Материал: Теоретические основы передачи ВЧ сигналов

Общее описание шумов

В реальных системах радиосвязи характеристики шума являются чрезвычайно важными, так как они включают в себя высокие частоты. Поэтому важно точно представлять две характеристики шума: фазовый шум (спектральная чистота) и шумовой порог (интенсивность шума). Эти две темы обсуждаются в данном разделе.

Фазовый шум (Спектральная чистота) (Spectral Purity)

Фазовый шум имеет отношение к несущему сигналу и влияет на фазу и частоту модуляции сигнала. Фазовый шум обычно очень близок к несущей и измеряется в децибелах относительно несущей частоты (dBc).

Фазовый шум выражается в виде функции от спектральной плотности мощности и частоты. В полосе 1Гц фазовый шум задается как:

= 10log[0.5(S Ц(ѓ))] Ц

где SЦ(ѓ) спектральная плотность фазовых флуктуаций.

Шумовой порог (плотность шумов) (Noise Density)

Шумовой порог - это уровень, ниже которого сигналы не могут быть выделены при тех же условиях выполнения детектирования.

Например, в аудиосистемах уровень помех при широкополосной передаче может достигать 5 мкВ. Это означает, что широкополосные сигналы ниже этого уровня не могут быть детектированы. Однако, если сигнал имеет природу случайного широкополосного шума, содержащего гармонический компонент, вы можете использовать узкополосный фильтр, чтобы выделить его на фоне помех.

Для шумового порога обычно вводят одно (или несколько) из следующих определений:

• 1. Широкополосный шум (относительно всей шкалы)
• 2. Динамический диапазон, свободный от гармонических составляющих (“Spurious free”): наивысший синусоидальный компонент относительно полного размаха шкалы
• 3. Спектральная плотность шума. Используется для определения случайного шума при широкополосной передаче. Это мощность шума в полосе 1 Гц, следовательно, её единица измерения В²/Гц или dBm/Гц.

Спектральный анализ

Обычно спектральный анализ в РЧ системах и системах связи включает: оценку мощность в полосе сигнала, поиск пиков, ширину занимаемой полосы и мощность в соседнем канале.

Любой из этих параметров может быть измерен с помощью специального пакета для спектральных измерений (spectral measurements toolkit) в комбинации с векторным анализатором сигналов фирмы National Instruments. Далее в разделе описывается теория и применения по каждому из этих измерений.

Мощность в полосе

Мощность в полосе (Power in Band) измеряет общую мощность сигнала в любом определенном диапазоне частот или полосе

Х - входная спектральная мощность в определенной полосе. Нижняя и верхняя и границы этой полосы и, могут быть определены относительно центральной частоты.

Ширина занимаемой полосы

Ширина занимаемой полосы (Occupied Bandwidth) - это ширина полосы частот, в которой содержится определенная часть полной мощности сигнала.

Для заданного процента В нижним и верхним пределом полосы частот являются частоты, выше и ниже которых находится полной мощности сигнала. Например, если выбран B=99, то занимаемой полосой частот будет полоса, содержащая 99% полной мощности сигнала. На рисунке 1 показан пример вычисления занимаемой полосы в 15 МГц.

Рис. 6. Вычисление занимаемой полосы в LabVIEW

Пиковый детектор

Алгоритм поиска спектральных пиков предназначен для нахождения уровней и частот пиков в определенной полосе. Алгоритм использует интерполяцию для уточнения локализации частотных пиков в амплитудном спектре или спектре мощности, выраженных в любых единицах и масштабах. Кроме этого, вы можете определить местоположение одиночного максимального пика либо нескольких пиков, превышающих определенный порог.

Рис. 7. Пиковый детектор может использоваться для нахождения амплитуд и частот пиков

Мощность в смежных каналах (Adjacent Channel Power)

Этот параметр определяет, каким образом мощность распределяется в заданном и двух соседних каналах. Измерение производится путем определения полной мощности в канале, а также полных мощностей в соседних каналах. На Рисунке 8 приведено типичное измерение ACP с указанием параметров, описывающих каналы: центральной частоты, ширины полосы и межканальных интервалов.

Рис. 8. Измерение мощности в соседних каналах

Во многих технологиях, таких как сотовые сети, ТВ, радио и кабельные сети, смежные каналы используются для разделения информации между различными провайдерами. В этих и других приложениях важно, чтобы передача по одному каналу не влияла на соседний канал, так как при этом снижается качество передачи в этом канале.

В зависимости от технологического стандарта, в рамках которого проводятся измерения, существуют различные критерии отбора при измерении мощности в соседних каналах. Например, стандарт беспроводной связи CDMA требует для передачи каналы с полосой 4.096 МГц. Кроме того, мощность в смежных каналах, измеренная со смещением в 5 МГц должна быть, по крайней мере, на 70 дБ ниже, чем средняя мощность в рабочем канале.

Разрешающая способность

Две измеряемые величины являются основными в спектральном анализе, это - ширина полосы разрешения и динамический диапазон. Ширина полосы разрешения определяет разрешающую способность по частоте, а динамический диапазон - разрешающую способность по амплитуде при измерении спектра. Эти два понятия обсуждаются ниже.

Ширина полосы разрешения (RBW)

Ширина полосы разрешения (resolution bandwidth - RBW) определяет интервал между гармониками БПФ преобразования или ближайшие различаемые частоты. Следующие графики представляют один и тот же сигнал с различными RBW. Наименьшая RBW справа дает самое высокое разрешение и позволяет увидеть боковые полосы. Это требует наибольшего времени сбора данных. Если определяющим является время сбора, а изображение необходимо обновлять быстро, или же если полоса модуляции довольно широка, может использоваться большая RBW. Часто используют компромисс между RBW и временем сбора данных.

Таблица 1. Характеристики RBW

В цифровых анализаторах спектра и векторных анализаторах сигнала (VSA) ширина полосы разрешения обратно пропорциональна количеству выборок. Чем больше число выборок во временной области или дольше время сбора данных при той же частоте дискретизации, тем более узкой будет RBW.

Процесс БПФ эквивалентен прохождению сигнала во временной области через набор полосовых фильтров, чьи центральные частоты соответствуют точкам БПФ преобразования в частотной области.

В традиционных (не цифровых) анализаторах спектра ширина полосы разрешения является полосой пропускания ПЧ фильтра. Для точной перестройки используются узкополосные фильтры, увеличивая тем самым разрешение по частоте.

Динамический диапазон

Динамический диапазон (Dynamic range) - это отношение наибольшего уровня сигнала, с которым может работать схема, к наименьшему (обычно эквивалентному уровню шума). Обычно выражается в дБ.

Условно свободный динамический диапазон (Spurious Free Dynamic Range) -это динамический диапазон, в котором частотный спектр свободен от нежелательных частотных компонент.

Нелинейное искажение

В идеальной системе результатом БПФ синусоиды будет одиночный пик на соответствующей частоте. Однако, в реально существующих системах, нелинейность и шум приводят к искажениям. Когда сигнал определенной частоты f1 проходит через нелинейную систему, выход системы содержит f1 и ее гармоники. Следующий рисунок показывает их соотношение.

Нелинейное искажение является мерой величины мощности, содержащейся в гармониках основного сигнала. Нелинейное искажение свойственно устройствам и системам, которые обладают нелинейными характеристиками, чем более нелинейно устройство, тем больше нелинейное искажение.

Вычисление нелинейного искажения

Нелинейное искажение может быть выражено как отношение мощностей или как процентное отношение. Используемая далее формула выражает его как отношение мощностей:

,

где P_HD мощность нелинейного искажения в dBc, P_fund мощность основного сигнала в dB или dBm.

Преобразуем мощности в напряжения, для вычисления нелинейного искажения в процентном отношении:

В некоторых приложениях нелинейное искажение измеряется как полное нелинейное искажение в процентах (THD). Это измерение предполагает суммирование мощностей всех гармоник в рабочей полосе и определяется следующим выражением:

Проверка нелинейного искажения

Типичная установка для проверки нелинейного искажения приведена на рисунке ниже. Фильтр нижних частот или полосовой фильтр пропускают основной сигнал, подавляя его гармоники. В результате чисто синусоидальный сигнал подается в тестируемое устройство (UUT). Любая гармоника на выходе UUT считается проявлением нелинейности устройства.

Нелинейное искажение может быть эффективно уменьшено в любой реальной системе с помощью низкочастотной или полосовой фильтрации.