Понимание основных характеристик анализатора спектра: DANL, фазовый шум, TOI и RBW

1. Технические характеристики, которые потребовали двух недель отладки

Команда по проектированию радиочастотных устройств потратила две недели, пытаясь измерить третью гармонику передатчика на частоте 2,4 ГГц на уровне, который, как предсказывал их бюджет связи, должен был быть примерно -55 дБм. Их спектральный анализатор показывал только шум на ожидаемой частоте. Проблема не была в передатчике. Технические характеристики показанного среднего уровня шума анализатора были -145 дБм/Гц, и команда предположила, что это означает, что они могут видеть любой сигнал выше примерно -145 дБм. Они не учли 10 дБ затухания от входного паддера, 3 дБ показателя шума внутреннего предусилителя и то, что гармоника оказалась более чем на 2 ГГц выше оптимального диапазона частот анализатора, где чувствительность снижалась еще на 6 дБ. Фактический шумовой пол на частоте измерения был примерно -126 дБм, и гармоника -55 дБм была на 71 дБ выше него и вполне измеряемой, как только команда правильно настроила прибор.

В технических характеристиках спектральных анализаторов много параметров, которые взаимодействуют между собой таким образом, что это не всегда очевидно. Понимание того, что означает каждый параметр, как они связаны между собой и как настройка измерения влияет на фактическую производительность, превращает запутанную техническую документацию в надежное средство предсказания того, что прибор может и не может измерить. В этой статье объясняются четыре самые важные технические характеристики спектрального анализатора: DANL, фазовый шум, TOI и RBW.

2. Отображаемый средний уровень шума: Порог чувствительности

DANL, или отображаемый средний уровень шума, представляет собой внутренний шумовый пол спектрального анализатора, выраженный в виде мощности на единицу полосы пропускания, обычно в dBm/Hz. Он определяет самый слабый сигнал, который анализатор может обнаружить, когда не применяется внешнее ослабление, и предусилитель включен, если он доступен. Типичный спектральный анализатор среднего класса может иметь DANL примерно -155 dBm/Hz на частоте 1 ГГц, в то время как высокопроизводительное устройство достигает -165 dBm/Hz или лучше.

Основная идея о DANL заключается в том, что он масштабируется в зависимости от разрешающей полосы. Мощность шума, которую отображает анализатор, представляет собой интегрированный шум на всей ширине фильтра RBW. RBW 10 Гц интегрирует 10 Гц полосы шума, в то время как RBW 1 кГц интегрирует 1000 Гц. Мощность шума увеличивается на 10 дБ при каждом увеличении RBW в 10 раз. Анализатор с DANL -155 dBm/Hz показывает шумовой пол примерно -145 dBm при RBW 10 Гц, -135 dBm при RBW 100 Гц и -125 dBm при RBW 1 кГц.

Зависимость от RBW означает, что только DANL не говорит, какие сигналы можно увидеть. Необходимо также учитывать RBW, которую будете использовать для измерения. Узкая RBW понижает шумовой пол, но увеличивает время сканирования. Широкая RBW ускоряет сканирование, но повышает шумовой пол. Компромисс между чувствительностью и скоростью является фундаментальным для работы спектрального анализатора и не может быть устранен никаким алгоритмом ЦП.

3. Внешние факторы, повышающие уровень шума

Несколько факторов, выходящих за пределы внутреннего DANL анализатора, определяют реальный уровень шума. Наиболее распространенным является входное ослабление. Каждое 1 дБ входного ослабления повышает уровень шума на 1 дБ, так как аттенюатор уменьшает сигнал перед первым усилителем, в то время как собственный шум усилителя остается постоянным. Анализатор с DANL -155 дБм/Гц и 20 дБ входного ослабления имеет эффективный уровень шума -135 дБм/Гц. Многие инженеры оставляют по умолчанию 10 дБ или 20 дБ ослабления, не осознавая потери в чувствительности.

Предварительный усилитель, если он доступен, улучшает DANL, уменьшая коэффициент шума системы. Предварительный усилитель с коэффициентом усиления 20 дБ и коэффициентом шума 5 дБ может улучшить DANL системы примерно на 10 - 15 дБ, в зависимости от собственного коэффициента шума анализатора. Взаимосвязь заключается в уменьшении динамического диапазона, так как предварительный усилитель также усиливает сильные сигналы, которые могут сжимать смеситель или создавать ложные отклики. Большинство спектральных анализаторов автоматически включают и выключают предварительный усилитель на основе настройки уровня опоры, но инженер должен понимать, что делает прибор и когда нужно переопределить автоматический выбор.

Частота также влияет на DANL. Каждый спектральный анализатор имеет диапазон частот, в котором определяется его чувствительность, и обычно более широкий диапазон, в котором он работает с пониженной чувствительностью. DANL на частоте 6 ГГц может быть на 3 - 6 дБ хуже, чем на 1 ГГц. При частотах выше приблизительно 7 ГГц до 10 ГГц многие анализаторы переключаются на гармоническое смешивание, что дополнительно снижает чувствительность на 10 - 15 дБ. Если частоты ваших измерений охватывают разные диапазоны, проверьте спецификацию DANL для каждого диапазона, а не только общее значение.

4. Фазовый шум: почему важно иметь чистое местное генератор

Фазовый шум представляет собой кратковременную нестабильность частоты внутреннего местного генератора спектрального анализатора. Он проявляется в виде шумовых боковых полос вокруг любого отображаемого сигнала и ограничивает способность анализатора измерять слабый сигнал рядом с сильным. Спецификация обычно задается в дБс/Гц при определенном смещении от несущей, при этом распространенными смещениями являются 1 кГц, 10 кГц, 100 кГц и 1 МГц.

Нижеприведенная таблица показывает типичные спецификации фазового шума для разных уровней приборов при несущей частоте 1 ГГц и смещении 10 кГц.

Фазовый шум имеет значение, когда вам нужно измерить малый сигнал рядом с большим. Во время тестирования приемника собственный фазовый шум анализатора может скрыть коэффициент шума приемника, если боковые полосы фазового шума ГЧ от входного тестового сигнала выше, чем фактический шумовой полог приемника. При измерении мощности соседнего канала для базовой станции сотовой связи фазовый шум анализатора должен быть по крайней мере на 10 дБ лучше, чем спецификация АСРР, которую измеряют. В противном случае анализатор вносит больше шума, чем тестируемое устройство, и измерение показывает ограничения анализатора, а не производительность передатчика.

5. Точка пересечения третьего порядка: потолок искажений

TOI, или точка пересечения третьего порядка, количественно характеризует линейность анализатора. Когда два близко расположенных тона входят в нелинейное устройство, они создают продукты межмодуляции третьего порядка на частотах 2f1 минус f2 и 2f2 минус f1. В спектральном анализаторе эти продукты IM3 возникают в смесителе и входном усилителе. TOI - это экстраполированное значение уровня мощности, при котором продукты третьего порядка будут равны основным тонам, хотя реальные приборы сжимаются намного раньше достижения этой точки.

Для типичного спектрального анализатора TOI для входного смесителя задается приблизительно от +10 дБм до +20 дБм. Это означает, что при двух тонах по -20 дБм каждый продукты IM3 появляются приблизительно на 60 дБ ниже тонов для прибора с TOI +10 дБм. Увеличив тона до -10 дБм, продукты IM3 поднимаются только на 40 дБ ниже.

Практическим эффектом TOI является верхний предел динамического диапазона. DANL определяет нижний предел измерений анализатора, а TOI определяет верхний предел, до которого анализатор не генерирует свои собственные сигналы, которые могут быть ошибочно приняты за реальные сигналы. Диапазон динамики между DANL и TOI, когда оба нормализованы к одной полосе пропускания, обычно составляет приблизительно 80 - 95 дБ для качественного анализатора. Когда на дисплее появляются неожиданные сигналы, которые не меняются при отключении входа, скорее всего, вы видите внутренне сгенерированные продукты межмодуляции от сигналов, перегружающих смеситель.

6. Диапазон разрешающей способности: Фильтр селективности

RBW - это полоса пропускания конечного промежуточного частотного фильтра в сканирующем анализаторе или эквивалентная шумовая полоса пропускания бин FFT в анализаторе реального времени. Он определяет способность анализатора разделять два близко расположенных сигнала. Две непрерывные тона, отделенные друг от друга на 10 кГц, разрешаются как два отдельных пика только в том случае, если RBW существенно меньше 10 кГц, обычно 3 кГц или меньше для четкого разделения.

Селективность, или коэффициент формы, фильтра RBW определяет, насколько резко он убывает. Он задается как отношение полосы пропускания фильтра на 60 дБ к его полосе пропускания на 3 дБ. Коэффициент формы 5:1 означает, что фильтр в пять раз шире на 60 дБ понижения, чем на 3 дБ понижения. Цифровые промежуточные частотные фильтры достигают коэффициентов формы примерно от 4:1 до 5:1, в то время как аналоговые фильтры в старых приборах были ближе к 15:1. Лучший коэффициент формы означает, что анализатор может разделять сигналы, которые ближе друг к другу как по частоте, так и по амплитуде.

Связь между RBW, временем сканирования и диапазоном определяется уравнением сканирования. Для заданного диапазона и RBW минимальное время сканирования пропорционально диапазону, разделенному на квадрат RBW. Уменьшение RBW в 10 раз увеличивает требуемое время сканирования в 100 раз. Вот почему анализаторы реального времени с широкой мгновенной полосой пропускания и обработкой FFT могут быть значительно быстрее для измерений широкого диапазона: они обрабатывают весь диапазон параллельно, а не последовательно сканируют его.

7. Как спецификации взаимодействуют на практике

Ни одна отдельная спецификация не определяет пригодность анализатора для измерения. Четыре параметра, описанные здесь, взаимодействуют, и ограничивающим фактором является конкретное измерение. В следующей таблице показано это взаимодействие для трех распространенных сценариев измерений.

Не так давно инженер по RF-тестированию в контрактной производственной компании в Вьетнаме оценивал спектральные анализаторы для тестирования модулей 5.8 ГГц ISM-диапазона на производственной линии. Их техническое задание на продукт требовало измерения ложных излучений при -50 дБм при наличии несущей +20 дБм на соседнем канале. Dongguan Chenyi Electronics помогло инженеру провести расчет: анализатор должен иметь фазовый шум лучше -110 дБц/Гц на заданном интервале между каналами, чтобы боковые полосы шума LO от несущей +20 дБм были ниже порога измерения -50 дБм. Несколько анализаторов с достаточным DANL не прошли этот критерий, так как их фазовый шум был недостаточно низким. Рекомендуемый прибор соответствовал обоим техническим требованиям, и на производственной линии удалось повысить выход годных продуктов с первого раза примерно на 4%, так как теперь измерения были ограничены характеристиками продукта, а не тестовым оборудованием.

8. Критическое чтение технического документа

Производители представляют технические характеристики так, чтобы они были в пользу своих приборов. Минимальный уровень фонового шума (DANL) часто указывается при частоте 1 ГГц с 0 дБ ослабления и включенным предусилителем, то есть в самых благоприятных условиях. Фазовый шум может быть указан для несущей частоты 1 ГГц, где характеристики достигают оптимального уровня, а не для частот 6 ГГц или 20 ГГц, где они ухудшаются. Уровень перегрузки третичного порядка (TOI) обычно указывается на входе смесителя с минимальным ослаблением, а не на полном пути сигнала, включая предусилитель.

При сравнении приборов приведите технические характеристики к общим условиям. Какой будет минимальный уровень фонового шума (DANL) на вашей измеряемой частоте при 10 дБ входного ослабления? Какой будет фазовый шум при смещении на 100 кГц, а не на 10 кГц, если расстояние между соседними каналами составляет 200 кГц? Какой будет уровень перегрузки третичного порядка (TOI) с включенным предусилителем, если для ваших измерений требуется предусилитель для обеспечения чувствительности? Ответы на эти вопросы, а не номера, указанные в заголовке первой страницы технического документа, определяют, подойдет ли прибор для вашего приложения.

В Dongguan Chenyi Electronics мы поддерживаем базу данных сравнения, которая нормализует характеристики всех приборов, которые мы предлагаем, чтобы клиенты могли увидеть сопоставимую производительность в конкретных условиях измерения. Такой подход спасает покупателей от покупки приборов, которые выглядят хорошо в технических характеристиках, но на практике не могут выполнить необходимые измерения.

Другой пример - это инженерная школа, которая приобрела спектральные анализаторы для лаборатории по проектированию СВЧ для старших курсов. Приборы были выбраны на основе диапазона частот и DANL, но уровень фазового шума при смещении 10 кГц составлял примерно -88 дБс/Гц. Когда студенты пытались измерить фазовый шум своих PLL-дизайнов, которые имели целевое значение примерно -95 дБс/Гц при смещении 10 кГц, фазовый шум самого анализатора доминировал в измерениях. Лаборатория заменила два из приборов на модели, предлагающие уровень фазового шума примерно -105 дБс/Гц, полученные через Chenyi Electronics, а оставшиеся старые приборы были переведены в лаборатории по измерению гармоник и мощности, где уровень фазового шума не является критичным.

9. Часто задаваемые вопросы

9.1 Как узнать, ограничивает ли шумовой пол анализатора мои измерения?

Отключите входной сигнал и наблюдайте за отображаемым шумовым полом с помощью настроек измерений, которые вы планируете использовать. Если шумовой пол находится в пределах 10 дБ от уровня сигнала, который вы должны измерить, анализатор вносит значительную неопределенность. Для надежных измерений сигнал должен быть как минимум на 10 дБ выше шумового пола, а идеально - на 20 дБ или больше. Если запас недостаточен, уменьшите ширину разрешающего фильтра (RBW) в 10 раз для приблизительного улучшения шумового пола на 10 дБ, используйте предусилитель, если он доступен, и свести к минимуму входную аттенюацию.

9.2 Какая характеристика имеет наибольшее значение для предварительного соответствия требованиям по ЭМИ?

Минимальный уровень фонового шума (DANL) является критической характеристикой для испытаний на ЭМИ, так как вы ищете низкоуровневые излучения на широких частотных диапазонах. DANL примерно -155 дБм/Гц или лучше на частоте 1 ГГц, в сочетании с возможностью работы на узких ширинах разрешающего фильтра (RBW) до 10 Гц или менее, обеспечивает необходимую чувствительность для обнаружения излучений на типичных нормативных границах. Фазовый шум имеет значение для точного измерения амплитуды узкополосных излучений, а полоса пропускания в реальном времени определяет вашу способность зафиксировать прерывистые излучения.

9.3 Можно ли улучшить фазовый шум анализатора с помощью внешней фильтрации?

Вы не можете улучшить собственный фазовый шум генератора локального колебания анализатора, но вы можете отфильтровать входной сигнал, чтобы уменьшить амплитуду сильного несущего, который создает боковые полосы фазового шума, с которыми вы боритесь. Нотч-фильтр на частоте несущего, установленный перед входом анализатора, уменьшает мощность несущего на 20 - 40 дБ и соответствующим образом уменьшает боковые полосы фазового шума на то же количество. Эта техника является стандартной для двухтономных и смежных каналов измерений, где один сигнал намного сильнее другого.

9.4 Почему анализаторы реального времени имеют более высокий DANL, чем сканирующие анализаторы?

Широкополосный АЦП в анализаторе реального времени преобразует в цифровой вид всю полосу пропускания в реальном времени одновременно, поэтому квантовый шум распределен по всей этой полосе пропускания. Сканирующий анализатор преобразует в цифровой вид только узкую полосу пропускания RBW после фильтрации, поэтому шум на единицу полосы пропускания ниже. Это фундаментальный компромисс между обработкой в реальном времени без разрывов и чувствительностью сканирующего узкополосного режима. Для большинства приложений DANL анализатора реального времени все еще достаточен, и возможность наблюдать переходные сигналы компенсирует разницу в уровне шума.