Metody zwiększania dokładności pomiarów poziomu sygnału w analizatorach Anritsu nowej generacji – cz. 1

Analizatory widma są wykorzystywane do wyznaczania poziomu sygnału w.cz. w dziedzinie częstotliwości. Kluczowym zadaniem każdego analizatora jest więc pomiar amplitudy sygnału. Na uzyskiwany wynik ma wpływ szereg czynników, które muszą być uwzględniane w procedurach pomiarowych. W wyniku prac badawczych prowadzonych pod tym kątem przez Anritsu opracowano nową generację analizatorów. W artykule przedstawiono najważniejsze czynniki wpływające na dokładność pomiaru amplitudy sygnału w analizatorach widma.

Poziom szumów a czułość

Istotnym ograniczeniem dokładności pomiarów poziomu sygnału jest tzw. podłoga szumów (noise floor), czyli po­ziom szumów własnych. Szumy ogra­niczają bezpośrednio czułość przy­rządu, niecelowe wydaje się konstru­owanie układów o czułości większej niż podłoga szumowa. Całkowita moc szumów jest w dużym stopniu zależ­na od zjawisk termicznych, ale nale­ży też uwzględniać pasmo częstotliwo­ści, w którym są prowadzone pomiary. Podłoga szumowa jest wyznaczona przez tzw. termiczne szumy Johnsona i zjawiska związane z nierównomier­nością przepływu ładunku elektrycz­nego (np. szum śrutowy). Moc szumu jest równa:

P=Kb·T·Df

gdzie: Kb – stała Boltzmana (1,380658·10–23 [J/K]), T – temperatura mierzona w Kel-winach, Df – pasmo, w którym jest mie­rzony szum.

Na podstawie powyższej zależności można oszacować szum, z jakim będzie­my mieli do czynienia w określonych przypadkach, np.:

• dla pasma 1 Hz –174 dBm,

• dla pasma 10 Hz –164 dBm,

• dla pasma 200 kHz (pojedynczy kanał GSM) –121 dBm,

• dla pasma 3,84 MHz (pojedynczy kanał UMTS) –108 dBm.

W dokumentacji analizatorów widma często poziom szumów jest odnoszony do pasma 1 Hz lub 10 Hz.

Definicja całkowitej dokładności i niepewności pomiaru poziomu sygnału

Przytaczana w dokumentacji całkowi­ta niepewność jest rozumiana jako bez­względna dokładność pomiaru poziomu dla wyspecyfikowanych nastaw: często­tliwości, tłumienia i poziomu sygnału wejściowego. Wyrażenie to jest wpraw­dzie wykorzystywane do porównywania niepewności pomiarów poziomu wyko­nywanych różnymi przyrządami, nawet pochodzącymi od różnych producen­tów, jednak porównanie takie nie jest pełne, gdyż nie obejmuje rzeczywistych warunków, z jakimi mają w praktyce do czynienia użytkownicy. Miarodajne po­równanie może być dokonane wyłącze­nie przy identycznych nastawach czę­stotliwości, tłumienia i poziomu sygna­łu wejściowego. Kluczem do określania rzeczywistej niepewności pomiaru jest „całkowita dokładność pomiaru poziomu”, zawierająca nieskorygowane błędy systematyczne wynikające z przekroczenia warunków pomiarowych, dla których określono bezwzględną dokładność pomiaru. Mając to na uwadze można zmodyfikować definicję. Teraz przybierze ona postać:

całkowita dokładność poziomu = bezwzględna dokładność poziomu + nieskorygowane błędy systematyczne.
 
Separacja błędów systematycznych a prawdziwa niepewność pomiaru
Błędy systematyczne są definiowane jako te, które mogą być rozpoznane i prawidłowo skompensowane odpowiednimi algorytmami pomiarowymi. Są to więc wartości deterministyczne. Błędy systematyczne wynikają m.in. z określonej tolerancji parametrów elementów elektronicznych wchodzących w skład układu pomiarowego.
Prawdziwa niepewność pomiaru wynika z błędów i zmiennych parametrów, które są nieznane lub nie są określone. Są to błędy wynikające np. z szumu występującego w złączach elementów półprzewodnikowych (niezależne od temperatury szumy: śrutowy, migotania, wybuchowy, lawinowy) oraz z nieskompensowanych fluktuacji termicznych powstających na przykład w elementach znajdujących się poza obudowami zapewniającymi stabilne warunki termiczne a wchodzących w skład układu pomiarowego. Błędy, o których mowa, powstają także w wyniku starzenia się elementów, na przykład oscylatorów i przełączników wchodzących do ścieżki pomiarowej.
Wymierne zwiększenie całkowitej dokładności pomiarów poziomu sygnału można więc uzyskać przez określenie i skompensowanie jak największej liczby błędów systematycznych. W sposób oczywisty przekłada się to na poprawę dokładności pomiarów wykonywanych analizatorem widma.
 
Rozwiązania sprzętowe stosowane w celu zwiększenia całkowitej dokładności pomiaru poziomu sygnału
Rozwiązania sprzętowe stanowią główną metodę zwiększania całkowitej dokładności pomiaru poziomu sygnału. Istotą zagadnienia jest ustalenie obwodów, które będą uwzględniane w zastosowanej implementacji, a także obranie parametrów, które będą podlegały kompensacji. Środki stosowane w większości analizatorów są zwykle implementowane dla ustalonej częstotliwości oraz poziomu sygnału. W analizatorach Anritsu MS2830A i analizatorach sygnałów MS2690A zastosowano unikatową technikę kompensacji błędów, w której źródło referencyjne odpowiedzialne za kalibrację odbiorników działających w szerokim zakresie częstotliwości pracuje z przemiataniem częstotliwości. W ten sposób minimalizowane są błędy systematyczne. Spotykane w innych przyrządach metody kalibracji ograni­czają się do ustalonej częstotliwości (np. 50 MHz), co jednak powoduje powsta­nie nieskompensowanych niepewności pomiarowych przy zmianie częstotliwo­ści. Takie składowe niepewności wyni­kające ze zmiany częstotliwości dodają się oczywiście do bezwzględnej dokład­ności pomiaru.

W architekturze analizatorów Anritsu sygnał kalibracyjny przechodzi przez przełączane tłumiki wejściowe, co za­pewnia automatyczną korekcję tłumie­nia przy każdej zmianie nastawy tego parametru. W rozwiązaniach innych producentów sygnał kalibracyjny nie przechodzi przez tłumiki wejściowe, co powoduje dodawanie się niepewno­ści pomiarowej wynikającej z ich pomi­nięcia, a w efekcie dodanie tej niepew­ności do bezwzględnej dokładności po­miaru. Rozwiązanie zastosowane w ana­lizatorach Anritsu przedstawiono na ry­sunku 1. Częstotliwość sygnału kalibra­cyjnego jest przemiatana w zakresie od 50 Hz do 6 GHz (analizator MS2690A) i do 4 GHz (analizator MS2830A), a tor sygnału kalibracyjnego obejmuje tłu­mik wejściowy. Dzięki temu dokładność pomiaru poziomu jest utrzymana w ca­łym zakresie kalibracji, a dokładność po­miarów dokonywanych analizatorami Anritsu jest w znacznym stopniu zwięk­szona. Porównanie dokładności uzyski­wanych analizatorami MS269xA z anali­zatorami innych producentów przedsta­wiono na rysunku 2.

Wykresy z rysunku 2 są potwierdze­niem powyższych rozważań. Pierwsze spostrzeżenie prowadzi do wniosku, że w analizatorach MS2830A uzyskano mniejsze zmiany dokładności pomia­ru poziomu zarówno w funkcji nastawy tłumienia wejściowego (oś odciętych), jak i w funkcji częstotliwości (poszcze­gólne krzywe na wykresie). Zmiany te nie przekraczają przy tym parametrów wyspecyfikowanych w danych technicz­nych przyrządu. Można to zaobserwo­wać porównując ze sobą każdą z kolo­rowych krzywych łamanych widocz­nych na wykresie z rysunku 1a. Zmiany pomiędzy poszczególnymi krzywymi są niewielkie. Zupełnie inaczej wyglą­da to na wykresie 1b, na którym różni­ce błędu pomiarowego w całym zakre­sie mierzonych częstotliwości i tłumie­nia są równe ok. 0,6 dB (od +0,38 dB do –0,22 dB uwzględniając skrajne wyni­ki niezależnie od krzywej). Dla anali­zatorów, których wyniki przedstawio­no na rysunku 1b bezwzględna dokład­ność jest specyfikowana tylko dla czę­stotliwości kalibracji równej 50 MHz, a zmiany tej częstotliwości powodują dodatkowe błędy niepewności pomia­ru dochodzące do 0,38 dB.

Drugie spostrzeżenie dotyczy równo­mierności każdej z krzywych, związa­nej z nastawą wejściowego tłumika RF. W analizatorach Anritsu zmiana nasta­wy tłumika wprowadza zmianę niepew­ności pomiaru nie większą niż 0,03 dB, natomiast w innych analizatorach jest to ok. 0,1 dB.

Konkluzja po analizie powyższego tekstu jest oczywista, ale bez tej wie­dzy może być zaskakująca. Okazuje się, że dwa przyrządy o takich samych do­kładnościach bezwzględnych podawa­nych w specyfikacji wyrobu nie są so­bie równoważne. Na skutek nieskom­pensowanych niepewności pomiaru wy­nikających ze zmian nastaw przyrządu całkowita niepewność pomiaru pozio­mu w analizatorach innych niż Anritsu może się zwiększyć nawet do 0,4 dB.

Jarosław Doliński, EP


Produkty powiązane
  • Aeroflex Incorporated - a Cobham company
  • AMETEK Programmable Power, Inc.
  • Anritsu Corporation
  • IET LABS. INC.
  • KIKUSUI ELECTRONICS CORPORATION
  • Leader Electronics Corp
  • SAF Tehnika JSC
  • Sunsight
  • Teamcast