Pràctica Analitzador d'Espectre (2017)

Pràctica Inglés
Universidad Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
Grado Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación - 2º curso
Asignatura Emissors i Receptors (ER)
Año del apunte 2017
Páginas 8
Fecha de subida 19/06/2017
Descargas 3
Subido por

Vista previa del texto

L’analitzador d’espectre de RF Emissors i Receptors Universitat Politècnica de Catalunya Maria Vallès Muñoz Ariadna Sevillano Sevillano PART I: Introducció d’espectre de RF a l’analitzador L'objectiu d'aquesta pràctica és fer una primera aproximació a l'analitzador d'espectre com a un instrument de mesura bàsic i de gran versatilitat en aplicacions de RF. S'introduiran de forma progressiva els seus principals comandaments a partir de la mesura de senyals reals i posteriorment a la mesura d'un dispositiu no lineal.
MODULACIONS D’AMPLITUD (AM) - Teoria L'expressió temporal d'un senyal modulat en amplitud amb portadora és la següent: On Xm(t) és el senyal modulador, amb una amplitud normalitzada a 1, i on m és l'índex de modulació, de valor comprès entre 0 i 1.
Aquesta mesura es pot realitzar amb un oscil·loscopi o bé amb un analitzador d'espectre utilitzant la funció de ZERO SPAN. La funció de ZERO SPAN és equivalent a utilitzar l'analitzador d'espectre com si fos un receptor, ja que l'oscil·lador local deixa de fer escombrats de freqüència i es queda fixat a la freqüència que determina la freqüència central de l'analitzador. En aquell moment, la visualització en pantalla passa a ser la del senyal desmodulat i funciona com si es tractés d'un oscil·loscopi. Aleshores cal ajustar l'amplada de banda del filtre de resolució al del senyal que es vol visualitzar.
Cal ajustar el temps d'escombratge com si es tractés de la base d'un oscil·loscopi.
Amb l'analitzador la mesura que fem és la de potències expressades en dBm, tal i com s'indica en la següent figura: Pel cas en què el senyal modulador sigui un to de la forma: Llavors el senyal modulat resultant és: que te una representació temporal i espectral com s'indica a següent figura: Llavors tindrem que: - Treball experimental L'índex de modulació a partir del senyal temporal s'obté mesurant la tensió màxima i mínima, i aplicant la següent equació: Per a dur a terme el treball experimental de l'apartat de modulacions en amplitud, dividirem aquest estudi segons el domini en el que treballarem: temporal o freqüencial.
- Emissors i Receptors Domini Temporal Com hem indicat anteriorment a la part teòrica, farem servir les mesures Emàx i Emín per a trobar el valor de l'índex de modulació m.
2 A continuació podem veure una imatge de l'analitzador d'espectre, d'on obtenim les mesures necessàries per a fer el càlcul: En aquest darrer cas, aplicant la fórmula abans indicada, obtenim que la m és igual a 10-1.28, que és igual a 0.05, és a dir un 5%.
Com podem observar a partir dels resultats obtinguts, utilitzant els valors Pc i Pm, el valor del índex de modulació és més acurat i s’acosta més al resultat correcte, per tant prendrem com a resultat final una m del 5%.
Xifra de soroll Els valors obtinguts són Emàx = 123.34µV i Emín = 114.31µV Ara, aplicant la fórmula que utilitza la Emàx i la Emín, obtenim que la m és igual a aproximadament 0.04 (4%).
- Domini Freqüencial Per acabar el treball experimental d’aquest apartat, realitzarem el càlcul de l'índex de modulació treballant en el domini freqüencial.
- Teoria Per mesurar la xifra de soroll, hem d'entendre que el senyal que es veu a la pantalla de l'analitzador és igual al que arriba al connector d'entrada, de manera que el guany del instrument és de 0 dB.
D'altra banda, també assumirem que tot el soroll detectat és d'origen tèrmic.
Així doncs, tenim la següent expressió: A les següents imatges podem veure els valors obtinguts per a les mesures Pc i Pm.
- Treball experimental Amb l'atenuador d'entrada a 0 dB, mesurem la densitat espectral de potencia de soroll i obtenim el següent resultant: Tornant l'analitzador al mode de funcionament normal, mesurem el nivell de soroll amb un valor del filtre de resolució (RBW) de 1MHz i ho repetim per a 100kHz.
Els valors obtinguts són Pc = -65.4 dBm i Pm = -97 dBm.
Emissors i Receptors 3 Primer ho mesurem amb una freqüència de 1 MHz. En aquesta imatge obtenim una Nout = -74.44dBm.
Comprovem a la memòria de la pràctica que els dos valors d'abans es corresponen, i que a la vegada es corresponen amb el resultat del primer apartat, on havíem obtingut -136.07 dBm.
−74.44 −84.53 − 10 (1 = −74.44 = −134,44 ) − 60 − 10 (100 ) = −84.53 − 50 = −134.53 Els resultats són molt aproximats, però correctes.
? = = 1 = 290 = 174 / = 1 = −74.44 = − 10 ( ) + = = −74.44 + 174 / − 10 (1 ) = 39.56 = 10 .
= 9036.49 Un cop realitzada la primera mesura, la repetim per a una freqüència de 100kHz: Ara es suposa un guany de 0 dB entre el que veu a la pantalla i el que es connecta a l'entrada del analitzador. La temperatura la suposarem a 290K. Aplicant l'equació que relaciona la potencia de soroll, No , amb la figura de soroll, NF, obtenim el valor de la NF en funció del mesurat a l'apartat d'abans (atenuador a 0 dB).
B = 1MHz = + 10 ( ) − = −74.44 − 60 + 174 / = 39.56 o B = 100KHz = + 10 ( ) − = −84.53 − 50 + 174 / = 39.47 o = −84.53 = 100 = 174 / = 1 = −84.53 + 174 − 10 log(100 = 39.47 = 10 .
) = 8851.15 Emissors i Receptors 4 Ara, obtenim la NF amb l'atenuador d'entrada a 20dB. Primer obtenim la Nout per a 100kHz i 1MHz i després fem els càlculs: B = 100KHz B = 100KHz = −44.81 = −44.81 B = 1MHz = −65.59 = −65.59 − 50 174 / = 58.41 − 50 + 174 / = 79.19 + B = 1MHz = −34.03 = −34.03 − 60 + 174 / = 79.97 = −56.64 = −56.64 − 60 + 174 / = 57.36 Per últim obtenim el valor de la NF amb l'atenuador d'entrada a 40 dB.
Emissors i Receptors 5 PART II: Mesures de distorsió L'objectiu d'aquesta segona part de la pràctica és la caracterització d'amplificadors lineals de RF a partir de la mesura dels seus paràmetres no lineals o de gran senyal.
MESURA DELS PARÀMETRES NO LINEALS O EN SENYAL Conèixer el comportament no lineal d'un amplificador és d'especial interès ja que ens permet determinar el seu marge d'operació com a sistema lineal, i en aplicacions de potència serveix per garantir, prenent les mesures adequades, que la distorsió harmònica i d'intermodulació així com d'altres productes espuris es mantinguin dintre d'especificacions.
a) Punt de compressió - Teoria Idealment un amplificador hauria de proporcionar a la seva sortida un nivell de potència proporcional al nivell de potència del senyal d'entrada, a on precisament la constant de proporcionalitat seria el guany de l'amplificador. La representació gràfica de la potència de sortida en funció de la potència d'entrada seria una recta.
Una mesura del grau de saturació de l'amplificador és el que es coneix com a punt de compressió a 1 dB, que és el nivell de potència d'entrada pel qual el nivell de potència obtingut a la sortida és 1 dB inferior al valor esperat si l'amplificador fos ideal. El sistema de mesura del punt de compressió és molt senzill, només és necessari disposar d'un analitzador d'espectre i d'un generador de RF. Es tracta de connectar l'amplificador entre el generador i una càrrega mitjançant dos acobladors direccionals, de forma que podem mesurar amb l'analitzador d'espectre els senyals existents a l'entrada i sortida de l'amplificador.
La mesura consisteix en fer un escombrat creixent de la potència del generador, mesurant la potència de sortida de l'amplificador a fi d'obtenir la corba de guany. Sobre ella el punt de compressió a 1 dB queda determinat automàticament.
El punt de compressió és una de les especificacions clau de qualsevol amplificador, ja que en definitiva és una indicació del nivell de potència màxim que ens pot lliurar una càrrega mantenint un comportament que es pugui considerar prou lineal.
A continuació mostrem utilitzat a la pràctica: l’amplificador En un amplificador real això no succeirà així, hi haurà una zona de comportament lineal que es correspondrà amb nivells de potència petits, però a partir d'un cert moment l'amplificador entrarà en saturació i ja no podrà continuar amplificant la potència d'entrada.
Emissors i Receptors 6 - Treball experimental Per començar, utilitzant els cursors de l’analitzador d’espectre, buscarem el punt de compressió del nostre amplificador.
El professor ha anat augmentant la potència de la senyal fins que, en un moment donat, observem a la pantalla de l’analitzador d’espectre que el nostre amplificador es satura a -14dBm: La distorsió d’intermodulació es representa superposant a la corba de guany de potència de l’amplificador la recta corresponent a la potència màxima d’intermodulació en funció de la potència d’entrada, com es pot observar a la següent gràfica: Una mesura important és l’OIP3.
- Treball experimental Així doncs, el punt de compressió a 1dB serà igual a -14dBm.
Observant la pantalla de l’analitzador d’espectre, podem determinar que el IMR del nostre senyal és igual a 36.16 dB: b) Distorsió d’intermodulació - Teoria El comportament no lineal d'un amplificador a més de la generació d'harmònics pot provocar, segons el tipus de senyal d'entrada, l'aparició d'espuris dins de la banda passant impossibles d'eliminar per filtrat.
Una manera de quantificar la distorsió introduïda és mitjançant el que es coneix com a distorsió d'intermodulació de tercer ordre amb dos tons.
A continuació tenim l’espectre obtingut a la sortida de l’amplificador presentant distorsió d’intermodulació de tercer ordre amb dos tons: També observem que la potència de sortida (Pout) és igual a -29.5 dBm.
Ara, el senyal trasmès passa a ser digital, i per tant el IMR digital serà el següent: Com es pot observar gràcies als cursors, obtenim un IMR de -40.67 dB.
Punt d’intercepció de tercer ordre 3= Emissors i Receptors 1 · 2 + = −11.42 7 c) Distorsió harmònica - Teoria Quan un amplificador entra en saturació, inicia un comportament no lineal que es tradueix en l’aparició de senyals espuris a la seva sortida. Si com a senyal d’entrada s’aplica un únic to, el comportament no lineal de l’amplificador provoca l’aparició a la sortida d’harmònics del senyal d’entrada generats per l’amplificador.
- Treball experimental A la pantalla podem veure fins al tercer harmònic, així doncs farem el càlcul considerant aquesta quantitat d’harmònics.
= = 1.38 10 · 2 10 · 10 = −110.96 · 290 El valor dóna pràcticament igual, però prenem el valor experimental per a fer els càlculs.
Un cop trobats tots els anteriors valors, realitzant una sèrie de càlculs podem obtenir altres mesures característiques del nostre senyal, com les que trobem a continuació.
Rang dinàmic lliure d’espuris = 2 ·( 3 3− ) = 69.7 Guany de l’amplificador Com sabem que la potència d’entrada és de 60 dBm: = −29.5 − (−60) = 30.5 Es calcula amb la següent fórmula: = 1+ 2+ 3 = (−84 − 84 − 88)— 54= −202 Creiem que el resultat no és massa correcte ja que les mesures realitzades dels harmònics no són acurades.
ALTRES CÀLCULS A continuació, mesurem el terra de soroll, obtenint un valor de -115.97 dBm: També el calculem matemàticament, ja que sabem que el MDSout correspon a Nout: Emissors i Receptors 8 ...