Vysokofrekvenční měření

Transkript

1 Vysokofrekvenční měření A2B17VFM Demo P. Hudec, K. Hoffmann, T. Kořínek CTU Prague, Faculty of Electrical Engineering verze

2 A2B17VFM - Vysokofrekvenční měření Bakalářský předmět 6. semestr 2+2, zápočet, zkouška Cvičení praktické laboratorní úlohy

3 VF a mikrovlnná technika Zahrnuje více jevů, než standardní teorie obvodů například odrazy, vyzařování, šíření vln, změny parametrů podél vodičů, apod. Tyto znalosti jsou potřebné při práci s analogovými obvody na frekvencích nad 100MHz Stejně důležité jsou při práci s digitálními obvody s taktovacími frekvencí vyššími než 10MHz (obvyklé taktovací frekvence jsou přitom až 10 0 GHz) Nezbytné vždy, kdy je jakýkoliv rozměr obvodu nebo systému srovnatelný s vlnovou délkou Aplikace: Přenosy dat drátové i wireless, mobilní komunikace, radarové a senzorové systémy, automobilová technika, lékařská technika,

4 Přednášky Popis měřicích metod a přístrojů důležitých ve VF a mikrovlnné technice Zápočet, zkouška Přednášející: o o o Doc. Ing. Přemysl Hudec CSc., Prof. Ing. Karel Hoffmann CSc. Oba mají zkušenosti s měřením i pro velké výzkumné a výrobní společnosti Oba publikovali články o měřicí technice na zahraničních konferencích i v prestižních zahraničních časopisech Studijní literatura: o Hoffmann K., Hudec P.: Vysokofrekvenční a mikrovlnná měření, skriptum FEL 2009 o Většina přednášek včetně dodatků je paralelně na Moodlu o PP prezentace k přednáškám jsou na Moodlu o Studentům je k dispozici jsou i řada odborných knih v AJ

5 Cvičení 10 laboratorních úloh Max. 2 studenti ve skupině Všechny úlohy používají moderní měřicí přístroje a představují v praxi často prováděná měření Podrobné popisy a protokoly jsou na Moodlu Protokoly z měření jsou písemnou částí zkoušky Velmi dobré hodnocení ve studentské anketě Seznam laboratorních úloh na konci prezentace

6 Přednášky - témata Základní VF jevy a parametry o Opakování potřebných pojmů z VF a mikrovlnné techniky Komponenty měřicích sestav o o Propojovací vedení, konektory, adaptéry, bezodrazové zátěže, atenuátory, rozbočovače/slučovače, detektory, směrové vazby a můstky, rezonanční obvody Jsou velmi důležitou součástí každé měřicí laboratoře Měření výkonu o Měřiče bolometrické, termistorové, diodové Měření frekvence o Vlnoměry, VF a mikrovlnné čítače Měřicí generátory o o o Analogové, syntezátory Širokopásmové generátory násobení frekvence, směšování, přepínání sekcí Stabilizace výstupního výkonu (ALC), stabilizace výstupní frekvence (PLL, DDS) Skalární analyzátor o o o Měření přenosu a odrazů Použití detektorů, směrových vazeb, směrových můstků Kalibrace a korekce

7 Přednášky Vektorový analyzátor o Základní měřicí principy a konfigurace Spektrální analyzátor o Blokové schéma, optimální nastavení, použití VF a mikrovlnné osciloskopy o Základní typy, blokové schéma o Vztah rychlosti vzorkování a mezní frekvence o Použití, eye-diagram Měření šumových parametrů o Definice, principy měření o Kalibrace a korekce o Měření fázového šumu Signálový analyzátor o Blokové schéma, principy měření o Definice a měření EV, EVM, ME, PE, BER,

8 Příklad přednášky Spektrální analyzátor

9 Obsah Základní vlastnosti Blokové schéma Vstupní obvody Frekvenční pásmo MF a video obvody Potlačení zrcadlového příjmu Advantest R3131A blokové schéma, vícenásobné směšování Šumový práh Měřicí funkce Měření s použitím antén SpA jako skalární analyzátor Měření směšovačů Měření nelineárních parametrů Měření šumových parametrů

10 Spektrální Analyzátor Jeden z nejdůležitějších a široce používaných měřicích přístrojů Základní vybavení každé VF a mikrovlnné měřicí laboratoře Vyrábí se ale i jako přenosné pro praktická měření a nastavování v poli Umí měřit autonomní obvody a subsystémy Provádí spektrální analýzu měření výkonu s použitím přesně definovaného frekvenčního okna Mají vysoký dynamický rozsah typ. 150 (a více) db Umožňují selektivní měření VF výkonu a frekvence v prostředí s mnoha signály Umožňuje měření spektrální výkonové hustoty Jsou použitelné pro šumová měření (SpA = vysoce citlivý měřicí přijímač) Jsou používány pro měření nelineárních obvodů a parametrů S HW a SW modifikací použitelné pro signálovou analýzu (signálový analyzátor) S HW a SW modifikací použitelné jako skalární analyzátor s vysokým dynamickým rozsahem Důležitá (nezastupitelná) součást mnoha měřicích sestav 10

11 Základní blokové schéma Měřicí přijímač typu superhet s širokým frekvenčním a dynamickým rozsahem ATT RBW REF. LEVEL f s BP P IF DET P in <-20dBm OSC f osc f hi f IF filter B=RBW filter LP VBW f lo w t FREQ SPAN SWEEP TIME frequency control display 11

12 Vstupní obvody Vstupní atenuátor ATT zajišťuje dostatečně nízký výkon signálu na vstupu směšovače (typ. -20dBm) nízké parazitní IM produkty v zobrazení Protože P inmax je typ. 30dBm musí být rozsah ATT typ. 0-50dB (krok 10dB) Směšovač převádí vstupní signál s frekvencemi f s z pásma širokého SPAN do pevného MF filtru se střední frekvencí f IF a šířkou pásma B=RBW RBW filtr definuje měřicí okno SpA Pro konverzi je použit signál místního oscilátoru s frekvencí f osc Je použito směšování typu f IF =f s -f OSC Místní oscilátor OSC je nastavitelný v rozsahu f lo f hi Rozmítání se ovládá prvky FREQ a SPAN OSC= syntezátor řízený PLL RBW filtr je pevný a může být téměř ideálně úzký (některé SpA mají i RBW=1Hz) f s P in ATT FREQ SPAN SWEEP TIME <-20dBm OSC f osc frequency control f hi f lo w RBW BP f IF filter B=RBW t P IF REF. LEVEL DET display filter 12

13 Frekvenční pásmo SpA přelaďuje měřené frekvenční pásmo oknem širokým RBW a v tomto oknu měří a zobrazuje na každé nastavené frekvenci RF výkon Měřené frekvenční pásmo je definováno funkcemi FREQ-CENTER a SPAN FREQ-CENTER frekvence odpovídající střední svislé ose zobrazení RBW (Resolution Bandwidth) jeden z nejdůležitějších nastavitelných parametrů Nastavitelné hodnoty RBW typ. od 100Hz do 10 MHz (v krocích 1/3/10) P [dbm] receiver tuning REF. LEVEL Existují SpA s RBW=1Hz Nízké hodnoty RBW poskytují nízký šumový práh a vysoké rozlišení ale mnohdy také dlouhý SWEEP-TIME RBW FREQ-CENTER f SPAN 13

14 MF & video obvody Měřený signál je zeslaben atenuátorem ATT a zesílen v několika zesilovacích stupních VF výkon obsažený v RBW širokém frekvenčním oknu je měřen detektorem Celkový zisk SpA je dáno nastavením REFERENCE LEVEL = výkon odpovídající horní vodorovné ose zobrazení REFERENCE LEVEL lze obvykle nastavit +30dB až -60dBm Display 10 dílků horizontálně, 8 dílků vertikálně REF. LEVEL Při citlivosti 10dB/div je k dispozici dynamický rozsah f s 80dB P in Video filtr = nastavitelná DP za detektorem VBW= jeho mezní (-3dB) frekvence Nemění šumový práh - zmenšuje rozkmit šumu za detektorem ATT FREQ SPAN SWEEP TIME <-20dBm VCO f osc frequency control f hi f lo w RBW BP f IF filter B=RBW t P IF DET display filter LP VBW 14

15 Problémy SpA mají široký frekvenční rozsah začínající téměř od 0 o Dolní frekvence moderních mikrovlnných SpA je typ. 9kHz o Horní frekvence od typ. 3GHz (základní typy) do 20, 30, 50 a více GHz (pokročilé typy) Potlačení zrcadlového příjmu o Přijímače typu superhet konvertují do f IF vždy 2 různá frekvenční pásma o Jedno pásmo obsahuje měřený signál v okolí f s, druhé pásmo obsahuje parazitní zrcadlové pásmo v okolí frekvence f m o Zrcadlové frekvence musí být v SpA dokonale potlačené a to v celém pásmu SpA o Potlačení zrcadlového příjmu používají se laděné filtry (pre-selektory) nebo vícenásobné směšování Reálná struktura SpA musí být podstatně komplikovanější Vícenásobné směšování (2-3 stupně) používá se při měření na nízkých frekvencích typ. <3GHz Preselektory - používají se na vyšších GHz frekvencích typ. >3GHz f s P in ATT <-20dBm VCO f osc f hi f lo w FREQ frequency SPAN control SWEEP TIME RBW BP filter f IF B=RBW t P IF REF. LEVEL DET display filter LP VBW 15

16 ADVANTEST R3131A Moderní digitálně řízený SpA Frekvenční rozsah 9kHz-3GHz, vícenásobné směšování Max. vstupní výkon +30dBm Šumový práh - citlivost RBW=1kHz, VBW=10Hz, ATT=0 RBW 300Hz 1MHz, krok 1/3/10 VBW 10Hz 1MHz, krok 1/3/10 ATT 0 50dB, krok 10dB Sweep time 50ms 800s Kalibrátor 30MHz/-20dBm PSV in <2 Fotka 16

17 ADVANTEST R3131A Blokové schéma REF LEVEL DP MF1 PP MF2 PP 300 Hz 1 khz 3 khz ATT 3 GHz 3.11 GHz 10 MHz 1 MHz CAL 30 MHz -20 dbm LO GHz LO2 3.1 GHz RBW FREQ SPAN SWEEP TIME řídicí obvod ADC 1 MHz 100 khz LOG procesor klávesnice 10 Hz LIN DET IN/OUT display VBW 17

18 Vstupní obvody Lze přepnout vstupní N-konektor nebo kalibrátor 30MHz/-20dBm Vstupní atenuátor ATT 0 50dB zajišťuje aby signály na vstupu 1. směšovače byly vždy <-20dBm, doporučený mód je AUTO 1. směšovač pracuje jako up-konvertor, f MF1 =3,11GHz je nad přijímaným pásmem 0-3GHz Frekvenční rozsah LO1 je 3,11 6,11GHz (VCO+PLL) LO1 je nastavován pomocí FREQ-CENTER, SPAN a SWEEP TIME DP 3GHz potlačuje zrcadlový příjem REF LEVEL DP MF1 PP MF2 PP kh 3 kh ATT 3 GHz 3.11 GHz 10 MHz 1 MH CAL 30 MHz -20 dbm LO GHz LO2 3.1 GHz RB FREQ SPAN SWEEP TIME řídicí obvod ADC 1 MHz 100 khz LOG LIN 18 DET

19 received signal LO MF1 LO signal mirror signal Zrcadlový příjem Rozsah přeladění LO1 je 3,11 6,11GHz (VCO+ PLL) 1.směšování f MF1 =f LO -f s Zrcadlová frekvence je vzdálená o f MF1 od f LO na druhou stranu Signálová frekvence f s =f LO -f MF1 rozsah 0 3GHz Zrcadlová frekvence f m =f LO +f MF1 rozsah 6,22 9,22GHz Zrcadlové pásmo zle dokonale potlačit DP 3GHz f MF1 f MF received freq. band LO tuning mirror freq. band f GHz 19

20 2. směšování f MF1 =3,11 GHz je příliš vysoká frekvence pro další zpracování signálů Použitím LO2 je signál konvertován do pásma f MF2 =10MHz Na MF2 je provedeno další zesílení a filtrace RBW sada 7 přepínatelných filtrů se střední frekvencí f MF2 =10MHz, B=RBW 300Hz, 1kHz, 10kHz, 30kHz, 100kHz, 300kHz, 1MHz Nízké hodnoty RBW poskytují vysoké horizontální rozlišení a nízký šumový práh, musí být však používány s opatrností REF LEVEL řídí zisk kaskády REF LEVEL DP MF1 PP MF2 PP 300 Hz 1 khz 3 khz ATT 3 GHz 3.11 GHz 10 MHz 1 MHz CAL 30 MHz -20 dbm LO GHz LO2 3.1 GHz RBW FREQ SPAN řídicí obvod 20

21 Detektor a podetekční obvody VF detektor měří výkon v RBW širokém okně Lze nastavit lineární (LIN) nebo logaritmické (LOG) podetekční zpracování a zobrazení VBW nastavitelný filtr typu DP, omezuje rozkmit šumu za detektorem ADC konvertuje analogový signál do digitální representace pro další zpracování 300 Hz MF1 MF2 a 1 khz zobrazení SpA je vybaven vestavěným ATT 3 GHz počítačem, 3.11 GHz klávesnicí, displejem 10 MHz a vstupními/výstupními 1 MHz obvody (RS232, HP-IB, paralelní port) CAL 30 MHz -20 dbm DP PP LO GHz PP LO2 3.1 GHz REF LEVEL 3 khz RBW FREQ SPAN SWEEP TIME řídicí obvod ADC 1 MHz 100 khz LOG procesor klávesnice 10 Hz LIN DET IN/OUT display VBW 21

22 Šumový práh Šumový práh (citlivost) definován jako N kt B k = 1, (J/K) Boltzmanova konstanta e N a (B) T e (K) ekvivalentní šumová teplota (vnitřní zdroje v SpA) B=RBW (Hz) šumová šířka pásma N a (B) (W) aditivní šumový výkon vliv fázového šumu LO Ref -50 dbm * Att 0 db * RBW 3 khz * VBW 3 khz SWT 2.25 s Marker 1 [T1 ] dbm MHz Ref -50 dbm * Att 0 db * RBW 300 Hz * VBW 3 khz SWT 225 s Marker 1 [T1 ] dbm MHz A -60 A Šumový práh lze ovlivnit: o nastavením T e o nastavením B=RBW 1 AP CLRWR DB 1 1 AP CLRWR DB Date: 21.OCT :18:23 Date: 21.OCT :22:25 22

23 Šumový práh Uživatelské nastavení T e Definované zejména vstupními obvody SpA T espa a vstupním atenuátorem ATT=L ATT T e ( L 1) T T ATT 0 TeSpAL ATT LATT ( TeSpA T0 ) T espa je pro daný SpA konstanta a obvykle >>T 0 (typ. 4000K) T e lze uživatelsky ovlivnit nastavením ATT ATT=L ATT =10dB zvedá šumový práh o 10dB!!! Pro měření velmi slabých signálů musí být ATT=0!!! Další snížení T e použití předzesilovače (interní, externí) F F ( F 1) / G c LNA SpA LNA T L Pokud ATT=0 a G LNA je dostatečně vysoký (typ dB) T e T elna T espa =typ. 4000K, T elna =typ. 200K snížení šumového prahu až o 13dB e ATT 0 T espa 23

24 Šumový práh Uživatelské nastavení B=RBW Lze zvolit 1 filtr ze sady: 300Hz, 1kHz, 3kHz, 10kHz, 30kHz, 100kHz, 300kHz, 1MHz Nižší hodnoty B=RBW významně snižují šumový práh Snížení RBW 10-krát sníží šumový práh o 10dB!!! Je to nejúčinnější nástroj pro snížení šumového prahu Přepnutím z RBW=1MHz na RBW=300Hz lze snížit šumový práh o 35dB ALE Použití velmi nízkých hodnot RBW vede na velmi dlouhé hodnoty SWEEP TIME (až 800s) Jinak SpA hlásí UNCALIBRATED Řešení relativně úzký SPAN Použití RBW=300Hz je obvykle rozumné jen pro SPAN<1MHz Jinak mohou být měření nepřijatelně dlouhá Pro měření v širších pásmech SPAN lze doporučit RBW typ. 30kHz 24

25 Základní měřicí funkce FREQ-CENTER nastavení střední vertikální osy zobrazení SPAN nastavení šířky pásma a horizontální citlivosti - od 1kHz/div do 300MHz/div (R3131A) REF LEVEL vstupní výkon odpovídající horní vodorovné ose zobrazení SWEEP TIME čas 1 běhu časové základny, od 50ms do 800s, doporučený režim AUTO, závisí na RBW, VBW a SPAN RBW nastavení šířky měřicího okna VBW nastavení dolní propusti za detektorem 25

26 RBW, VBW RBW nastavitelné hodnoty od 300Hz do 1MHz (R3131A) Nižší hodnoty RBW zlepšují horizontální rozlišení a snižují šumový práh Příklady RBW=3kHz a RBW=300kHz ALE nízké hodnoty RBW vyžadují dlouhý SWEEP TIME nebo úzký SPAN Doporučený režim MANUAL VBW snižuje rozkmit šumu v zobrazení (nesnižuje šumový práh!!!), ALE nízké hodnoty VBW vyžadují dlouhý SWEEP TIME, doporučený režim MANUAL Ccc 26

27 Další měřicí funkce ATT nastavení vstupního atenuátoru, doporučený režim je AUTO (vyjma měření velmi slabých signálů kdy je nutná hodnota ATT=0) db/div vertikální citlivost, obvykle 10dB/div (ale také 1, 2, 5 db/div) UNITS jednotky zobrazení, obvykle dbm, ale také dbmv, dbμv, W, V REF OFFSET externí zisk nebo útlum, je korigován MKR marker umožňuje přesné odečtení frekvence a výkonu SIG TRACK naladí SpA na nejsilnější signál v pásmu daném SPAN, výhodné pro měření nestabilních signálů (automaticky je dolaďuje na střed) POWER MEASURE měření výkonu širokopásmových (obvykle digitálně modulovaných) signálů OBW occupied bandwidth měří střední frekvenci a šířku pásma širokopásmových (obvykle digitálně modulovaných) signálů 27

28 Použití SpA Jsou vhodné/nezbytné na řadu praktických měření: VF výkonu SpA jsou schopné měřit selektivně na různých frekvencích standardní měřiče výkonu jsou přesnější Spektrální výkonové hustoty (PSD) RBW=1Hz, je nutné přepočítat dle RBW nebo zapnout vnitřní funkci (úloha č.10) Frekvence oproti čítači, SpA jsou schopné rozlišit určité frekvence v širokém spektru různých frekvencí, čítače jsou obvykle přesnější Modulace SpA umí zobrazit modulační sprektrum, jako OPtion umí provádět i analýzu signálů Šumových parametrů SpAs jsou schopné měřit i šumové výkony (v širších RBW), některé SPA obsahují i procedury pro měření F a Te, (úloha č.10) Přenosu/RL při vybavení option tracking generator umí měřit obojí v širokém dynamickém rozsahu >100dB Nelineárních parametrů měření směšovačů, násobičů frekvence, výkonových zesilovačů, apod. (úloha č.10) Analýzu signálů SpA může být vybaven speciálním HW a SW pro analýzu i velmi složitých digitálně modulovaných signálů (úloha č.8) 28

29 Měření s použitím antén Měření radiového-spektra místně vysílaných signálů (úloha č.1) Pokud je známa efektivní apertura antény lze přímo měřit E (V/m) EMC měření měření parazitního vyzařování s použitím širokopásmových EMC antén Měření parametrů antén zisku, vyzařovacích diagramů (úloha č.5) Obvykle je nutné nastavit velmi nízký šumový práh ATT=0, nízké hodnoty RBW Výhodné může být použití předzesilovače SpA B antenna A antenna LNA Ref -60 dbm * Att 0 db * RBW 300 Hz * VBW 10 khz SWT 225 s Marker 1 [T1 ] dbm MHz A 1 AP CLRWR T elna, G LNA DB generator Date: 23.OCT :43:38 29

30 SpA jako skalární analyzátor SpA pracuje jako měřič výkonu s vysokým dynamickým rozsahem (>100dB) Nutná je synchronizace mezi generátorem a SpA o Standardní detektor není selektivní, synchronizace není potřeba o SpA je selektivní, synchronizace je nutná Generátor často ve formě tracking generator, option obvykle do 3GHz Měření přenosu standardní kalibrace a korekce (L=0dB) RL lze měřit s použitím směrové vazby nebo speciálního směrového můstku (vnitřní symetrizační transformátor, externí detektor) GEN generator SpA SpA DET 1:1 Z 0 Z 0 DUT L=0dB Z 0 REF TEST 30

31 Měření směšovačů Vysoký vstupní výkon LO, podstatně nižší (typ. o 20-30dB) vstupní výkon RF Na IF výstupu je vždy velký počet různých signálů SpA pracuje jako selektivní měřič výkonu Pomocí SpA lze měřit velký počet parametrů konverzní ztráty/zisk, izolace mezi branami LO-IF-RF,. apod.) Měření směšovačů bez SpA je složité a méně přesné Úloha č.2 generator 1 SpA RF DUT IF generator 2 L A LO 31

32 Měření nelineárních obvodů DUT typicky zesilovače, násobiče frekvence, směšovače, limitery, apod. Na vstupu musí být obvykle signál skládající se z více spektrálních čar je nutné použití více generátorů a slučovačů signálů Slučovače mohou být děliče typu Wilkinson SpA se používají jako selektivní měřiče výkonu (skoro vždy široké výstupní spektrum) Často vysoké výstupní výkony DUT L A je použit pro ochranu SpA Měří se řada různých parametrů IM2, IM3, IP2, IP3, apod. A2B17VFM měření směšovačů (úloha č.2) a násobičů (úloha č.10) A2M17MMS podrobnější teorie, řada dalších praktických měření generator 1 combiner DUT SpA generator 2 L A 32

33 Měření šumových parametrů Měření poměrů S/N, šumového čísla, ekvivalentní šumové teploty, fázového šumu Musí být nastaven velmi nízký vlastní šumový práh ATT=0, nízké hodnoty RBW, VBW, nutný bývá i předzesilovač Měření F s použitím metody COLD v jiné přednášce VFM, úloha č.10 Měření fázového šumu v jiné přednášce VFM, úloha č.10 Měření šumových parametrů pro návrh LNA A2M17MOS Měření F, T e s použitím HOT/COLD metody A2M17MMS GEN f m ON/OFF SpA SpA 10dB ATT DUT LNA DUT N 2 F DUT G PZ G DUT F MSV 33

34 Laboratorní úlohy 1. Spektrální analyzátor I. Měření volně šířených signálů FMR, CDMA, DVB-T, GSM,.. Měření VCO 2. Spektrální analyzátor II. Měření směšovačů Měření subsestav RX a TX 3. Skalární analyzátor I. NA2000 kalibrace, korekce Měření děličů výkonu, filtrů, zesilovačů s SMA konektory 4. Měření EMC C a L vazby 5. Měření vyzařovacích charakteristik antén Jednoduché měření pomocí ručně ovládané točny, generátoru a diodového W-metru

35 Laboratorní úlohy 6. VNA I. Kalibrace, korekce Měření R, C, L komponent do 1GHz, určení náhradních obvodů 7. Skalární analyzátor II. Měření vlnovodových komponent 8-12,4 GHz Měření RL pomocí směrové vazby 8. Signálový analyzátor Měření EVM pro různé hodnoty S/N pro BPSK, QPSK, PSKx, QAMx,. 9. VNA II. Měření s-parametrů, IQ modulátoru, fázovacího článku 10. Měření nelineárních a šumových parametrů Měření násobičů frekvence Měření fázového šumu Měření F metodou COLD