Боб Нельсон (Bob Nelson)
Чаще всего анализаторы спектра применяются для измерения сигналов очень малого уровня. Это могут быть известные сигналы, параметры которых необходимо измерить, или неизвестные сигналы, которые нужно обнаружить. В любом случае, для улучшения этого процесса следует иметь представление о методах повышения чувствительности анализатора спектра. В этой статье мы обсудим оптимальные настройки для измерения сигналов малого уровня. Кроме того, мы обсудим применение коррекции шума и функции снижения собственных шумов анализатора для максимального повышения чувствительности прибора.
Средний уровень собственных шумов и коэффициент шума
Чувствительность анализатора спектра можно узнать из его технических характеристик. В роли этого параметра может выступать либо средний уровень собственных шумов (DANL), либо коэффициент шума (NF). Средний уровень собственных шумов представляет собой амплитуду собственных шумов анализатора спектра в заданном диапазоне частот с 50‑омной нагрузкой на входе и входным ослаблением 0 дБ. Обычно этот параметр выражается в дБм/Гц. В большинстве случаев усреднение выполняется по логарифмической шкале. Это приводит к снижению отображаемого среднего уровня шума на 2,51 дБ. Как мы узнаем из дальнейшего обсуждения, именно это снижение уровня шумов отличает средний уровень собственных шумов от коэффициента шума. Например, если в технических характеристиках анализатора указано значение среднего уровня собственных шумов – 151 дБм/Гц при полосе пропускания фильтра ПЧ (RBW) 1 Гц, то с помощью настроек анализатора вы можете снизить уровень собственных шумов устройства как минимум до этого значения. Кстати, немодулированный сигнал (CW), имеющий ту же амплитуду, что и шум анализатора спектра, окажется при измерении на 2,1 дБ выше уровня шумов из-за суммирования двух сигналов. Аналогичным образом наблюдаемая амплитуда шумоподобных сигналов будет на 3 дБ превышать уровень собственных шумов.
Собственный шум анализатора состоит из двух компонентов. Первый из них определяется коэффициентом шума (NFас), а второй представляет собой тепловой шум. Амплитуда теплового шума описывается уравнением:
NF = kTB,
где k = 1,38×10–23 Дж/K — постоянная Больцмана; T — температура (К); B — полоса (Гц), в которой измеряется шум.
Эта формула определяет энергию теплового шума на входе анализатора спектра с установленной нагрузкой 50 Ом. В большинстве случаев полоса приводится к 1 Гц, и при комнатной температуре расчетное значение теплового шума 10log(kTB) = –174 дБм/Гц.
В результате значение среднего уровня собственных шумов в полосе 1 Гц описывается уравнением:
DANL = –174+NFас = 2,51 дБ. (1)
Кроме того,
NFас = DANL+174+2,51. (2)
Примечание. Если для параметра DANL используется среднеквадратическое усреднение мощности, то член 2,51 можно опустить.
Таким образом, значение среднего уровня собственных шумов –151 дБм/Гц эквивалентно значению NFас = 25,5 дБ.
Настройки, влияющие на чувствительность анализатора спектра
Усиление анализатора спектра равно единице. Это означает, что экран калибруется по входному порту анализатора. Таким образом, если подать на вход сигнал с уровнем 0 дБм, измеренный сигнал будет равняться 0 дБм плюс/минус погрешность прибора. Это нужно учитывать при использовании в анализаторе спектра входного аттенюатора или усилителя. Включение входного аттенюатора заставляет анализатор повышать эквивалентное усиление каскада ПЧ для сохранения калиброванного уровня на экране. Это, в свою очередь, повышает уровень собственных шумов на ту же величину, сохраняя, тем самым, прежнее отношение сигнал/шум. Это справедливо и для внешнего аттенюатора. Кроме того, нужно сделать пересчет на полосу пропускания фильтра ПЧ (RBW), большую 1 Гц, добавив член 10log(RBW/1). Эти два члена позволяют определить уровень собственных шумов анализатора спектра при разных значениях ослабления и полосы разрешения.
Уровень шумов = DANL + ослабление + 10log(RBW). (3)
Добавление предусилителя
Для снижения собственных шумов анализатора спектра можно использовать встроенный или внешний предусилитель. Обычно в технических характеристиках указывается второе значение среднего уровня собственных шумов с учетом встроенного предусилителя, и при этом можно использовать все приведенные выше уравнения. При использовании внешнего предусилителя новое значение среднего уровня собственных шумов можно рассчитать, каскадируя уравнения для коэффициента шума и считая усиление анализатора спектра равным единице. Если рассмотреть систему, состоящую из анализатора спектра и усилителя, то получится уравнение:
NFсист = NFпредус+(NFас–1)/Gпредус. (4)
Используя значение NFас = 25,5 дБ из предыдущего примера, усиление предусилителя 20 дБ и коэффициент шума 5 дБ, мы можем определить общий коэффициент шума системы. Но сначала нужно преобразовать значения в отношение мощностей и взять логарифм от результата:
NFсист = 10log(3,16+355/100) = 8,27 дБ. (5)
Теперь можно использовать уравнение (1) для определения нового значения среднего уровня собственных шумов с внешним предусилителем, просто заменив NFас на NFсист, рассчитанное в уравнении (5). В нашем примере предусилитель существенно уменьшает DANL с –151 до –168 дБм/Гц. Однако это не дается даром. Предусилители, как правило, обладают большой нелинейностью и низким значением точки компрессии, что ограничивает возможность измерения сигналов большого уровня. В таких случаях более полезным оказывается встроенный предусилитель, поскольку его можно включать и отключать по мере необходимости. Это особенно справедливо для автоматизированных контрольно-измерительных систем.
До сих пор мы обсуждали, как влияют полоса пропускания фильтра ПЧ, аттенюатор и предусилитель на чувствительность анализатора спектра. В большинстве современных анализаторов спектра предусмотрены методы измерения собственных шумов и коррекции результатов измерений на основе полученных данных. Эти методы применяются уже многие годы.
Коррекция шума
При измерении характеристик некоторого тестируемого устройства (ТУ) анализатором спектра наблюдаемый спектр складывается из суммы kTB, NFас и входного сигнала ТУ. Если отключить ТУ и подключить к входу анализатора нагрузку 50 Ом, спектр будет представлять собой сумму kTB и NFас. Эта трасса является собственным шумом анализатора. В общем случае коррекция шумов заключается в измерении собственного шума анализатора спектра с большим усреднением и сохранении этого значения в виде «поправочной трассы». Затем вы подключаете к анализатору спектра тестируемое устройство, измеряете спектр и заносите результаты в «измеренную трассу». Поправка осуществляется путем вычитания «поправоч- ной трассы» из «измеренной трассы» и отображения результатов в виде «результирующей трассы». Эта трасса представляет собой «сигнал ТУ» без дополнительного шума:
Результирующая трасса = измеренная трасса – поправочная трасса = [сигнал ТУ + kTB + NFас]–[kTB + NFас] = сигнал ТУ. (6)
Примечание. Перед вычитанием все значения преобразовывались из дБм в мВт. Результирующая трасса представлена в дБм.
Эта процедура улучшает отображение сигналов малого уровня и позволяет точнее измерять амплитуду благодаря устранению погрешности, связанной с собственными шумами анализатора спектра.
Рис. 1. Коррекция шума, выполняемая путем математической обработки трассы
На рис. 1 показан сравнительно простой метод коррекции шума путем применения математической обработки трассы. Сначала выполняется усреднение собственных шумов анализатора спектра с нагрузкой на входе, результат сохраняется в трассе 1. Затем подключается ТУ, захватывается входной сигнал, а результат сохраняется в трассе 2. Теперь можно использовать математическую обработку — вычитание двух трасс и занесение результатов в трассу 3. Как видите, коррекция шума особенно эффективна, когда входной сигнал близок к уровню собственных шумов анализатора спектра. Сигналы большого уровня содержат значительно меньшую долю шума, и поправка не дает заметного эффекта.
Основной недостаток такого подхода заключается в том, что при каждом изменении настроек приходится отключать тестируемое устройство и подключать нагрузку 50 Ом. Метод получения «поправочной трассы» без отключения ТУ заключается в увеличении ослабления входного сигнала (например, на 70 дБ) для того, чтобы шум анализатора спектра значительно превысил входной сигнал, и сохранении полученных результатов в «поправочной трассе». В этом случае «поправочная трасса» определяется уравнением:
Поправочная трасса = сигнал ТУ + kTB + NFас + аттенюатор. (7)
Если
kTB + NFас + аттенюатор >> сигнал ТУ,
мы можем опустить член «сигнал ТУ» и заявить, что:
Поправочная трасса = kTB + NFас + аттенюатор. (8)
Вычитая известное значение ослабления аттенюатора из формулы (8), мы можем получить исходную «поправочную трассу», которую использовали в ручном методе:
Поправочная трасса = kTB + NFас. (9)
В этом случае проблема заключается в том, что «поправочная трасса» действительна только для текущих настроек прибора. Изменение настроек, таких как центральная частота, полоса обзора или полоса пропускания фильтра ПЧ, делает значения, сохраненные в «поправочной трассе», некорректными. Лучший подход заключается в знании значений NFас во всех точках частотного спектра и применении «поправочной трассы» при любых настройках.
Снижение собственных шумов
Анализатор сигналов Agilent N9030A PXA (рис. 2) имеет уникальную функцию снижения собственных шумов (NFE). Коэффициент шума анализатора сигналов PXA во всем частотном диапазоне прибора измеряется в процессе его изготовления и калибровки. Затем эти данные сохраняются в памяти прибора. Когда пользователь включает NFE, измерительный прибор рассчитывает «поправочную трассу» для текущих настроек и сохраняет значения коэффициента шума. Это позволяет обойтись без измерения собственных шумов PXA, как это делалось в ручной процедуре, что существенно упрощает коррекцию шумов и экономит время, уходящее на измерение шумов прибора при изменении настроек.
Рис. 2. Анализатор сигналов Agilent N9030A PXA с функцией снижения собственных шумов
В любом из описанных методов из «измеренной трассы» вычитается тепловой шум kTB и NFас, что позволяет получать результаты, лежащие ниже значения kTB. Эти результаты могут быть достоверными во многих случаях, но не во всех. Достоверность может уменьшаться, когда измеренные значения очень близки или равны собственному шуму прибора. Фактически результатом при этом будет бесконечное значение в дБ. Практическая реализация коррекции шума обычно включает введение порога или градуированного уровня вычитания вблизи уровня собственных шумов прибора.
Заключение
Мы рассмотрели некоторые методы измерения сигналов низкого уровня с помощью анализатора спектра. При этом мы установили, что на чувствительность измерительного прибора оказывает влияние полоса пропускания фильтра ПЧ, ослабление аттенюатора и наличие предусилителя. Для дополнительного повышения чувствительности прибора можно применять такие методы, как математическая коррекция шума и функция снижения собственных шумов. На практике значительного повышения чувствительности можно добиться, устранив потери во внешних цепях.
