Техника измерения интермодуляционных искажений с помощью двухтонального сигнала.
Семь правил для корректного измерения характеристик нелинейных радиокомпонентов
Автор Keith Barkley. Статья опубликована в журнале «RF Design».
Исследования интермодуляционных искажений с помощью двухтонального сигнала имеют давную и славную историю. Ещё на заре радиотехники этот метод использовался для определения нелинейности радиокомпонентов: активных и пассивных.
За годы накопились сведения о способах измерений интермодуляционных искажений. Несколько простых правил помогут Вам создать измерительную систему, которая позволит с большой точностью провести двухтональное испытание. Примем за f1 и f2 частоты испытательного двухтонального сигнала, а за Δf – частотный интервал между ними.
Откуда это пошло…
Поскольку подробное описание причин интермодуляции не является целью статьи [ 1 ], отметим лишь, что интермодуляционные искажения являются результатом нелинейной передаточной функции. Всё, за возможным исключением сигнала в открытом пространстве, генерирует интермодуляционные искажения.
Правило №0: Всё генерирует интермодуляционные искажения
Устройство, которое добавляет интермодуляционные искажения к своему выходному сигналу, будет иметь нежелательные частотные компоненты, возникающие на определённых частотах. Продукты третьего порядка появятся на частотах: (2 х f1 - f2) и (2 x f2 - f1), как внешние компоненты с частотным разносом Δf выше и ниже частот двухтонального испытательного сигнала. Составляющие пятого порядка обозначатся выше и ниже составляющих третьего порядка на расстоянии точно Δf. То же произойдёт и с составляющими следующих нечётных порядков. Пример спектра устройства, имеющего неудовлетворительную интермодуляционную характеристику, снятый с экрана анализатора спектра показан на Figure 1.
Кое-кто может заметить, что в литературе, в основном, речь идёт о нечётных
порядках продуктов интермодуляции. А что же чётные, или им уготована судьба,
постигшая первый телевизионный канал в США? В действительности же, чётные
порядки генерируются, но они находятся за пределами используемых РЧ диапазонов.
Продукты второго порядка приходятся на сумму и разность двух частот в
двухтональном испытательном сигнале или (f2 – f1)
и (f2 + f1). Разработчики
многооктавных (сверхширокополосных) усилителей должны принимать в расчёт и
интермодуляционные составляющие чётных порядков, в частности, - второго
порядка. Простейшим способом уменьшения уровня интермодуляционных продуктов
второго порядка является применение двухтактных (пушпульных) усилителей, в
которых продукты чётных порядков взаимно уничтожаются. (Степень подавления
продуктов зависит от симметрии схемы – UA9LAQ).
GSM, CDMA, PCN, 8VSB, π/4DPQSK, NAMPS, 64QAM и EDGE - вся эта “каша” из букв и цифр обозначает применение различных схем цифровой обработки сигналов. Как же со всеми этими стандартами уживается старинный двухтональный метод определения интермодуляционных искажений? До сих пор неясно. Необходимо найти корреляцию (родственность, связь – UA9LAQ) между работой проверяемого двухтональным сигналом компонента аппаратуры и его же поведением при воздействии сложных цифровых сигналов [ 2 ].
Как оборудовать устройство для проверки на интермодуляцию
Обычно используемое устройство для проверки аппаратуры двухсигнальным (двухтональным) методом показано на Figure 2.
Оно состоит из двух параллельных трактов, с сигнал-генератором в каждом, двух усилителей и четырёх циркуляторов, объединённых в двухсторонний сумматор (смеситель, Combiner), сигнал из которого поступает на, обычно включаемый здесь, регулируемый аттенюатор, а после подаётся на исследуемое устройство. Для просмотра результата обычно применяется анализатор спектра.
Несмотря на то, что обычный РЧ сигнал-генератор намного дешевле, лучше применять синтезатор частоты. При использовании двух генераторов, трудно удержать постоянным разнос частот Δf, особенно, при малом его значении. Приходится постоянно подстраивать частоты генераторов из-за их ухода (поэтому для измерений и применяют кварцованные генераторы с возбуждением резонаторов на первой гармонике, с минимумом реактивных элементов – катушек, конденсаторов, в цепи с кварцем - UA9LAQ). При разносе частот порядка 50 кГц требования к стабильности частот несколько снижаются, особенно, если тестирование на интермодуляцию производится быстро, для подстройки параметров идентичных устройств, например, на производстве. Для поддержания постоянным уровня сигнала (относительно друг друга) на выходе усилителей служат подстраиваемые (плавные) аттенюаторы, установленные в цепи выхода каждого сигнал-генератора. Общий для двух тонов уровень выходного напряжения устанавливается (синхронно) аттенюатором, к выходу которого подключен вход тестируемого устройства. Всё, вроде, хорошо, логично, но аттенюатор должен быть согласован (пропускать усреднённую величину мощности сигнала, необходимого для исследования) и быть линейным, иначе, он будет генерировать свою интермодуляцию – правило № 0.
Важно знать собственную интермодуляционную характеристику проверочного устройства, быть уверенным, что она не влияет на результаты испытаний. Одновременно, необходимо выявить источники паразитных наводок (нежелательные, неучтённые), чтобы избежать ошибок, вносимых в результат. В синтезаторах должны использоваться частоты, которые обеспечивают моночастотность каждого из двухтональных составляющих, отсутствие помех в пределах полосы измерения. Для того чтобы проверить измерительный стенд, просто отсоедините от него тестируемое устройство. Присоедините нагрузку к источнику двухтонального сигнала и просмотрите на ней спектр, при всех необходимых уровнях и на всех необходимых частотах. (Формулы для расчёта собственных (аппаратных, инструментальных) интермодуляционных искажений приведены в конце статьи).
Точная подстройка
Хорошей практикой было бы использовать синтезатор в союзе с анализатором спектра, используя, при этом, общий источник опорной частоты (синхронизация – это важно - UA9LAQ). Это положительно скажется на качестве измерений, их стабильности и точности, особенно, при малом разносе частот в двухтональном испытательном сигнале. Если этот разнос составляет более 10 кГц, то выигрыша в вышеизложенном утверждении практически нет, а синтезатор ещё и внесёт специфические для него помехи в результат измерения. Другим положительным свойством синхронизации синтезатора с анализатором спектра может служить возможность получения однотонального сигнала с двойной амплитудой (путём сложения амплитуд двух сигналов, составляющих двухтональный сигнал при разносе их частот Δf = 0 – UA9LAQ). Известно, что без синхронизации трудно удержать два сигнала одной частоты с точностью до фазы вручную.
Другой причиной проверки выхода двухтонального генератора является выявление паразитных сигналов, дающих дополнительные отклики на экране анализатора спектра, что может привести к недоразумениям при проверке устройств и компонентов устройств на интермодуляцию.
Тест на обратную интермодуляцию и проверка
Небольшой модификацией измерительной системы является тест на обратную интермодуляцию, который осуществляется, когда второй испытательный сигнал подаётся на выходной порт исследуемого устройства. Этот тест симулирует ситуацию обычную для связной аппаратуры, когда мешающий сигнал с соседнего передатчика наводится на вход, проходит через всю систему, включая усилитель мощности. Оборудование позволяющее выполнить этот тест показано на Figure 3.
Направленный ответвитель использован для подачи сигнала обратно в исследуемое устройство. Для предотвращения генерирования интермодуляционных продуктов самим источником сигнала и для устранения влияния на результаты измерения (взаимодействия с ними) необходим циркулятор. Подстройка системы должна быть выполнена без тестируемого устройства. Измеритель мощности (с аттенюатором, если это необходимо) присоединяется к выходному порту испытуемого устройства, обращённого к нагрузке. Сигнал подводится к
направленному ответвителю. Обычно, это влияет на подачу сигнала в то, что называется портом, который ответвляет сигнал из главной линии идущий на нагрузку. Большинство направленных ответвителей имеет внутренние зонды, с помощью которых большой мощности не получишь (не отведёшь) – внимательно изучите техническую документацию на применяемый направленный ответвитель. Источник сигнала настроен таким образом, чтобы получить на выходном порте исследуемого устройства необходимый (определённый) уровень сигнала. Поскольку направленные ответвители симметричны, то уровень мощности обратного тона (обратной волны) на сигнал-генераторе будет уменьшен на коэффициент связи, так что может быть необходим исходный на 20-30 дБ больше, чем мощность необходимая на исследуемом устройстве. Как только уровень сигнала будет откалиброван, исследуемое устройство может быть заменено и включено в работу. Обратный тональный сигнал может быть приложен и уровень интермодуляционных искажений сверен с указанным в спецификации на исследуемую аппаратуру. Например, в спецификации может значиться, что обратный тон 10 дБм и все результирующие интермодуляционные продукты должны быть на уровне - 80 дБ или лучше, по отношению к прямому (основному) тону составляющему 40 дБм.
Побежали дальше…
Есть три секрета при изготовлении качественного стенда для проведения двухтонального исследования устройств на интермодуляцию. Это - изоляция, изоляция и ещё раз - изоляция!
Правило № 1: делайте как можно большую изоляцию.
Может показаться, что в измерительной системе слишком много циркуляторов. Знайте, что изоляция с помощью одного циркулятора не превышает уровня в 20 дБ. Возможно, потребуется каскадирование двух циркуляторов, чтобы получить удвоенный уровень изоляции.
Действительно, некоторые сигналы при сведении не проходят в соединительные кабеля, но пролазят через излучение и даже через питающую сеть переменного тока. Если имеются проблемы с большим уровнем интермодуляционных искажений в самой измерительной системе, попробуйте переместить стенд в другое место. Вытащите генераторы из их 19-дюймовой стойки и разбросайте по столу, разделив экранами. Включите две половинки стенда в разные питающие сети (реальнее: хотя бы в разные розетки - UA9LAQ). При исследуемых уровнях интермодуляционных искажений, граничащих с -80 дБ для создания проблем многого не нужно: приходится учитывать и такие факторы.
Правило № 2: Проверьте Вашу испытательную систему.
Может показаться дорогим удовольствием применение двух отдельных усилителей взамен одного с большей выходной мощностью, работающего в классе А. Это (класс А) заставит усилитель генерировать малые уровни собственных интермодуляционных искажений источника испытательного сигнала на входе испытуемого устройства. Следует принять за правило обеспечение усилителем относительного уровня собственных интермодуляционных искажений по составляющим третьего порядка не менее -30 дБ при рабочем уровне выходной мощности (при четверти установленной мощности для каждого тона). Уровень искажений будет падать на 2 дБ, каждый раз, когда мощность будет уменьшаться на 1 дБ. Например, если 100-ваттный усилитель класса А используется при мощности 10 Вт (по 2,5 Вт на тон), то можно обнаружить уменьшение искажений источника сигнала на 20 дБ, или -50 дБ по составляющим третьего порядка.
“Подводные камни” при измерении интермодуляционных искажений
Ставя цель получения определённой величины искажений и, проводя их измерения, каждый должен прекрасно понимать всю терминологию, используемую для описания амплитуд действующих тональных сигналов.
Для описания мощности тональных сигналов существует три способа:
-
Потональная.- Абсолютная мощность индивидуального тонального сигнала. Это можно отследить на экране анализатора спектра просто и точно. Если в техдокументации сказано: деталь следует испытывать при мощности 1 Вт на тон, это означает, что нужно подать два сигнала с мощностью в 1 Вт каждый. Эта мощность может быть отнесена как ко входу, так и к выходу (будьте внимательны!), хотя “выходной” вариант более приемлем, в случае, если Вы располагаете всего одним анализатором спектра.
-
Усреднённая. - Усреднённое значение мощности двух тонов. Эта мощность наиболее точно и просто измеряется простым, средне-квадратичным (RMS) измерителем мощности. Результатом является простое суммирование двух мощностей тонов. Так если каждый тон имеет мощность 1 Вт. Усреднённое значение составляет 2 Вт.
-
Пиковая. - По-другому известная как (Peak Envelope Power - PEP) – это максимальная постоянно действующая мощность комбинации из двух сигналов. Двухтональный сигнал выглядит похожим на амплитудно-модулированный (АМ) тональный сигнал. Форма РЧ сигнала изменяется по синусоидальному закону с частотой Δf. Когда напряжения с частотами f1 и f2 находятся в противофазе, то они компенсируют друг друга – результат - нулевое напряжение, когда напряжения в фазе - то уровни сигналов складываются и образуют сигнал двойной амплитуды одного тона. Поскольку мощность равна квадрату напряжения делённому, на сопротивление, то при увеличении напряжения в два раза, мощность возрастает в четыре. Мощность РЕР (пиковая) в 4 раза превышает потональную и в два раза, - усреднённую. В этом примере, потональная - 1 Вт, усреднённая - 2 Вт, пиковая (РЕР) - 4 Вт. Обычно, в промышленности пользуются измерителями усреднённой (средне-квадратичным значением) мощности и высчитывают пиковую (РЕР) как удвоенное значение усреднённой. Это технически неверно, поскольку мощность РЕР всегда меньше удвоенного значения усреднённой в присутствие гармонических и интермодуляционных искажений. Тем не менее, при продуктах интермодуляции ниже - 30 дБ эта ошибка становится незначительной. Коль скоро пиковый индикатор мощности используется для непосредственного измерения мощности РЕР, то этот факт следует отмечать в сопроводительной документации на исследуемое устройство, чтобы можно было сравнивать с другим тестируемым устройством, в котором измеряется усреднённая мощность (её средне-квадратичное значение).
Порой можно впасть в ошибку, поэтому вот Вам ещё одно правило:
Правило № 3: Всегда используйте один и тот же способ измерения мощности.
Подерём горло…
Теперь, когда мы определились с терминами, можно более чётко сформулировать и определения. В зависимости от производителя, техническая документация на то или иное изделие может содержать данные потональные или РЕР. Эти данные могут быть отнесены как ко входу, так и к выходу. Тем не менее, данные в дБ (dBc) всегда относятся к выходу и относительный уровень несущей (“c” в “dBc”) всегда - уровень потональный. Другими словами, интермодуляционные искажения измеряются из самого мощного из входных двух тонов в сравнении с наивысшим уровнем интермодуляционных составляющих (продуктов третьего, пятого и т. д. …порядков).
Цель оговаривания изложенных позиций заключается в том, чтобы не дать одному производителю аппаратуры, путём манипуляций цифрами, выгородить свою, отнюдь не лучшую, продукцию перед конкурентами.
Один из производителей мощных ВЧ полупроводниковых приборов использовал РЕР в качестве опорной для уровня несущей, поднося это как прорыв в технике - на 6 дБ лучшие показатели по интермодуляции. К несчастью, обычно, другого способа определить достоверность параметра не бывает, так как в техдокументации указано “dBc”, т. е., по отношению к несущей.
На
Figure 4 показан реальный пример. Анализатор спектра
подключен к ответвителю на выходе исследуемого устройства. Это устройство
питается, согласно его инструкции по эксплуатации напряжением 26 В при токе 25
мА. Установлена рекомендуемая выходная мощность 2 Вт РЕР. Для проведения
измерения включены оба тональных сигнала, подключен переменный аттенюатор,
которым на измерителе средне-квадратичного (RMS) значения
мощности установлено её значение, равное 1 Вт, что составляет 2 Вт РЕР. В этом
случае, поскольку значение мощности установлено с помощью измерителя,
спектроанализатор использовался только как индикатор для относительных
измерений. Поэтому нет необходимости калибровки прибора в абсолютных значениях
мощности.
Уровни тональных сигналов проверялись на экране анализатора спектра, их различие не должно превышать 0,2 дБ. Если это не так, следует скорректировать выходные напряжения сигнал-генераторов, чтобы выполнить условие (хотя бы относительного) равенства уровней сигналов в двухтональном, испытательном.
(Примечание: понаблюдайте за поведением функции DELTA MARKER спектроанализатора. На некоторых аппаратах, когда включена функция “дельта”, то они встают в режим абсолютного измерения мощности, вне зависимости, от того, что делается “внутри” сигнала). На более совершенных анализаторах функция “дельта” следует за уровнем измеряемого сигнала. Если Вы пользуетесь анализатором первого типа, то устанавливайте уровень тонального сигнала по указателю функции “дельта”, а не по опорному уровню этой функции.
Когда уровни испытательных тональных сигналов установлены равными друг другу, продукты интермодуляции измеряются методом сравнения большего уровня (одного из тонов, если их амплитуды неодинаковы) с самым большим значением амплитуды желаемого продукта интермодуляции (порядка). На некоторых анализаторах спектра есть функция, которая автоматически выводит абсолютное или относительное значение всех пичков, имеющихся на экране. Имея такую функцию, для измерения уровней продуктов интермодуляции, достаточно лишь взглянуть на экран.
Измерения при других РЕР уровнях могут быть легко проведены, перестройкой аттенюатора, чтобы с одной стороны- не перегрузить анализатор, с другой - чтобы уровни пичков были удобными для наблюдения.
Примечание: если расстояние между тонами большое - 1 МГц и более, то следует проверить плоскость частотной характеристики и, при необходимости скорректировать соотношение амплитуд тональных сигналов для получения одинаковых уровней на выходе стенда. В этом примере составляющие 3 порядка равны - 33 дБ (dBc) по отношению к уровню несущей, пятого -47 dBc, седьмого -53 dBc.
Понимаем составляющие…
Измеритель мощности может обеспечивать неточные (средне-квадратичные, действующие) показания в двух случаях:
-
Когда используется измеритель мощности, имеющий характеристику, отличную от средне-квадратичной (RMS). Термопары, термисторы и диодные детекторы, работающие на квадратичном участке характеристики являются действительно имеющими средне-квадратичные характеристики и обеспечивают точные показания приборам, измеряющим действующую усреднённую мощность. Измерители мощности, имеющие детекторы, работающие на неквадратичном (линейном) участке характеристики должны быть выявлены, чтобы не допустить ошибок в измерении мощности. Вообще-то рекомендуется при измерениях интермодуляции пользоваться только одним ваттметром со средне-квадратичной характеристикой (RMS).
-
Другой случай получения неправильных показаний при измерении мощности может быть получен, когда сигнал не похож на двухтональный. Любые дополнительные всплески, кроме двух тонов, включая интермодуляционные составляющие, добавляют усреднённую мощность. К счастью, проблема носит линейный характер и легко учитываема. Если составляющие интермодуляции третьего порядка -30 dBc, то ошибка составляет 0,1%. Если составляющие третьего, пятого, седьмого порядков находятся все на уровне -15 dBc, то усреднённый ваттметр покажет значение мощности на 10 % больше значения мощности при чисто двухтональном сигнале.
Также нельзя отбрасывать гармонические искажения. Уровень мощности гармоник добавляется к мощности основных тонов по линейному закону и также вносит ошибки в измерения. Пиковый диодный детектор измерителя мощности очень чувствителен к наличию гармоник. При использовании ваттметров такого типа, перед ними следует устанавливать фильтры гармоник, если измерения проводятся на сигналах изобилирующих гармониками.
Любая интермодуляция, генерируемая в испытательной системе должна происходить на тех же частотах, что и интермодуляция генерируемая испытуемым устройством. Это означает, что интермодуляция, измеренная на выходе тестируемого устройства, является результатом векторного суммирования интермодуляции стенда и тестируемого устройства. А это приводит к ошибкам, которые Вы и не ожидали. Это не просто линейное сложение мощностей, но и сложение напряжений, а это уже дискуссия, напоминающая вышеизложенную об РЕР.
Правило № 4. Ваттметры (измерители мощности) могут лгать.
Производим математические расчёты…
Вот формулы для расчёта для худшего случая инструментальной ошибки по интермодуляционным искажениям.
Максимальная позитивная ошибка (напряжения в фазе):
Максимальная негативная ошибка (напряжения в противофазе):
Где SIMD - абсолютная величина интермодуляционных искажений на входе испытуемого устройства и MIMD - величина искажений на выходе испытуемого устройства.
Например, какова будет возможная ошибка, если на выходе тестируемого устройства интермодуляционные составляющие третьего порядка - 30 dBc, а собственный инструментальный уровень этих же составляющих составил - 40 dBc? Разница в результатах измерений равна - 10 дБ. Подставляем результаты в формулы и получаем:
Немного удивляет то, что исходный сигнал со стенда имеет интермодуляцию на 10 дБ ниже, чем она имеется на выходе тестируемого устройства, ошибка составляет +2,4 и – 3,3 дБ.
На Figure 5 показана раскладка максимальной и минимальной ошибок, т.е., разницы интермодуляции. Действительный уровень интермодуляции лежит где-то посередине двух кривых и зависит от амплитуды и фазы интермодуляции образцового испытательного сигнала и интермодуляции, генерируемой испытуемым устройством. Это ведёт к предположению, что для получения более точных результатов при измерении интермодуляционных искажений, источник сигнала должен иметь уровень интермодуляции, по крайней мере, на 30 дБ ниже.
Правило № 5: Настраивайте источник испытательного сигнала на минимум интермодуляционных искажений.
Важность применения анализатора спектра
Анализатор спектра является сердцем всей системы для измерения интермодуляции. Общая установка органов управления спектроанализатором при измерениях интермодуляции проста [ 3 ]. Глаз является хорошим контролёром. Убедитесь, что мощность, подаваемая на смеситель меньше, чем рекомендуемая изготовителем, при которой даны параметры анализатора по интермодуляции.
Например, если в техдокументации на анализатор сказано, что его продукты интермодуляции третьего порядка составляют - 80 dBc при входной мощности в - 20 дБм, то потональная мощность должна составить - 23 дБм или меньше, чтобы предотвратить влияние анализатора на результат измерения. Если у анализатора есть переключатель “минимальные искажения/минимальный шум” выбирайте его положение “минимальные искажения”. Частотный диапазон, скорость развёртки, разрешение и видеополоса должны быть установлены такими, чтобы получить читаемую характеристику. При любых условиях следует добиваться максимального динамического диапазона и наличия всех желаемых компонентов интермодуляции на экране (дисплее) анализатора. Если необходимо, то диапазон частот может быть ограничен для индикации только одного компонента спектра, наличие или уровень которого является важным, этот компонент устанавливается в центре экрана. Этим можно программно считывать интермодуляцию (ситуация, когда факт жёсткой связи частот измерения с ГТИ может действительно помочь).
(Можно также, например, выделить составляющую третьего порядка в спектре и соответственно с её уровнем воздействовать на элемент регулировки, отвечающий за линейность настраиваемого устройства - оптимизация по минимуму составляющей третьего порядка - UA9LAQ )
Убедитесь также, что уровень самого слабого продукта интермодуляции, предназначенного для измерения, превышает уровень шума. Сигналы, превышающие уровень шума на 3 дБ уже могут быть измерены с достаточной степенью точности [ 4 ]. Применяя медленную развёртку и усреднение, можно выделить из шума, практически, каждый компонент интермодуляции.
Будьте внимательны, настраивая опорный уровень на меньший уровень шума. Это может понизить порог входного смесителя и перегрузить его уже имеющимся уровнем сигнала. Просматриваемую полосу лучше сузить, уменьшить полосу пропускания фильтра и точно настроиться на исследуемый продукт интермодуляции. Убедитесь, что функция “Delta Marker” анализатора спектра осуществляет то, что Вам необходимо в этих условиях.
Также убедитесь, что, с одной стороны, смеситель анализатора не перегружен и сигнал не кроется шумами, с другой. Для измерений на мощных устройствах эти два требования, обычно, легко выполняются.
Поскольку практически каждый тип спектроанализатора отличается своими особенностями, содержит скрытые и не скрытые возможности (индивидуален), то может быть выведено следующее
Правило № 6: знай свой анализатор спектра.
Точность и ожидаемые результаты…
Добиться абсолютной точности при измерениях интермодуляции сложно, так как кругом приходится иметь дело с переменными величинами. Тем не менее, некоторые из ошибок могут быть названы и учтены при необходимости.
-
Уровень мощности - на каждую 0,1 дБ ошибку при измерении мощности РЕР, составляющие третьего порядка дадут ошибку уже 0,2 дБ.
-
Частотная характеристика - (это больше чем проблема при большом разносе тонов в испытательном сигнале - Δf). Частотная характеристика измерительной системы, особенно, направленных ответвителей должна быть хорошо отработанной – плоской во всём диапазоне измерения. При расстоянии между тонами, не превышающем 100 кГц на частотную характеристику, обычно, не обращают внимания.
-
Логарифмическая характеристика анализатора спектра - после детектирования, видеосигнал посылается на усилитель, имеющий логарифмическую характеристику, соответствующим будет и амплитудный отклик на экране прибора. Ошибка усиления (отличие от логарифмической характеристики – UA9LAQ) обычного, в этих случаях, анализатора НР 71200А начала 80-х годов установлена в 0,5 дБ при уровнях от 0 до 90 дБ при полосе ПЧ 30-100 кГц. В анализаторах обычно не преобразуют полученные после детектора видеосигналы (или даже сигналы ПЧ) в цифровую форму, чтобы потом использовать DSP (цифровую обработку сигнала) для получения логарифмической характеристики. Однако, анализаторы FSEB фирмы Rohde and Schwarz имеют как цифровой так и аналоговый режимы работы. Аналоговый режим, при разрешении лучше одного кГц, даёт ошибку менее 0,3 дБ на уровнях 0-50 дБ и менее 0,5 дБ – на уровнях 50-70 дБ. В цифровом режиме ошибка составляет менее 0,3 дБ в диапазоне уровней 0-100 дБ при разрешении менее, или в 1 кГц. Так что, максимальная ошибка при логарифмическом преобразовании составляет 0,3-0,5 дБ.
Окончательный анализ…
Сведя все эти ошибки воедино, золотым правилом при сравнении двух систем следует считать: не доверять разнице результатов измерения интермодуляционных искажений, если она составляет менее 1 дБ. Выражаясь точнее: измерительная система должна иметь точность 0,75…1,0 дБ. Два измерения интермодуляции можно сравнивать, если они сделаны на той же измерительной системе, при тех же условиях и с точностью до 0,5 дБ.
Правило № 7: выход сумматора (Combiner’a) должен выдерживать половину подводимой к нему усреднённой мощности.
Предположим, что система укомплектована, как показано на Figure 2, двумя 10 Вт усилителями, чтобы поднять уровни сигналов генераторов. Подсоедините систему к мощному аттенюатору и измерителю мощности, подготовтесь к измерению собственной интермодуляции системы, как предлагается сделать это в данной статье. Включите всё оборудование, установите уровень раскачки усилителей с сигнал-генераторов таким, чтобы получить на выходе каждого усилителя мощность 10 Вт. Установите аттенюатор на минимум ослабления и вместо ожидаемых 20 Вт на измерителе мощности прочитаете значение всего 5 Вт.
Почему же она не складывается…
Что же происходит? Все детали проверены, в расчёт можно принять потери до 2 дБ. Куда же делись остальные 4 дБ? 1 дБ можно отнести на дополнительные потери в циркуляторе при большой мощности, но эти потери – величина переменная и могут отсутствовать. Самые большие потери 3 дБ- мощность рассеивается на изолированном порте сумматора (при использовании двухканального сумматора Wilkinson’a, знайте, “скрытый” резистор находится внутри конструкции, он и рассеивает мощность). Свертесь с техническими данными на сумматор, удовлетворяют ли они правилу № 7. Большинство сумматоров работают “без потерь” только тогда, когда совпадают частоты и при определённом фазовом соотношении обоих подаваемых на них сигналов.
Вся оставшаяся энергия сбрасывается на 3,5 мм выход, который “на секундочку” заимствуется из калибрационного набора схемы анализатора. Имеются и сумматоры без потерь, но они изготовляются под определённые частоты, узкополосны, труднодоступны и дороги.
Измерение точки пересечения составляющих третьего порядка…
Обычным для усилителей класса А является измерение точки пересечения для составляющих третьего порядка. В умеренно нелинейном усилителе интермодуляция третьего порядка возрастает в соотношении 3 : 1. Это означает, что на каждый 1 дБ увеличения выходной мощности приходится возрастание интермодуляционных искажений на 2 дБ по отношению к уровню несущей (dBc). Если начертить характеристику для выходной мощности и для мощности интермодуляционных составляющих 3 порядка (не отношение в dBc), то пересечение характеристик и даст ту “точку пересечения”. (На практике же невозможно измерить точку, где линии характеристик пересекутся, так как, обычно, усилитель входит в насыщение задолго до того. Линии экстраполируются (продолжаются на характеристике) по линейному закону, используя линейные участки характеристик). Легко рассчитать точку пересечения, если известна мощность интермодуляции определённого тонального сигнала, то точка пересечения = Ptone + IMD/2, где Ptone - мощность тонального сигнала в дБм, IMD - мощность интермодуляции того же сигнала в -dBc (дБ по отношению к мощности несущей). Точка пересечения рассчитывается в области, где искажения увеличиваются по линейному закону при минимальных инструментальных ошибках. На практике принято рассчитывать точку пересечения при уровнях интермодуляции вблизи - 40 dBc. Как было отмечено, никто не измеряет точку пересечения в усилителях класса АВ. Большинство усилителей этого класса имеют лишь узкую область характеристики, где искажения предсказуемы, а интермодуляция монотонна.
Многотональные измерители и поглощение шума
Если специально не оговорены условия проверки аппаратуры, то можно для проверки на линейность применить многотональный метод, где применяется более двух тонов. Поскольку мощность РЕР возрастает пропорционально квадрату количества несущих в сигнале, то сигналы могут быть генерированы с высоким соотношением амплитудного значения к средне-квадратичному.
В Table 1 (в Таблице 1) показано как быстро возрастает пиковая мощность нескольких 1 Вт источников (одно)тональных сигналов (вот здесь и можно оценить требования к линейности, например, линейного усилителя для кабельного телевидения, через который “проходят” 70-80 каналов). Многотональный тест является отличным средством проверки на линейность, особенно для многоканальных усилителей. Генераторы многотональных сигналов, имеющиеся на рынке, используют отдельные генераторы под каждый тон. Эти генераторы могут управляться через петлю ФАПЧ, чтобы поддерживать определённое фазовое соотношение между сигналами или имеют ручную подстройку наихудшего и наилучшего фазового соотношения между испытательными сигналами (тонами). (Хоть это и не входит в цель статьи, сообщим, что при увеличении количества тонов, время, затрачиваемое на каждый пик РЕР, сокращается. Время , затрачиваемое вблизи пика, является фазовой функцией каждого отдельного тона. Подстройкой фаз тонов можно изменять время, затрачиваемое на пик РЕР сигнала до (почти) нуля, что влияет на пиковое значение сигнала при неизменном средне-квадратичном).
Как использовать многотональный генератор
При увеличении количества тонов пиковая мощность РЕР растёт быстро, а средне-квадратичная - медленнее (см. таблицу). Многотональный генератор может, например, выдавать 8 тонов: по 2 мВт на тон [ 5 ]. При восьми тонах РЕР мощность будет составлять 128 мВ и может быть значительной для измерения на РЧ транзисторах средней мощности или модулях с большим коэффициентом усиления. Если необходимо иметь большую мощность на тон, то большое соотношение между пиковой РЕР и средне-квадратичной мощностями требует использовать отдельный усилитель под каждый тон, и свести сигналы с помощью восьми-входового сумматора (Combiner). Спектр сигнала восьми-тонального генератора показан на Figure 6.
После усиления мощным транзистором этот же сигнал показан на Figure 7. На практике применяются многотональные генераторы с одинаковыми расстояниями между тонами, возможно и отсутствие отдельных тонов, как показано на рисунках. Исследуя устройства, продукты искажений на месте отсутствующих тонов также учитываются и сравниваются с уровнем основных тонов, несмотря на то, находятся они внутри необходимого диапазона или за его пределами. Устройство, использовавшееся в качестве источника многотонального сигнала, имело уровень сигналов в -23 dBc.
Следующим поколением сигнал-генераторов, которые уже доступны в наше время являются генераторы с IQ-модуляторами, способными “наложить” любой модулирующий сигнал на несущую. Возможно придать модулирующему сигналу и такую форму, чтобы получить многотональный сигнал. Этот способ работает на следующих условиях:
1. Генерация необходимого IQ сигнала - для получения IQ сигнала существует программный материал (фирма Rohde and Schwarz специально распространяет таковой для получения необходимого IQ (управляющего) сигнала), но новый IQ сигнал необходимо загружать под каждую вариацию в расстоянии тонов друг от друга, их амплитуде и фазовом соотношении. Невозможно подстраивать чего-либо, кроме уровня всех тонов одновременно и центральной частоты “на лету”.
2. Генератор ограничен в уровне РЕР мощности, которая равна той максимальной, что генератор может выдать. Обычно, это - менее 100 мВт, поскольку отдельные тона не доступны для усиления, но могут быть использованы или уровни от генератора напрямую или через мощный усилитель, чтобы довести амплитуды тонов до уровней, необходимых для получения малых интермодуляционных искажений источника сигнала.
Тест на линейность можно провести и используя в качестве испытательного сигнала шум, ограниченный по необходимой полосе и использовать поглощающий фильтр для того, чтобы убрать часть шума. Пройдя через тестируемое устройство продукты интермодуляции собираются в поглощающем фильтре и коэффициент искажений можно выразить как отношение сигнала на верхушке шума к шуму в поглощающем фильтре. Этот тест на линейность усилителя является жёстким и, возможно, лучше всего отражает действительную картину. Этим способом можно испытывать как маломощные, так и мощные аппараты на больших уровнях мощности, шум может быть довольно легко усилен. Мощный поглощающий фильтр необходимо использовать, чтобы удалить шум из рабочего диапазона, на котором производится измерение. Любые продукты, добавляемые усилителем испытательного сигнала, удаляются поглощающим фильтром.
Анализатор спектра со средне-квадратичным детектором (RMS) упрощает измерение шумового сигнала. Вспомните, что необходимо лишь сравнить два уровня шума, не измеряя их абсолютного значения. Возможно, не нужно и применять измеритель шума с результатом в “шум - на – корень - Гц” или выводить какие-либо поправки, обычно рекомендуемые при “шумовых” измерениях с использованием анализаторов спектра. Упомянутые выше IQ сигнал-генераторы могут также генерировать эти шумовые сигналы с поглощением в определённой полосе частот. Отметьте, что РЕР ограничения также относятся к этим сигналам [ 6 ].
Заключение - вспомним правила…
№ 0: Всё генерирует интермодуляционные искажения.
Примечание: всё генерирует интермодуляционные искажения самым неожиданным образом.(вот и он, старый, добрый Мерфи…)
№ 1: Добивайтесь как можно большей степени изоляции источников сигнала друг от друга и от общей нагрузки.
№ 2: Проверьте испытательный стенд, он должен быть (почти) безупречен.
№ 3: Всегда используйте один и тот же способ измерения мощности.
№ 4: Измерители мощности могут лгать.
№ 5: Проверяйте источник испытательного сигнала на наличие интермодуляционных искажений и их уровень.
№ 6: Потрудись изучить свой анализатор спектра (и как с ним обращаться).
№ 7: Выход сумматора должен быть способным выносить половину средне-квадратичного значения мощности, подводимой к сумматору.
Литература: 1. H. Krauss, C. Bostian, F. Raab, Solid State Radio Engineering, John
Wiley and Sons, 1980
2. A. Bindra “RF Power Amplifiers flex LDMOS Muscle in Wireless
Equipment”, Electronic Design, February, 7th, 2000, pp. 83-90.
3. M. Engelson, Modern Spectrum Analyzer Measurements, JMS, 1991.
4. Hewlett Packard, Application Note 1303, Spectrum Analyzer
Measurements and Noise, Hewlett Packard, 1998.
5. RDL., Inc., “Instruction Manual for IMD-181D Intermodulation
Distortion Simulator”.
6. Rohde and Schwarz, “Application Manual - Software WinIQSIM
for calculating IQ Signals for modulation Generator AMIQ”,
1007.9245.42-01.
P.S. И, напоследок: в таком тонком деле как измерение интермодуляционных искажений никогда не забывайте о законах Мерфи для радиолюбителей - UA9LAQ.
Извините за качество рисунков – такие в оригинале статьи.
Свободный перевод с английского: Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень декабрь, 2002 г
