Методы измерения шумоподобных сигналов с помощью анализатора спектра

МЕТРОЛОГИЯ

Методы измерения шумоподобных сигналов с помощью анализатора спектра

Многие современные коммуникационные форматы, такие как W-CDMA, cdma2000 и WLAN, используют шумоподобные сигналы. Для точного измерения характеристик таких сигналов необходимы приборы и системы, отличающиеся от тех, что используются для измерения немодулированных синусоидальных сигналов (CW). Чтобы лучше понять, как работать с шумоподобными сигналами, давайте познакомимся с лучшим способом измерения таких сигналов и взглянем на средства, доступные в современных анализаторах спектра, позволяющие выполнять быстрые и точные измерения абсолютной и относительной мощности.

Боб Нельсон,

Agilent Technologies

Выбор детекторов и типа усреднения

В большинстве случаев для работы с шумоподобными сигналами используют два детектора — детектор с выборкой или усредняющий детектор. Детектор с выборкой использует одну выборку для вывода на экран каждой точки трассы. Выборка осуществляется в момент между отображением точек трассы в процессе сви-пирования анализатора спектра и используется для отображения следующей точки. Усредняющий детектор усредняет (по линейной шкале мощности) несколько выборок между двумя точками трассы. Затем усредненное значение отображается в качестве следующей точки трассы. Обратите внимание, что к шумоподобным сигналам не применимо обнаружение пиковых или нормальных значений, поскольку они не обеспечивают хорошего статистического распределения сигнала, что, следовательно, может привести к неточным измерениям мощности. Пиковые детекторы используются, в первую очередь, для немодулированных синусоидальных сигналов.

Одной из основных проблем измерения шумоподобных сигналов является разброс результатов измерений, связанный с самой природой таких сигналов. Для уменьшения такого разброса можно использовать несколько способов усреднения. В первую очередь следует упомянуть усреднение по трассе, усреднение по видеополосе (УВМ') и с помощью усредняющего детектора. И хотя эти методы можно комбинировать, обычно достаточно одного из них.

Усреднение по трассе просто усредняет каждую точку трассы для нескольких свипиро-ваний. Если включено усреднение по трассе, в качестве детектора автоматически выбирается

детектор с выборкой. Поскольку этот метод усреднения можно использовать с любым типом детектора, он получил наибольшее распространение и поддерживается почти во всех анализаторах спектра.

Другой подход заключается в сужении видеополосы до значения, меньшего, чем разрешающая способность по частоте (RBW). Во многих анализаторах спектра отношение VBW к RBW равно по умолчанию 1, что дает лишь небольшое усреднение. В большинстве случаев для снижения разброса большинства сигналов до приемлемого уровня, достаточно уменьшить отношение VBW к RBW до значения 0,1.

В современных анализаторах спектра лучший подход заключается в применении усредняющего детектора. Если выбран усредняющий детектор, то простое увеличение времени сви-пирования приводит к увеличению степени усреднения. Кроме того, увеличение времени свипирования увеличивает число участвующих в усреднении выборок между точками свипирования, что тоже снижает разброс сигнала.

Главное, на что нужно обратить внимание при измерении шумоподобных сигналов, это то, что усреднение должно выполняться по шкале среднеквадратических значений мощности, а не по логарифмической шкале. Это связано с тем, что логарифм среднего значения не равен среднему значению логарифмов. Поэтому усреднение шумоподобных сигналов по логарифмической шкале может дать ошибку до -2,51 дБ. Это может легко произойти при использовании старых аналоговых анализаторов спектра ПЧ. В современных анализаторах спектра выбор Усреднения по мощности (среднеквадратического усреднения) гарантирует точные измерения. Например, в анализаторах сигналов серии Agilent X выбранный Тип усреднения применяется ко всем упомянутым выше методам усреднения.

Точные измерения мощности

Точное измерение мощности шумоподобных сигналов может оказаться достаточно сложным. Суммарная мощность таких сигналов не сосредоточена в одной частотной точке, как в случае синусоидальных сигналов. Вместо этого она распределена во всей полосе модулированной несущей. Современные анализаторы спектра, подобные анализаторам серии Agilent X, часто предлагают несколько способов точного измерения мощности шумоподобных сигналов. Например, анализаторы серии X предлагают широкий выбор маркеров мощности в полосе, плотности в полосе и маркеров шума, которые интегрируют всю мощность в указанной полосе и отображают ее в единицах дБм или дБм/Гц. При этом мощность вычисляется по следующей формуле:

' >SPAN

Total Power (dBm)= 10 • LOG Г

Г У Р(ю • SPAN “I

’ I------------------ --- I

I NBW* (# Points- 1) I

Power Spectral Density (dBm/Hz) =

= 10* LOG

E

£P

]

1. Общая мощность, дБм

2. Спектральная плотность мощности, дБм/Гц

где:

P(k) = Мощность для точки трассы в полосе интегрирования, выраженная в мВт;

SPAN = Выбранная полоса обзора анализатора спектра;

NBW = Шумовая полоса RBW фильтра, в анализаторах серии X NBW = 1,05 * RBW; CBW = Полоса интегрирования;

Points = Число точек трассы в полосе обзора.

и

МЕТРОЛОГИЯ

Рис. 1. Маркеры мощности в анализаторе спектра серии X

Рис. 2. Пример измерения мощности в соседнем канале несущей W-CDMA с помощью анализатора серии X. Для несущей 3,84 МГц отображается мощность -10,5 дБм. Также измеряется и отображается мощность в соседних каналах, отстоящих на ±5 и ±10 МГц. Приведены результаты для абсолютной мощности

Спектральная плотность мощности равна отношению мощности, содержащейся в полосе 1 Гц, к полной мощности сигнала.

В анализаторах серии X при выборе мощности в полосе, плотности в полосе и маркеров шума, детектор автоматически переключается в режим усреднения. При этом выбирается тип усреднения по мощности (среднеквадратический), что предотвращает возникновение ошибок. Дополнительное сглаживание трассы можно получить, применив описанные выше методы усреднения.

В качестве примера на рис. 1 показаны маркеры мощности в полосе, используемые для измерения шумоподобных сигналов. Маркер 2 показывает полную мощность (дБм) несущей W-CDMA в полосе канала 3,84 МГц. Маркер 1 показывает плотность мощности в полосе 1 МГц по отношению к полной мощности несущей (дБн). Маркер 4 показывает общую мощность нижнего соседнего канала. Маркер 3 показывает относительную общую мощность (дБ) в нижнем альтернативном канале по отношению к маркеру 4. Очевидно, что эти маркеры упрощают и повышают гибкость очень сложных измерений относительной мощности шумоподобных сигналов.

Однокнопочные измерения

Современные анализаторы сигналов, подобные анализаторам серии X, часто предлагают набор встроенных функций измерения мощности, позволяющие выполнять стандартные измерения мощности шумоподобных сигналов одним нажатием кнопки. Такие измерения включают измерение мощности в канале (СНР), мощности в соседнем канале (АСР), занимаемой полосы частот (OBW) и многие другие измерения (рис. 2).

Заключение

Большинство современных анализаторов спектра предлагают богатый выбор детекторов, типов усреднения и маркеров, позволяющих быстро и просто выполнять гибкие и сложные измерения шумоподобных сигналов. Имеется также широкий набор встроенных функций измерения мощности, которые можно настроить на работу с сигналами многих современных и перспективных коммуникационных стандартов. Уникальная привязка детекторов к типам усреднения гарантирует точность получаемых результатов.

Techniques for Making Measurements of Noise-Like Signals with a Spectrum Analyzer

By Bob Nelson,

Agilent Technologies

Abstract

Many of today's communication formats, such as W-CDMA, cdma2000 and WLAN, produce signals that are noise-like in nature. Accurately measuring these types of signals requires tools and setups that are different from what is traditionally used for continuous wave (CW) signals. To get a better understanding of how to deal with noise-like signals, let's examine the best approach for measuring them, and look at the tools available in modern spectrum analyzers for quickly and accurately making absolute and relative power measurements.