MĂSURĂRI ÎN DOMENIUL FRECVENŢĂ. ANALIZORUL DE SPECTRU CLASIC

MĂSURĂRI ÎN DOMENIUL FRECVENŢĂ. ANALIZORUL DE SPECTRU CLASIC

5.1. Introducere

Aşa cum se cunoaşte, orice semnal electric poate fi caracterizat, în mod univoc, prin două reprezentări: în domeniul timp şi în domeniul frecvenţă (fig. 5.1). Dacă anumite proprietăţi ale semnalelor sunt mai relevante sau pot fi măsurate numai în domeniul timp (de exemplu, timpii de creştere şi de cădere ai semnalelor de tip impuls), altele sunt mai concludente sau pot fi măsurate numai în domeniul frecvenţă (de exemplu, lăţimea de bandă ocupată de un semnal modulat).

Analiză în domeniul timp

Analiză în domeniul frecvenţă

Fig. 5.1. Exemplu de semnal complex, reprezentat în

domeniul timp şi în domeniul frecvenţă

Analizoarele de spectru sunt instrumente care servesc la determinarea conţinutului în armonici al semnalelor sau, altfel spus, la măsurarea puterii fiecărei componente spectrale. Ele afişează amplitudinea semnalelor în funcţie de frecvenţă (măsurări în domeniul frecvenţă), fiind complementare osciloscoapelor, care afişează amplitudinea semnalelor în funcţie de timp (măsurări în domeniul timp) [1].

După modul de extragere a armonicilor semnalelor (aparent, criteriul cel mai acceptat), analizoarele de spectru pot fi [2, 3]:

Compatibilitate Electromagnetică. Aplicaţii

2

seriale, la care armonicile sunt extrase şi afişate succesiv (analizorul superheterodină, analizorul cu filtru acordabil, analizorul cu filtru dispersiv);

în timp real, care permit extragerea şi afişarea simultană a tuturor armonicilor (analizorul cu filtre în paralel, analizorul cu compresie de timp, analizorul Fourier). De obicei, analizoarele seriale se utilizează la frecvenţe înalte

(radiofrecvenţă şi microunde), iar analizoarele în timp real, mai mult la frecvenţe joase (audiofrecvenţă).

În domeniul compatibilităţii electromagnetice, analizoarele de spectru se utilizează cu predilecţie în cadrul testelor de preconformitate, la măsurarea emisiilor radiate şi conduse. Pentru teste de conformitate, acestea trebuie să îndeplinească cerinţele specificate în standardele CISPR, însă, chiar şi prin utilizarea preselectoarelor, preamplificatoarelor şi a software-ului specific, puţine analizoare sunt capabile să se conformeze acestor standarde.

5.2. Analizorul de spectru clasic

Cel mai utilizat analizor de spectru este cel de tip superheterodină (clasic), a cărui schemă de principiu este prezentată în fig. 5.2. Spectrul semnalului de intrare este explorat cu ajutorul unui oscilator local şi al unui etaj de amestec (mixer), iar extragerea succesivă a armonicilor se realizează cu ajutorul unui filtru trece-bandă (filtru de frecvenţă intermediară), acordat pe o frecvenţă centrală fixă, fI. Semnalul de ieşire al filtrului este amplificat (logaritmic), supus unei detecţii pătratice, şi, în final, aplicat plăcilor de deflexie pe verticală (Y) ale tubului catodic. Generatorul de baleiaj comandă plăcile de deflexie pe orizontală (X) şi, în acelaşi timp, atacă oscilatorul local, astfel încât domeniul de frecvenţă baleiat de acesta este determinat de amplitudinea tensiunii rampă. Pe această cale, după o excursie completă a tensiunii de baleiaj, pe ecran vor apărea toate armonicile semnalului analizat (întreg spectrul de frecvenţă al semnalului).

Analizoarele de spectru moderne, în locul sistemului osciloscopic cu tub catodic, utilizează ecrane cu cristale lichide. Afişarea numerică prezintă avantaje incontestabile, însă este necesară o procesare suplimentară a semnalului, dar şi existenţa unor moduri de afişare specializate. Înainte ca datele rezultate din procesul de măsurare să fie afişate, ele trebuie convertite în formă numerică, semnalul de la detector aplicându-se unui convertor analog-numeric cu parametri performanţi (viteză, rezoluţie şi liniaritate). Din moment ce ecranul prezintă un anumit număr de puncte (pixeli),


3

utilizatorul trebuie să decidă ce valoare va fi afişată pentru fiecare dintre acestea [4].

Atenuator de intrare

fS

fOL

Filtru FI

fI

Generator de baleiaj

fOL - fS

Detector de anvelopă

Amplificator logaritmic

Oscilator local

Mixer

Filtru video

Fig. 5.2. Schema bloc simplificată a unui analizor de spectru de tip superheterodină

În general, afişajul unui analizor de spectru dispune de o reţea

reticulară cu 10 diviziuni orizontale şi 8 sau 10 diviziuni verticale mari, aşa cum se prezintă în fig. 5.3.

Axa orizontală a afişajului este calibrată (liniar) în frecvenţă, aceasta crescând de la stânga la dreapta. Specificarea domeniului (intervalului) de frecvenţă explorat este un proces constituit din două etape: prima dată se fixează frecvenţa centrală (corespunzătoare liniei centrale a reţelei reticulare), cu ajutorul reglajului Center Frequency, iar apoi se fixează lăţimea intervalului, cu ajutorul reglajului Frequency Span. Alternativ, pentru marea majoritate a instrumentelor, se pot fixa direct frecvenţa de start (Start Frequency) şi frecvenţa de stop (Stop Frequency), care definesc valorile extreme ale intervalului de frecvenţă dorit.

Axa verticală a afişajului este calibrată în amplitudine, putându-se opta fie pentru o scară liniară în V, fie pentru o scară logaritmică în dB. Scara logaritmică este mult mai utilizată decât cea liniară, ea permiţând afişarea concomitentă a semnalelor care diferă în amplitudine cu 70 până la 100 dB (rapoarte de tensiuni între 3.200 şi 100.000 şi rapoarte de putere între 10.000.000 şi 10.000.000.000). Pe de altă parte, scara liniară poate fi


4

utilizată la compararea semnalelor cu amplitudini apropiate (care nu diferă între ele cu mai mult de 20 ÷ 30 dB, adică rapoarte de tensiuni între 10 şi 32). În ambele cazuri, se stabileşte un nivel de referinţă (Reference Level), prin atribuirea unei valori absolute liniei superioare a reţelei reticulare, cu ajutorul tehnicilor de calibrare. În funcţie de aceasta, vor fi atribuite valori şi altor locaţii de pe reţeaua reticulară.

Frecvenţă de start

Frecvenţă de stop

Frecvenţă centrală Lăţime interval

de frecvenţă

Nivel de referinţă

Am

plit

udin

e

Fig. 5.3. Afişajul unui analizor de spectru modern

De cele mai multe ori, scările logaritmice se gradează în dBm

(raportul, în dB, dintre puterea măsurată şi puterea de referinţă 1 mW / 50 Ω, 0 dBm = 1 mW = 224 mV). De asemenea, pe lângă dBm, se utilizează şi unităţile dBµV, când referinţa este tensiunea de 1 µV, respectiv dBV, când referinţa este tensiunea de 1 V.

Alte funcţii de control extrem de importante, care pot fi accesate de panoul frontal al majorităţii analizoarelor de spectru, sunt următoarele:

atenuarea de intrare (Input Attenuation): atenuatorul RF serveşte la controlul nivelului semnalului de intrare în mixer. Atenuarea este fixată automat, pe baza nivelului de referinţă, însă poate fi programată şi manual;

lăţimea benzii de rezoluţie (Resolution Bandwidth – RBW): reprezintă lăţimea de bandă la 3 dB a filtrului de frecvenţă


5

intermediară, determinând capacitatea analizorului de a separa între ele semnalele de intrare de frecvenţe apropiate (rezoluţia). De obicei, analizoarele de spectru moderne au lăţimea benzii de rezoluţie selectabilă în secvenţa 1-3-10 sau 1-10, filtrele fiind implementate analogic sau numeric;

lăţimea de bandă video (Video Bandwidth – VBW): pentru a diminua efectul zgomotului intern asupra amplitudinii semnalelor afişate, analizoarele de spectru includ un filtru video (de tip trece-jos), cu lăţimea de bandă variabilă;

timpul de baleiaj (Sweep Time): este timpul necesar oscilatorului local pentru a baleia domeniul de frecvenţă specificat. Analizoarele de spectru moderne programează timpul de baleiaj în mod automat, în funcţie de lăţimea intervalului de frecvenţă explorat, lăţimea benzii de rezoluţie şi lăţimea de bandă video. Ajustarea timpului de baleiaj este necesară pentru a menţine afişajul calibrat. Dacă se doreşte, configurarea automată a timpului de baleiaj poate fi invalidată, iar acesta va fi programat manual. O facilitate importantă oferită de analizoarele de spectru moderne o

reprezintă şi posibilitatea de activare pe ecran a diverse tipuri de cursoare (markers), cu care se pot realiza măsurări asupra nivelului şi frecvenţei semnalelor afişate sau se pot măsura diferenţe (intervale) ale acestora.

5.3. Studiu de caz – Analizorul de spectru HM 5014-2

5.3.1. Prezentare generală

HM 5014-2 este un analizor de spectru produs de firma Hameg Instruments, care funcţionează pe principiul superheterodinei cu dublă schimbare de frecvenţă (fig. 5.4). Principalele caracteristici şi facilităţi oferite de instrument sunt următoarele [5]:

domeniul de frecvenţă: 0,15 MHz ÷ 1050 MHz; domeniul de măsurare: -100 dBm ÷ +10 dBm; domeniul de afişare: 80 dB (10 dB/div) şi 40 dB (5 dB/div); lăţimea benzii de rezoluţie, RBW: 9 kHz, 120 kHz sau 1 MHz; lăţimea de bandă video, VBW: 4 kHz; generator de urmărire: -50 dBm ÷ +1 dBm; nivel maxim admisibil: ±25 Vc.c., respectiv +10 dBm, Vc.a; afişaj cu tub catodic, 8 cm x 10 cm; interfaţă RS-232 şi software pentru măsurări CEM automate.


6

Fig.5.4. Analizorul de spectru HM 5014-2. Panou frontal

5.3.2. Elemente de reglaj şi afişare

1. POWER – buton de pornire / oprire. 2. INTENS – buton cu funcţie dublă, cu LED asociat. O apăsare scurtă a

butonului aprinde LED-ul şi validează reglajul rotativ TUNING, prin intermediul căruia poate fi modificată intensitatea fasciculului luminos.

3. FOCUS / TR – buton cu două funcţii, cu LED asociat. Funcţia FOCUS este activată prin apăsarea scurtă a butonului,

operaţie care aprinde LED-ul şi validează reglajul rotativ TUNING, utilizat la focalizare.

Funcţia TR este activată prin apăsarea lungă a butonului, operaţie al cărei efect constă în stingerea LED-ului şi în invalidarea trasei şi a parametrilor afişaţi. În schimb, pe ecran apare un dreptunghi cu două linii centrale, una verticală şi una orizontală. Utilizând reglajul TUNING, poziţia dreptunghiului va fi modificată până când linia centrală orizontală devine paralelă cu liniile reţelei reticulare. Această ajustare depinde de orientarea instrumentului în câmpul magnetic terestru, iar o uşoară distorsiune este inevitabilă şi nu poate fi corectată.


7

Fig. 5.5. Elemente de reglaj ale analizorului HM 5014-2

Fig. 5.6. Elemente de afişare ale analizorului HM 5014-2


8

4. Keyboard – Tastatură cu 10 taste numerotate de la 0 la 9, o tastă punct zecimal şi o tastă de corecţie, - /C. Tastatura poate fi utilizată la introducerea valorilor pentru funcţiile CENTER FREQ. (frecvenţă centrală), REF.-LEVEL (nivel de referinţă) şi TG.-LEVEL (nivel de ieşire al generatorului de urmărire). Alternativ, valorile pentru aceste funcţii pot fi introduse prin intermediul reglajului TUNING. Înainte de introducerea unei valori, funcţiile amintite trebuie să fie active. De exemplu, dacă se doreşte fixarea unui nou nivel de referinţă, LED-ul corespondent funcţiei REF.-LEVEL trebuie să fie aprins. După introducere, noua valoare va fi acceptată prin apăsarea, încă o dată, a butonului funcţiei active (dar numai dacă se încadrează în domeniu).

5. CENTER-FREQ. – buton cu LED asociat. O apăsare scurtă a butonului aprinde LED-ul şi permite introducerea unei noi frecvenţe centrale, fie prin intermediul tastaturii, fie prin intermediul reglajului rotativ TUNING.

6. MARKER – buton cu LED asociat. Apăsarea scurtă a butonului (LED-ul se va aprinde) are ca efect activarea cursorului, pe trasă apărând simbolul (x). Cursorul permite afişarea frecvenţei şi nivelului corespunzător poziţiei curente a acestuia, poziţie ce poate fi modificată prin intermediul reglajului TUNING.

7. REF.-LEVEL – buton cu LED asociat. Funcţia este selectată prin apăsarea butonului (astfel încât LED-ul va lumina), permiţând modificarea nivelului de referinţă, fie prin intermediul tastaturii, fie prin intermediul reglajului rotativ TUNING.

8. TG.-LEVEL – buton cu LED asociat. Apăsând acest buton, nivelul de ieşire al generatorului de urmărire poate fi stabilit cu ajutorul reglajului TUNING sau al tastaturii.

9. TUNING – acest reglaj (knob) poate fi utilizat la modificarea valorilor tuturor funcţiilor care dispun de butoane şi LED-uri asociate, existente în partea superioară a panoului frontal: INTENS, FOCUS, TR, CENTER FREQ., MARKER, REF.-LEVEL şi TG.-LEVEL.

10. 5dB/DIV. – buton cu LED asociat. Apăsând acest buton, scara verticală se modifică de la 10 dB/div (LED stins) la 5 dB/div (LED aprins) şi viceversa, fără ca nivelul de referinţă să se modifice. Pentru 5 dB/div, domeniul afişat va fi de 40 dB (în loc de 80 dB).


9

Observaţie. Selectând 5 dB/div, este posibil ca „banda de zgomot” să dispară de pe ecran, dar aceasta poate fi afişată, din nou, prin stabilirea altui nivel de referinţă.

11. ATTEN. – butoane cu LED-uri asociate. Apăsând unul din aceste butoane, atenuatorul poate fi reglat în trepte de 10 dB, de la 0 dB la 40 dB, respectiv de la 40 dB la 10 dB.

Domeniul de măsurare depinde de valoarea atenuării. La 10 dB/div (scară de 80 dB), sunt disponibile domeniile de măsurare din tabelul 5.1 [5].

Tabelul 5.1. Domenii de măsurare ale analizorului HM 5014-2

Atenuare Nivel de referinţă Nivel de zgomot

aproximativ 40 dB +10 dBm -60 dBm 30 dB 0 dBm -70 dBm 20 dB -10 dBm -80 dBm 10 dB -20 dBm -90 dBm

Prin apăsarea prelungită a butonului ATTEN din partea de sus,

atenuarea se va modifica de la 10 dB la 0 dB. Această măsură a fost luată datorită sensibilităţii mari a etajului de intrare, pentru a-l proteja de stabilirea neintenţionată a atenuării la 0 dB.

Nivelul maxim de intrare (+10 dBm) nu poate fi depăşit, întrucât semnalele de nivel mare pot introduce erori de măsurare importante şi, în cel mai rău caz, pot distruge etajul de intrare.

12. RBW – butoane cu LED-uri asociate. Permit selecţia uneia din cele trei lăţimi de bandă FI.

13. VBW – buton cu LED asociat. Prin apăsarea acestui buton, se introduce sau se scoate filtrul video (având lăţimea de bandă de 4 kHz), utilizat la medierea zgomotului intern al analizorului.

Observaţii 1. Dacă filtrul video este activat, iar lăţimea intervalului de frecvenţă

explorat (SPAN) este prea mare, pe ecran apare mesajul „uncal”, iar nivelul semnalului afişat nu atinge înălţimea sa reală.

2. Filtrarea video nu se utilizează la măsurarea semnalelor în impulsuri.

14. AVERAGE – buton cu LED asociat. În modul AVERAGE (mediere), instrumentul calculează şi afişează, continuu, media aritmetică a înregistrărilor trasei.


10

Unele funcţii nu pot fi apelate în modul AVERAGE, fiind generat un mesaj de eroare sonor.

15. Max. HLD (maximum hold) – buton cu LED asociat. Funcţia memorează şi afişează valorile maxime ale trasei. Valorile sub nivelul maxim se pierd. Unele funcţii nu pot fi apelate în modul Max. HLD, fiind generat un mesaj de eroare sonor.

16. LOCAL/PRINT – buton cu două funcţii, cu LED asociat. Funcţia LOCAL Modul REMOTE (control la distanţă) poate fi activat sau dezactivat

prin intermediul interfeţei seriale. Când instrumentul este controlat de la calculator, LED-ul RM este aprins şi, cu excepţia butonului LOCAL/PRINT, toate celelalte elemente de control sunt dezactivate. Prin apăsarea scurtă a butonului LOCAL/PRINT, modul de funcţionare este trecut pe LOCAL, astfel încât toate elemente de control devin, din nou, operative.

Funcţia PRINT În condiţiile în care LED-ul RM este stins (modul LOCAL), se poate

iniţia imprimarea numai dacă: interfaţa serială a analizorului de spectru este conectată la

portul serial (COM) al unui calculator; software-ul asociat este activ, iar setările portului serial al

calculatorului sunt compatibile cu conexiunea hardware. 17. B – buton simplu. Analizorul conţine o memorie secundară (pentru

semnal şi parametri specifici), denumită „B”. Aceasta este volatilă, conţinutul său pierzându-se la oprirea din funcţiune a instrumentului.

Memoria B poate fi activată numai cu instrumentul pornit, după ce o trasă a fost salvată cu ajutorul funcţiei A→B, în caz contrar fiind generat un mesaj de eroare sonor.

18. A-B – buton simplu. Această funcţie poate fi apelată numai dacă o trasă a fost salvată în memoria B. Efectul funcţiei constă în afişarea diferenţei dintre trasa curentă şi trasa salvată în memoria B. Funcţia A-B facilitează observarea modificărilor survenite în nivelul semnalului, atunci când sunt realizate diverse ajustări. La apelarea funcţiei A-B, nivelul de referinţă este ajustat automat, în scopul obţinerii unei citiri cât mai bune.

19. A – buton simplu. Conţinutul memoriei A, dat de semnalul prezent la intrarea analizorului, este continuu reîmprospătat. Apăsând butonul


11

A, spectrul curent al semnalului este scris în memorie, citit din aceasta şi afişat pe ecran.

20. RECALL/SET – buton cu funcţie dublă. Funcţia RECALL nu poate fi apelată atâta timp cât funcţiile AVERAGE sau Max. HOLD sunt active.

Funcţia RECALL Instrumentul are o memorie nonvolatilă, care poate stoca 10

configuraţii ale parametrilor acestuia, apelabile prin intermediul funcţiei RECALL.

Apăsând butonul RECALL, pe ecranul instrumentului apare mesajul „Recall ...”, pentru un timp de aproximativ 2 secunde. În intervalul de timp în care este afişat mesajul, butoanele RECALL şi SAVE pot fi utilizate la selectarea locaţiilor de memorie, notate cu cifre de la 0 la 9.

De fiecare dată când este selectată o nouă locaţie de memorie (fie prin apăsarea butonului RECALL, fie prin apăsarea butonului SAVE), locaţia respectivă va fi afişată pe ecran pentru acelaşi timp, aproximativ 2 secunde. Funcţia SET (apăsare lungă)

Apelarea unei anumite configuraţii a instrumentului, necesită, la început, afişarea locaţiei de memorie, prin apăsarea scurtă a butonului. Apăsând şi menţinând apăsat butonul, în timp ce locaţia de memorie este afişată, va avea ca efect acceptarea de către instrument a setărilor din respectiva locaţie de memorie. Confirmarea operaţiei se face printr-un „bip” dublu.

Observaţie. După un timp de aşteptare de aproximativ 3 s, funcţia RECALL este părăsită în mod automat, dacă a fost apelată din greşeală sau dacă nu a fost utilizată.

21. SAVE/SET – buton cu funcţie dublă. Funcţia SAVE nu poate fi apelată atâta timp cât funcţiile AVERAGE sau Max. HOLD sunt active.

Funcţia SAVE Funcţia permite salvarea a până la 10 configuraţii ale instrumentului

în memoria nonvolatilă. După cum s-a amintit anterior, aceste configuraţii pot fi apelate prin intermediul funcţiei RECALL.

Apăsând butonul SAVE, pe ecranul instrumentului apare mesajul „Save ...”, pentru un timp de aproximativ 2 secunde. În intervalul de timp în care este afişat mesajul, butoanele SAVE şi RECALL pot fi utilizate la selectarea locaţiilor de memorie, notate cu cifre de la 0 la 9.


12

De fiecare dată când este selectată o nouă locaţie de memorie (fie prin apăsarea butonului SAVE, fie prin apăsarea butonului RECALL), locaţia respectivă va fi afişată pe ecran pentru acelaşi timp, aproximativ 2 secunde.

Funcţia SET (apăsare lungă) Memorarea unei anumite configuraţii a instrumentului, necesită, la

început, afişarea locaţiei de memorie, prin apăsarea scurtă a butonului. Apăsând şi menţinând apăsat butonul, în timp ce locaţia de memorie este afişată, va avea ca efect salvarea setărilor instrumentului în respectiva locaţie de memorie. Confirmarea operaţiei se face printr-un „bip” dublu.

Observaţie. După un timp de aşteptare de aproximativ 3 s, funcţia SAVE este părăsită în mod automat, dacă a fost apelată din greşeală sau dacă nu a fost utilizată.

22. A→B – buton simplu. La apăsarea butonului „A”, pe ecranul analizorului este afişat spectrul semnalului prezent la intrare. După procesare, spectrul este convertit în formă numerică, salvat în memoria A, convertit, înapoi, în formă analogică şi afişat pe ecran.

Apăsând butonul A→B, conţinutul memoriei A este transferat în memoria B, iar pe ecran va apărea conţinutul acesteia din urmă. De asemenea, pe ecran va fi indicată litera „B” în locul în care, anterior, era indicată litera „A”.

După transferarea trasei din memoria A în memoria B, aceasta va fi afişată continuu, fără nici o modificare, până la apăsarea butonului A (cauzând afişarea spectrului curent al semnalului de intrare) sau a butonului A-B (cauzând afişarea spectrului curent al semnalului intrare minus conţinutul memoriei B). Trasa din memoria B se pierde la oprirea instrumentului.

23. SPAN – butoane simple. Butonul superior permite creşterea lăţimii intervalului de frecvenţă explorat (SPAN), în timp ce butonul inferior serveşte la diminuarea acesteia.

Lăţimea intervalului de frecvenţă explorat poate fi stabilită în secvenţa 1-2-5, între 1 MHz şi 1000 MHz, determinând, în combinaţie cu frecvenţa centrală fixată, frecvenţele de start şi stop ale analizorului. De exemplu, un interval de 500 MHz, în combinaţie cu o frecvenţă centrală de 300 MHz, determină o frecvenţă de start de 50 MHz (300 MHz – SPAN/2) şi o frecvenţă de stop de 550 MHz (300 MHz + SPAN/2).


13

Observaţie. Instrumentul este programat să optimizeze timpul de baleiaj, ţinând seama de lăţimea intervalului de frecvenţă explorat, lăţimea benzii de rezoluţie (RBW) şi lăţimea de bandă video (VBW). Dacă acest lucru nu este posibil, pe ecran apare mesajul „uncal”, indicând faptul că nivelurile afişate ale spectrului sunt incorecte.

24. ZERO SPAN – buton simplu. Funcţia ZERO SPAN opreşte baleiajul, permiţând acordarea analizorului pe frecvenţa centrală. În modul ZERO SPAN, afişarea este trecută din domeniul frecvenţă în domeniul timp, fapt care facilitează realizarea de măsurători asupra semnalelor de frecvenţă dată. Părăsirea acestui acest mod de funcţionare se realizează prin apăsarea butonului ZERO SPAN sau a unuia din butoanele SPAN, instrumentul revenind la intervalul de frecvenţă explorat anterior.

25. INPUT 50 Ω – conector de tip N. Semnalul de intrare poate fi de maximum 25 V, în curent continuu, sau +10 dBm, în radiofrecvenţă. Cu atenuarea fixată la 40 dB, semnalul de radiofrecvenţă aplicat nu trebuie să depăşească valoarea de +20 dBm, în caz contrar existând posibilitatea distrugerii etajului de intrare.

Conectorul de tip N este conectat direct la carcasa aparatului şi, implicit, la împământarea generală.

26. PHONE – conector de ieşire pentru căşti, cu diametrul de 3,5 mm. Această ieşire este destinată conectării căştilor cu impedanţă de cel puţin 8 Ω. Volumul poate fi reglat cu ajutorul unei şurubelniţe, utilizând elementul de control VOL. Semnalul prezent la această ieşire provine de la demodulatorul MA şi înlesneşte identificarea semnalelor. De exemplu, dacă în modul ZERO SPAN, la intrarea analizorului este conectată o antenă, instrumentul poate fi acordat pe frecvenţa specifică a unui emiţător. Această funcţie trebuie utilizată în limita reglementărilor legale.

27. TEST SIGNAL – conector BNC, cu buton şi LED asociat. Chiar şi în situaţia în care LED-ul este stins, conectorul BNC serveşte ca sursă de semnal de bandă largă. Prin intermediul unui cablu de 50 Ω, el poate fi conectat la intrarea analizorului, în scopul de verificare a funcţionării.

La activarea ieşirii (LED aprins), este generat, suplimentar, un semnal sinusoidal cu frecvenţa de 48 MHz şi nivelul de aproximativ -30 dBm.

28. TRACKING GENERATOR – conector N, de 50 Ω, cu buton şi LED asociat. La punerea în funcţiune a instrumentului, pentru a asigura


14

protecţia dispozitivelor conectate la generatorul de urmărire, ieşirea sa va fi, întotdeauna, inactivă. Această stare este indicată prin litera „t” afişată pe ecran, iar LED-ul este stins. Apăsând butonul, ieşirea generatorului de urmărire va fi activată (LED aprins), iar afişajul va indica litera „T” în faţa valorii care reprezintă nivelul semnalului generat. Apăsând butonul încă o dată, generatorul va fi, iarăşi, dezactivat.

Frecvenţa semnalului de ieşire al generatorului de urmărire este, întotdeauna, identică cu frecvenţa de acord a analizorului.

29. PROBE POWER – conector de alimentare, cu diametrul de 2,5 mm, pentru sondele de câmp apropiat HZ530. Tensiunea furnizată este de 6 V, iar curentul maxim de ieşire este 100 mA.

5.4. Exemple de măsurări

Câteva exemple de măsurări, realizate cu ajutorul analizorului de spectru HM 5014-2, sunt prezentate în cele ce urmează. Rezultatele expuse au fost extrase prin intermediul software-ului asociat, configurat în modul de operare „normal”, în care funcţiile instrumentului sunt emulate de către calculator (fig. 5.7).

Fig. 5.7. Interfaţa grafică a programului AS100E. Fereastra Settings


15

5.4.1. Măsurarea spectrului de frecvenţă al unor semnale periodice de bază

Conform analizei Fourier, orice semnal periodic poate fi privit ca o sumă de componente sinusoidale (armonici), ale căror frecvenţe reprezintă multipli întregi ai frecvenţei semnalului. O comparaţie între conţinuturile în armonici ale unor semnale periodice comune, obţinute de la un generator de funcţii, este realizată mai jos. De fiecare dată, frecvenţa semnalului de test a fost f = 1,5 MHz, iar valoarea vârf-la-vârf, Uvv = 200 mV. La analizor, pentru separarea componentelor spectrale, s-a utilizat RBW = 120 kHz, iar domeniul de frecvenţă explorat a fost cuprins între 0,55 MHz şi 50,55 MHz.

Fig. 5.8 prezintă forma de undă şi spectrul de frecvenţă al unui semnal sinusoidal. După cum se observă cu uşurinţă, semnalul este uşor distorsionat, spectrul său evidenţiind, pe lângă fundamentală (prima armonică), şi o armonică de frecvenţă dublă, a cărei amplitudine este cu 40 dB (de 100 de ori) mai mică decât a acesteia. Alte armonici, dacă există, se pierd sub nivelul de zgomot introdus de analizor, aproximativ -72 dBm.

(a) (b)

Fig. 5.8. Semnal sinusoidal: a) formă de undă; b) spectru de frecvenţă

Forma de undă şi spectrul de frecvenţă al unui semnal

dreptunghiular sunt ilustrate în fig. 5.9. Conform dezvoltării în serie Fourier, un semnal perfect dreptunghiular este compus dintr-o infinitate de armonici impare, a căror amplitudine este de n ori sau, altfel spus, cu

nlg20 dB mai mică decât cea a fundamentalei (n = rangul armonicii). Aşadar, teoretic, amplitudinile armonicilor de rang 3, 5, 7, 9 etc. sunt cu 9,5 dB, 14 dB, 16,9 dB, 19,1 dB etc. mai mici decât amplitudinea fundamentalei, valori foarte apropiate de cele care reies din fig. 5.9.


16

(a) (b)

Fig. 5.9. Semnal dreptunghiular: a) formă de undă; b) spectru de frecvenţă

Fig. 5.10 prezintă forma de undă şi spectrul de frecvenţă al unui

semnal triunghiular. Ca şi în cazul semnalului dreptunghiular, spectrul unui semnal perfect triunghiular este compus dintr-o infinitate de armonici impare, însă amplitudinea lor este de n2 ori sau, altfel spus, cu nlg40 dB mai mică decât cea a fundamentalei. Aşadar, de această dată, amplitudinile armonicilor de rang 3, 5, 7, 9 etc. sunt cu 19 dB, 28 dB, 33,8 dB, 38,2 dB etc. mai mici decât amplitudinea fundamentalei, valori, de asemenea, foarte apropiate de cele care reies din fig. 5.10.

(a) (b)

Fig. 5.10. Semnal triunghiular: a) formă de undă; b) spectru de frecvenţă


17

5.4.2. Măsurarea perturbaţiilor electromagnetice generate de emiţătoare radio

Una din aplicaţiile reprezentative ale analizorului de spectru (pentru practica CEM) constă în măsurarea intensităţii câmpurilor electromagnetice perturbatoare. În acest scop, la intrarea analizorului de spectru se va conecta o antenă de recepţie, electrică sau magnetică.

Pentru a putea determina intensitatea câmpului electric, de exemplu, este necesar ca antena de măsură să fie calibrată, adică să i se cunoască factorul de antenă1 (de conversie). Astfel, intensitatea câmpului electric, E(dBμV/m), se va calcula cu relaţia:

)()/()()/( dBCmdBFAVdBUmVdBE , (5.1)

unde U reprezintă tensiunea furnizată de antenă, FA este factorul de antenă, iar C este factorul de pierderi al liniei de transmisie.

Mai departe, conversia în V/m se poate realiza pe baza relaţiei:

620

)/(

1010/ mVdBE

mVE

, (5.2)

însă, de multe ori, este relevantă doar prima formă.

Observaţii 1. Atunci când citirea se efectuează în dBm, conversia putere-tensiune

se va realiza cu relaţia:

107)()( dBmPVdBU , (5.3)

valabilă în sisteme cu impedanţa 50Z . 2. Când se cunoaşte câştigul antenei, G(dBi), şi nu factorul de antenă,

acesta din urmă poate fi calculat cu relaţia:

dB dBiGMHzfmdBFA 78,29lg20)/( , (5.4)

valabilă, de asemenea, în sisteme cu impedanţa 50Z . 3. La distanţă 2d faţă de o sursă de radiaţii electromagnetice

(zona de „câmp îndepărtat”), raportul dintre cele două componente ale câmpului, E şi H, este dat de impedanţa de undă a spaţiului liber, Z0:

1Factorul de antenă este specificat de producător, sub formă de grafice sau tabele de calibrare, fiind dependent de frecvenţă.


18

ZH

E3770 . (5.5)

Aşadar, măsurând una din componente, cealaltă poate fi calculată cu relaţia de mai sus.

Exemplu de măsurare În fig. 5.11, se prezintă un sistem de măsurare tipic, compus din

analizorul de spectru HM 5014-2 şi un senzor de câmp electric omnidirecţional, model 7405-904B, ETS-Lindgren (100 kHz ÷ 500 MHz). O măsurare de câmp electric în banda FM (87,5 MHz ÷ 108 MHz), realizată cu funcţia Max. HOLD activată, este ilustrată în fig. 5.12.

Fig. 5.11. Exemplu de sistem pentru măsurarea perturbaţiilor electromagnetice de RF, compus din analizorul HM 5014-2 şi senzorul de câmp electric 7405-904B

Conform datelor raportate în fig. 5.12, cel mai mare nivel al

emisiilor se înregistrează pe frecvenţa de 104 MHz, fiind de -51,6 dBm. Ţinând seama că, la această frecvenţă, factorul de antenă al senzorului este de aproximativ 52,5 dB/m, intensitatea câmpului electric va fi:

V/mdB 9107 5,52 107 6,51 ,E , (5.6)

de unde rezultă:

V/m 251010101010 64,5620

9,107

,E . (5.7)


19

Deoarece măsurarea s-a realizat în zona de câmp îndepărtat, din relaţia (5.5), componenta magnetică a câmpului poate fi estimată ca:

A/mm , ZEH 666,03772510/ 0 . (5.8)

Fig. 5.12. Emisii generate de emiţătoarele radio FM, care operează în banda de frecvenţă 87,5 MHz ÷ 108 MHz

5.4.3. Măsurarea răspunsului în frecvenţă al unui atenuator RF

Aşa cum s-a menţionat la punctul 5.3, analizorul HM 5014-2 dispune şi de un generator de urmărire (tracking generator) încorporat. Acesta furnizează un semnal sinusoidal a cărui frecvenţă variază între 0,15 MHz şi 1050 MHz, fiind determinată de primul oscilator local al instrumentului. În modul ZERO SPAN, frecvenţa semnalului de la generatorul de urmărire este egală cu frecvenţa centrală a analizorului. În modul SPAN, generatorul urmăreşte, întocmai, frecvenţa primului oscilator local.

Generatorul de urmărire poate fi utilizat la determinarea răspunsului în frecvenţă al amplificatoarelor, atenuatoarelor, filtrelor etc. În acest scop, ieşirea generatorului se va conecta la intrarea dispozitivului testat, iar ieşirea dispozitivului în cauză se va conecta la intrarea analizorului. O buclă internă a generatorului permite menţinerea aceluiaşi nivel de ieşire în întreg domeniul de frecvenţă explorat.


20

Să presupunem că se doreşte determinarea răspunsului în frecvenţă al unui atenuator RF de 20 dB, în întreg domeniul de frecvenţă al analizorului. Pentru aceasta, este necesară parcurgerea următoarelor etape:

se configurează parametrii de interes ai analizorului (nivel de referinţă, frecvenţă centrală, lăţime interval de frecvenţă etc.);

cu un cablu coaxial scurt, se conectează ieşirea generatorului de urmărire la intrarea analizorului;

se fixează nivelul de ieşire al generatorului şi se activează ieşirea; se salvează trasa afişată de instrument în memoria secundară, B; se scade conţinutul memoriei B (trasa salvată) din conţinutul

memoriei A (trasa curentă), activând funcţia A – B (fig. 5.13, a);

(a)

(b)

Fig. 5.13. Măsurarea răspunsului în frecvenţă al unui atenuator RF: a) normalizarea sistemului; b) inserarea atenuatorului


21

se deconectează cablul coaxial la unul din capete şi se inserează atenuatorul, răspunsul în frecvenţă al acestuia apărând pe ecran (fig. 5.13, b). Evident, un atenuator ideal ar produce pe ecran o linie dreaptă, în

dreptul reperului -20 dB. În cazul de faţă, aşa cum se poate observa şi în fig. 5.14, atenuatorul prezintă un riplu de ±0,4 dB.

Fig. 5.14. Măsurarea răspunsului în frecvenţă al unui atenuator de radiofrecvenţă, 20 dB / 1 GHz

5.5. Exerciţii şi aplicaţii

1. Să se verifice principiul de funcţionare al analizorului de tip superheterodină (fig. 5.2) cu ajutorul programului Java de la adresa http://www.keysight.com/upload/cmc_upload/All/Superheterodyne_Spectrum_Analyzer.htm?cmpid=zzfindnw_specan.

2. La un analizor de spectru, se programează o frecvenţă centrală de 75 MHz şi un domeniu de frecvenţă de 50 MHz. Ce valori de frecvenţă se regăsesc la extremităţile axei orizontale a afişajului?

3. Să se precizeze, pe baza specificaţiilor tehnice ale analizorului de spectru HM 5014-2, nivelul maxim de semnal RF, în V, care poate fi aplicat la intrarea instrumentului.


22

4. Să se estimeze dacă cu acest instrument se pot vizualiza corect două semnale de intrare cu amplitudini egale, dar ale căror frecvenţe diferă cu 4,5 kHz. Dar cu 18 kHz?

5. Prezentaţi, pe scurt, modul în care intenţionaţi să măsuraţi un semnal sinusoidal cu frecvenţa de 100 MHz şi amplitudinea de -90 dBm cu ajutorul analizorului de spectru HM 5014-2.

6. În fig. 5.15 se prezintă spectrul de frecvenţă al unui semnal sinusoidal furnizat de un generator de funcţii, măsurat cu analizorul de spectru HM 5014-2. Să se calculeze gradul de distorsiune al semnalului, D(%).

5 MHz -23,6 dBm

10 MHz -78,8 dBm

15 MHz -56,8 dBm

20 MHz -86,4 dBm

25 MHz -73,2 dBm

35 MHz -81,2 dBm 45 MHz

-87,6 dBm

Fig. 5.15. Spectrul de frecvenţă al unui semnal sinusoidal furnizat de un generator de funcţii, măsurat cu ajutorul

analizorului de spectru HM 5014-2

7. În fig. 5.16 se prezintă emisiile electromagnetice în banda GSM 900 (DL), măsurate în laborator, cu un sistem compus din analizorul de spectru HM 5014-2 şi o antenă Omnilog 90200 (800 MHz ÷ 2500 MHz), Aaronia. Să se calculeze nivelul maxim al câmpului electric, în dBμV/m şi V/m, ştiind că, la frecvenţa indicată de cursor, câştigul antenei este de aproximativ -1,86 dBi.


23

Fig. 5.16. Emisii electromagnetice în banda GSM 900 (DL), măsurate cu analizorul de spectru HM5014-2 (Max. HOLD, RBW = 1 MHz)

8. Spectrul de frecvenţă al unui semnal sinusoidal modulat în

amplitudine, măsurat cu analizorul de spectru HM 5014-2, este prezentat în fig. 5.17. Să se determine frecvenţa modulatoarei (fm), frecvenţa purtătoarei (fp), banda ocupată de semnal (B) şi indicele de modulaţie în amplitudine (m).

Fig. 5.17. Spectrul de frecvenţă al unui semnal sinusoidal modulat în amplitudine, măsurat cu analizorul de spectru HM5014-2


24

9. Să se compare indicele de modulaţie calculat la punctul de mai sus cu cel determinat pe baza formei de undă a semnalului (fig. 5.18).

Fig. 5.18. Formă de undă corespunzând spectrului de frecvenţă din fig. 5.17 (semnal sinusoidal modulat în amplitudine)

10. Familiarizaţi-vă cu un analizor de spectru disponibil în laborator şi

realizaţi experimente similare celor prezentate în cadrul capitolului. De asemenea, încercaţi să investigaţi conţinutul spectral al unui semnal sinusoidal modulat în frecvenţă, pentru diverse valori ale indicelui de modulaţie, β.

Bibliografie

1. David V., Creţu M., Măsurarea intensităţii câmpului electromagnetic, Casa de Editură Venus, Iaşi, 2006.

2. Antoniu M., Măsurări electronice – Măsurări la frecvenţe joase, înalte şi optice, Ediţia a III-a, Editura Satya, Iaşi, 2002.

3. Nicolau E. (coordonator), Manualul inginerului electronist – Măsurări electronice, Editura Tehnică, Bucureşti, 1979.

4. ***Agilent Technologies, Spectrum Analysis Basics, Application Note 150, 2004, http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5952-0292.pdf.

5. ***Hameg Instruments, Spectrum Analyzer HM 5014-2, Manual, 2004.

MĂSURĂRI ÎN DOMENIUL FRECVENŢĂ. ANALIZORUL DE SPECTRU CLASIC

Documents

Transcript of MĂSURĂRI ÎN DOMENIUL FRECVENŢĂ. ANALIZORUL DE SPECTRU CLASIC