wrocławskiej