Анализ работы усилителей и фильтров

Анализ работы усилителей представляет собой отдельную и крайне важную задачу при проектировании и заводских испытаниях систем радиосвязи. Для этой цели обычно используются скалярные и векторные анализаторы цепей (Network Analyzers). Основными параметрами для измерения работы усилителей в составе радиочастотного тракта являются измерения шумов, вносимых усилителями, и измерений параметров нелинейности усилительных участков. Перегрузка усилителя по амплитуде может привести к переходу в нелинейный режим и, как следствие, резкому увеличению вероятности ошибки в цифровой системе передачи.

Уже знакомые методы представления сигналов в виде глазковой диаграмм и диаграмм состояния могут быть использованы как индикаторы неисправности или выхода из режима усилителя и позволяют быстро локализовать причину деградации качества -нелинейность усилительного тракта. На рис. 3.7 представлены диаграмма состояний и глазковая диаграмма при перегрузке усилителя на лампе бегущей волны (ЛБВ) на 3 дБ. Появление интермодуляционных эффектов, таких как АМ/ФМ - преобразование, и повышение количества ошибок приводят к закрытию "глаза" глазковой диаграммы (размывание картины).

Рис.3.7. Нелинейные искажения сигнала на диаграмме состояний и на глазковой диаграмме Как правило, при диагностике причин снижения параметров качества радиосвязи достаточно локализовать участок деградации, чтобы затем настроить систему.

Обычно характеристики усилительных элементов приведены в технической документации и описанные неисправности могут возникнуть только при неправильной установке параметров работы системы передачи. Устранить причину деградации качества можно путем снижения уровня сигнала на входе соответствующего усилителя для обеспечения его работы в линейном режиме. Таким образом, для диагностики и настройки отдельных усилительных элементов радиочастотного тракта описанных измерений вполне достаточно.

Качественный контроль АЧХ и ФЧХ усилителей и фильтров можно провести с помощью глазковой диаграммы. Плохая фильтрация сигналов может приводить к нарушениям в форме сигналов и повышению уровня межсимвольной интерференции в канале и, как следствие, увеличению параметра ошибки цифровой системы передачи. Наилучшую оценку эффектов, связанных с нарушением работы фильтров, дает глазковая диаграмма. Плохая фильтрация сигнала приводит к тому, что сигналы, представленные на глазковой диаграмме становятся искаженными по форме, "глаз" глазковой диаграммы теряет форму и размывается. Эта нестабильность глазковой диаграммы имеет место только при неправильной работе фильтров (соответственно неправильной АЧХ и ФЧХ усилителей), поэтому использование этих диаграмм дает исключительно эффективные результаты при локализации неисправностей в фильтрах радиочастотного тракта. На диаграмму состояний эффекты, связанные с нарушением АЧХ и ФЧХ элементов тракта, влияния практически не оказывают.

Особенностью современных радиочастотных систем передачи является повышение требований к точности параметров их работы, в том числе и к параметру шумов. Высокий уровень шумов приводит к межсимвольной интерференции и увеличивает параметр ошибки. На диаграммах состояния и глазковой диаграмме это выражается в увеличении размера точек отображения состояния и эффекта "закрывания глаз".

Рис.3.8. Высокий уровень шумов на диаграмме состояний и на глазковой диаграмме

Существенно, что влияние шумов не вносит эффекта геометрической трансформации диаграмм. Диаграммы, соответствующие отношению сигнал/шум в 15 дБ, представлены на рис. 3.8. Можно провести сравнение этих диаграмм с диаграммами рис. 3.3, поскольку они относятся к одной и той же системе передачи.

Измерение шумов различных устройств в составе радиочастотного тракта выполняется на этапе эксплуатации для локализации точки повышенного уровня шумов. Учитывая, что собственные шумы различных устройств радиочастотного тракта малы, для измерения используют дифференциальные методы. Для этого в тестируемый сигнал подмешивают интерферирующий одночастотный сигнал и затем производят измерения шумов по разности интерферирующего сигнала и шума. Этот метод получил большое распространение при измерении шумов малой мощности.

Рис. 3.9. Измерение шумов на фоне интерферирующего одночастотного сигнала

Соответствующая диаграмма состояний и глазковая диаграмма для модуляции 16 QAM с отношением сигнал/интерференция C/I=15 дБ представлены на рис. 3.9.

Следует отметить, что измерения фазовых шумов методами глазковой диаграммы и диаграммы состояний выполнить практически невозможно. Низкий уровень фазовых шумов компонентов радиочастотного тракта, а также необходимость точного измерения фазовых характеристик тестируемого устройства привели к необходимости выделить методики измерений фазовых шумов в отдельный класс измерительных технологий.

Как уже отмечалось в начале этого раздела количественные измерения параметров усилителей и фильтров требуют привлечения специализированных приборов.

Измерения АЧХ и ФЧХ линейных цепей проводится по простой схеме, представленной на рис.3.10.

		Опорный сигнала

Рис.3.10. Схема измерения параметров усилителей и фильтров

Генератор тестового сигнала вырабатывает гармонический сигнал, медленно перестраиваемый по частоте. В анализаторе происходит измерение амплитуды выходного сигнала и нормирование ее на амплитуду опорного сигнала. При перестройке по всему частотному диапазону получается АЧХ устройства. В качестве ФЧХ отображается сигнал с выхода фазового детектора анализатора.

Измерения нелинейных свойств усилителей (и активных фильтров) проводятся по той же схеме. Для получения амплитудной характеристики усилителя на заданной частоте входной сигнал медленно перестраивается по амплитуде. Для получения коэффициента нелинейных искажений измеряется амплитуда сигнала с выхода синхронного детектора анализатора, для которого в качестве опорного сигнала последовательно используются высшие гармоники опорного сигнала.

При измерении уровня собственных шумов усилителя к его входу подключается согласованная нагрузка, а на выходе измеряется средняя мощность выходного сигнала в виде стационарного гауссова шума. Можно показать, что несмещенной и асимптотически эффективной оценкой дисперсии (средней мощности в условных единицах) такого процесса является величина

где R(t,u) – автокорреляционная функция шумового процесса. Для белого шума, очевидно,

Из этого выражения следует оптимальная схема измерителя средней мощности шума (рис.3.11.)

Рис.3.11. Схема измерителя средней мощности шума

Для измерения фазовых шумов такая схема должна быть подключена к выходу фазового детектора, опорным сигналом которого будет входной сигнал усилителя, поступающий от высокостабильного источника тестового сигнала.

Следует отметить, что фазовые шумы активных элементов радиотракта, (кроме низкочастотного фликкер - шума) являются следствием действия в устройстве аддитивного эквивалентного тепловому шума. При этом дисперсия (средняя мощность) амплитудного и фазового шумов связана простым соотношением и необходимость в специальных измерениях фазового шума может возникнуть только при исследовании его спектра, т. е. обнаружения частотных диапазонов с аномально высокими фазовыми шумами.

Измерения частотного распределения шумов – спектральной плотности мощности шумового процесса – является весьма актуальной задачей. Обычно при ее решении используют узкополосную фильтрацию или спектральную плотность мощности шумового процесса вычисляют как фурье - преобразование от автокорреляционной функции шума.

Оптимальной оценкой автокорреляционной функции является величина

Измерители автокорреляционных функций случайных процессов строятся по различным принципам: умножения, суммирования и возведения в квадрат, разложения в ряд по ортогональному базису, знаковой корреляции и т.д. На рис. 7. 16. представлена схема измерений по принципу умножения.