Mérési útmutató. Széchenyi István Egyetem Távközlési Tanszék. Rádiófrekvenciás sáverősítők. intermodulációs torzításának vizsgálata

Átírás

1 Széchenyi István Egyetem Távközlési Tanszék Mérési útmutató Rádiórendszerek tárgy laboratóriumi gyakorlatához Rádiófrekvenciás sáverősítők intermodulációs torzításának vizsgálata Készítette: Mórocz Tamás Győr, február 7.

2 Rádiófrekvenciás sáverősítők intermodulációs torzításának vizsgálata A laborgyakorlat célja az intermodulációs torzítás vizsgálata. A vizsgálatok során a hallgató megismerkedhet a koaxiális szűrő beiktatási csillapításának pontonkénti mérésével, a nemlineáris erősítő átviteli tulajdonságaival, intermodulációs torzítás jelenségével, és mérésének menetével. Megismerheti a spektrumanalizátor és szignálgenerátor használatát. Szükséges eszközök: HP 8591E spektrumanalizátor (Spectrum Analyzer) HP 85630A skalár átvitel/reflexió mérő kiegészítő (Scalar Transmission/Reflection Test Set) HP 8647A szignál generátor (Signal Generator) Személyi számítógép D.C. feszültség generátor (Triple Power Supply) Nemlineáris erősítő Összeadó egység Sáváteresztő szűrő 10dB csillapító

3 Elméleti összefoglaló Egy aktív elemeket tartalmazó hálózat átviteli függvénye mindig leírható hatványpolinommal. A hálózat modellje az 1. ábrán látható: u be (t) u ki (t) uki(t)=a 0 +a 1 u be (t)+a 2 u be (t) 2 +a 3 u be (t) a n u be (t) n a 0,a 1,a 2,...a n 1. ábra A csatornát lineárisnak nevezzük, ha az átviteli függvényének együtthatói rendre egyenlők zérussal, kivéve az elsőfokú tagot, vagyis: a 0, a 2, a 3,... a n 0, de a 1 0 A csatorna nemlineáris, ha az átviteli karakterisztikát leíró hatványpolinom a 1 -től különböző együtthatói, vagy azok valamelyike nem egyenlő zérussal: a 0, a 2, a 3,... a n 0 Jellegzetes nemlineáris átviteli karakterisztika a másodfokú karakterisztika, amikor az átviteli karakterisztikát leíró hatványpolinom másodfokú tagjának együtthatója különbözik csak a nullától: a 2 0, de a 0, a 1, a 3,... a n 0 Vizsgáljuk meg mi történik,ha a nemlineáris átviteli csatornára egy szinuszos jelet kapcsolunk. Legyen például a csatornánk tisztán másodfokú /a 2 0/és legyen a bemenő jel: A kimeneti jel: u be (t) = u 1 cos ωt a 2 0, a 1 =0, u 1 =1 u ki (t) = a 2 u be (t) 2 = a 2 (u 1 cos ωt) 2 =...= 1/2+1/2(cos 2ωt) Látható, hogy a csatorna nemlinearitása miatt a kimeneten a bemenő jel frekvenciájától eltérő frekvenciájú összetevők is megjelentek. Az új összetevőket harmónikus összetevőknek nevezzük, magát a jelenséget pedig harmónikus torzításnak. A nemlinearitás következménye tehát, ha csak egyetlen szinuszos vizsgálójelet használunk: a harmónikus torzítás /a kimeneten megjelennek a bemenő jel harmónikusai is a bemenő jel mellett/

4 1. A nemlineáris erősítő 1dB-s kompressziós pontjának meghatározása: Az 1 db-es kompressziós pont a nemlineáris erősítő kivezérlési tartományának felső határát jelenti. Az ehhez a ponthoz tartozó kimenő teljesítményt másképpen az erősítő maximálisan megengedett kimenőszintjének nevezzük (P kinévl ). Ehhez a kimenő szinthez tartozó bemenő szint: P be.komp. Az erősítő jelfeldolgozó képessége ugyanis véges, így a bemenő szint növelésével elérünk egy olyan határt, amely után a bemenő szint növekedését már nem követi arányosan a kimenő szint (a karakterisztika kezd telítési jelleget mutatni) és teljesítményvonalak elgörbülnek. Ideális esetben a bemeneti jel 1dB-es változása esetén a kimeneti szint is 1dB-lel változik. Ez viszont csak az erősítő lineáris tartományában érvényes. Az 1dB-es kompressziós pont azt a bemenő szintet jelenti, amikor ettől a lineáris egyenestől a mért teljesítményünk 1dB-lel tér el. 2.ábra: kompressziós pont - 2 -

5 Mérési összeállítás: Mérés menete: o Szignál generátor, továbbiakban RFG, RF OFF o Spektrumanalizátor, továbbiakban SPA, PRESET o SPA, MODE, Spectrum analyser o RFG, Frequency 450 MHz o RFG, Amplitude -30 db(m) o SPA, Frequency, Center freq, 450 MHz o SPA, Span, 50 MHz o DC Tápegység, 12V beállítása, AC és DC: ON o RFG. RF ON o SPA, PeakSearch o RFG, Amplitúdót 1dB-es lépésekkel növelni o Eredmények táblázatban történő rögzítése o RFG, RF OFF A továbbiakban a mért P be.komp -hoz képest 10dB-lel kisebb bemeneti szintről folytassuk a mérést

6 2. Koaxiális szűrő beiktatási csillapításának mérése pontonkénti méréssel A spektrumanalizátor kétféle üzemmóddal rendelkezik. Az alap funkciója a spektrumanalízis, emellett a szükséges kiegészítőkkel skalár analizátorként is funkcionál. Ezek a kiegészítők egy beépített tracking generátor, illetve egy külső mérő iránycsatoló és kapcsoló (Transmission and reflexion test set). Mérési összeállítás: 3. Mérési elrendezés - 4 -

7 Mérés menete: mérőkábelek csatlakoztatása a műszerekhez 0 db csillapítású átmenet csatlakoztatása a mérőkábelekhez kalibrációs mérés szűrő csatlakoztatása a mérőkábelekhez szűrő mérés erősítő csatlakoztatása a mérőkábelekhez erősítő mérés erősítő és szűrő csatlakoztatása a mérőkábelekhez erősítő és szűrő mérés Műszerek beállítása, mérés folyamata: Általános beállítások, 0 db csillapítású átmenet csatlakoztatva o SPA, MODE, Spectrum analyser o SPA, FREQUENCY, Start, 425 MHz o SPA, FREQUENCY, Stop, 475 MHz o RFG, AMPLITUDE, P be.komp -10 db o RFG, FREQUENCY, 426 MHz o RFG, RF ON o Mérőjel meglétének ellenőrzése a spektrumanalizátoron Referencia beállítási mérés o RFG, FREQUENCY, f MHz (f frekvencia a táblázatból) o SPA, PeakSearch o SPA, Marker frekvencia értékének ellenőrzése, amplitúdó értékének rögzítése a táblázatba (P d0 ) - 5 -

8 Mérés, szűrő csatlakoztatva o RFG, FREQUENCY, f MHz (f frekvencia a táblázatból) o SPA, PeakSearch o SPA, Marker frekvencia értékének ellenőrzése, amplitúdó értékének rögzítése a táblázatba (P d.sz ) Ezután a szűrő helyett az erősítőt csatlakozatva, majd az erősítőt és szűrőt egyszerre csatlakoztatva végezze el ugyan ezt a mérést. (P d.e ), (P d.sz+e ) Mérés befejezése o RFG, RF OFF o RFG, kikapcsolása Mérendő paraméterek Mért teljesítmény szintek rögzítése a spektrumanalizátorról a frekvencia függvényében, miközben a generátor kimenő szintjét nem változtatjuk. A mért értékeket ábrázolja Excelben majd a táblázatot és a grafikont illessze be a jegyzőkönyvbe

9 3. Intermodulációs torzítás 2 jeles vizsgálata Elméleti összefoglaló: Az átviteli rendszereink általában nem egyetlen szinuszos jellel működnek. Nézzük a legegyszerűbb példát egy alapsávi hangfrekvenciás jel átvitelére szolgáló csatornát. A hangfrekvenciás jel a FOURIER transzformáció segítségével szinuszos összetevőkre bontható, így a csatorna bemenetére több szinuszos jel kerül egyszerre. Hasonló a helyzet egy RF csatornában is amelyen egy egyetlen szinuszos jellel modulált AMDSB jelet kívánunk átvinni: a jel spektruma három szinuszos összetevőt tartalmaz. Bármilyen információt viszünk is át bármilyen modulációval az átviteli csatorna bemenetére több szinuszos jel kerül egyszerre. Vizsgáljuk meg ennek a legegyszerűbb formáját: adjunk a bemenetre két szinuszos ω 1 és ω 2 körfrekvenciájú jelet a 4. ábrán bemutatott módon: u be (t) = u 1 (t) + u 2 (t) = u 1 cos ω 1 t + u 2 cos ω 2 t A kimeneti jelet a korábban már bemutatott módon határozzuk meg: u ki (t) = a 0 +a 1 (u 1 cos ω 1 t + u 2 cos ω 2 t)+a 2 (u 1 cos ω 1 t + u 2 cos ω 2 t) 2 + a 3 (u 1 cos ω 1 t + u 2 cos ω 2 t) a n (u 1 cos ω 1 t + u 2 cos ω 2 t) n 4. ábra Ha elvégezzük a kijelölt műveleteket és a kapott kimeneti jelösszetevőket ábrázoljuk a frekvenciatengelyen - lásd a 5. ábrát- a következő általános megállapitásokat tehetjük: A kimeneti jel spektrumában a másodrendű komponensek az addíciós tétel szerint alakulnak: (sin(ω 1 t)+sin(ω 2 t)) 2 =sin 2 (ω 1 t)+2sin(ω 1 t)*sin(ω 2 t)+sin 2 (ω 2 t) sin 2 (ω 1 t)= ½*(1-cos(2ω 1 t)) sin(ω 1 t)*sin(ω 2 t)= ½*(cos(ω 1 t-ω 2 t)-cos(ω 1 t+ω 2 t)) -A harmad-, negyed-, ötöd-, stb. rendű komponensek megléte a sin(ω 1 t)+sin(ω 2 t) harmadik, negyedik, stb. hatványaira alkalmazott addíciós tétellel beláthatóak

10 -A nemlineáris karakterisztikának általános esetben páros és páratlan rendű összetevői vannak, nevezetesen 0-adrendű, elsőrendű, másodrendű, stb. A nulladrendű kombinációs termék az egyenösszetevő, az elsőrendű kombinációs termék maga a kimenő hasznos jel, a másod-, illetve magasabb rendű kombinációs termékek pedig az intermodulációs torzitási termékek. -A nemlineáris átvitelű hálózatban olyan rendű kombinációs termékek keletkeznek, mint amilyen rendű maga a karakterisztika. -A kombinációs termékeknek a karakterisztika rendűségének analógiájára különböző rendszámuk lehet. Igy beszélhetünk pld. másodrendű, harmadrendű, stb. termékekről. A rendszám a kombinációs termékek frekvenciájára utal. -Az alapharmónikus környezetében csakis páratlan rendű kombinációs termékek találhatók. Általánosabban a páratlan rendű harmónikusok környezetében csak páratlan,a páros rendű harmónikusok környezetében pedig csak páros rendű kombinációs termékek fordulnak elő./ Ennek a megállapitásnak azért van jelentősége mert a keskenysávú rendszereknél csakis a páratlan rendű összetevők kerülnek be az átviteli sávba és okoznak nemlineáris torzitást. A páros rendű kombinációs termékek az átviteli sávon kivülre esnek./ -Általános esetben a páros és páratlan rendű összetevők nem csak egy határolt környezetben helyezkednek el, hanem végig az egész frekvenciatengelyen, az egyes harmónikus környezetből kiindulva növekvő rendszámmal követik egymást. -Az alacsonyabb rendű kombinációs termékek amplitúdója nagyobb, mig a rendszám növekedésével az amplitúdó csökken. -A szomszédos összetevők a két bemenő jel frekvenciájának különbségével megegyező frekvencia távolságban helyezkednek el egymástól a frekvencitengelyen. Intermodulációs kombinációs termékek 2 szinuszos bemenő jel esetén: 5.ábra - 8 -

11 A vizsgálati módszerünk kétjeles intermodulációs torzitásvizsgálat. A mérés során az erősitő bemenetére két azonos amplitúdójú, de eltérő frekvenciájú szinuszos mérőjelet vezetünk. A mérőjel összeállitása megegyezik az AMDSB/SC elnevezésű információs jellel. A mérőjelek frekvenciáját úgy választjuk meg, hogy még az ötödrendű intermodulációs kombinációs termékek is a szűrő átviteli sávjába essenek, lásd 6/A és 6/B ábrákat. Szűrő átviteli karakterisztikája 2 bemeneti jel spektruma kombinációs termékek a szűrő után 6/A ábra 6/B Ábra - 9 -

12 A szűrőt az erősítő után kössük be, mert kombinációs termékek csak az erősítő kimenetén jelennek meg. A bemenő jelek: u 1 (t)=(u 0 /2)cosω 1 t, u 2 (t)=(u 0 /2)cosω 2 t ube(t)= u 1 (t)+ u 2 (t)=...=uamdsb/sc(t)=u 0 [ cos(ω v -ω m )t+ cos(ω v +ω m )t ] ahol: ω v =(ω 1 +ω 2 )/2 ω m =(ω 2 -ω 1 )/2 Az intermodulációs torzítási tényező Definíció: Az intermodulációs torzítási tényező az az arányszám, amely megmutatja, hogy az 1dB-es kompressziós pontnál -mint referenciapontnál - hányszor kisebb a különböző rendű torzítási termékek teljesítményszintje a mérőjel kimeneti alapharmónikusainak teljesítményszintjénél. Az 7. ábrán felrajzoltuk a különböző rendszámú torzítási termékek teljesítményvonalait a bemenő jel teljesítményének függvényében. Ezek a vonalak egyenesek, ha mindkét tengelyen logaritmikus léptékben dolgozunk. Az egyes teljesítményvonalak különböző meredekségűek, a meredekség a rendszám növekedésével nő. A változó meredekségből következik, hogy a teljesítményvonalak egyenesei valahol metszik egymást. Az alapharmónikus és az egyes torzítási termékek teljesítményvonalainak metszéspontjait intermodulációs keresztezési pontnak nevezzük. A karakterisztikából jól látható, hogy a szint növelésével a torzítási termékek teljesítményének aránya az alapharmónikushoz viszonyítva növekszik. Ez a gyakorlatban egy igen fontos megállapítás: a szint növelésével az intermodulációs torzítás is nő. Pontosabban fogalmazva nem a torzítás, hanem a torzítási termékek aránya növekszik a bemenő szint növelésével. A keresztezési pontban elvileg az alapharmónikus és a torzítási termékek teljesítménye megegyezik

13 A kimeneti alapharmónikus teljesítménye a Pki1 és Pki2 alapharmónikus jelösszetevők teljesítménye. A torzítási termékek teljesítménye is az azonos rendszámú összetevők teljesítményének az összege. Amennyiben a bemenő jelek amplitúdója azonos, továbbá a vizsgált hálózat átviteli karakterisztikája a vizsgálójelek frekvenciájának számtani közepére szimmetrikus, a mérés során elegendő az egyik oldali összetevőket mérni. Mivel a rendelkezésre álló szűrő átviteli karakterisztikája nem szimmetrikus, ezért mindkét oldali termékeket mérje le

14 MÉRÉSI FELADATOK: Határozza meg az erősítő harmad- és ötödrendű intermodulációs torzítását kétjeles vizsgálati módszerrel a teljesítménygörbék felvételével, és az erősítő névleges kimenő szintjét (névleges terhelhetőségét). A mérés blokkvázlata a 8. ábra szerinti: Mérés menete: 8.ábra A mérés bemenő adatainak meghatározásához szükség van az előző pontban elvégzett mérés adataira. Határozza meg a két mérőjel frekvenciáját úgy, hogy azok az erősítő átviteli sávközépi frekvenciájára szimmetrikusan helyezkedjenek el, továbbá a 3-ad és 5-öd rendű intermodulációs kombinációs termékek az átviteli sávon belül legyenek. A bemenő, kimenő teljesítménydiagram felrajzolásához a tényleges bemenő, kimenő teljesítményeket kell figyelembe vennie. A bemenő jelek generátoron elvégzett szintezését követően az erősítő kivezérlését azonos mértékben a jelgenerátor AMPLITUDE egységén belüli tekerővel szabályozza! A spektrumanalizátor használatakor ügyeljen arra, nehogy túlvezérelje azt, mert a túlvezérlésnek két következménye lehet. Egyrészt maga a túlvezérelt analizátor fogja előállítani az intermodulációs kombinációs termékeket és ezzel meghamisítja a mérési eredményeket, másrészt az analizátor bemenete túlterhelődik és tönkremegy. A túlvezérlés elkerülésére használja az analizátor fix értékű előtét csillapítóit (legalább 10 db!) a mérés folyamán

15 Mérendő adatok: A jelgenerátorok kimenetét állítsa be -30dBm-re, majd ezután mindkét generátoron 1dBenként növelje -10dBm-ig a bemeneti jelszintet. o A spektrumanalizátor PeakSearch gomb NEXT PK RIGHT/ LEFT funkcióját használva határozza meg a bemenő jelszint függvényében az erősítő kimenetén lévő kombinációs összetevők szintjeit. Az eredményeket először táblázatban ábrázolja, majd a 7.ábra szerint készítsen hozzá grafikont. o Meghatározandó az erősítő névleges kimenő szintje (1dB-es kompressziós pontnál a kimenő jelszint). o A teljesítménydiagramból meghatározandó az erősítő 3-ad és 5-öd rendű intermodulációs torzítása a névleges (megengedett) kimenő jelszintnél, illetve a névleges kimenő szintnél 6dB-lel kisebb kivezérlésnél. ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK: o Mikor nevezünk lineárisnak egy aktív elemeket tartalmazó átviteli közeget? o Mit nevezünk 1dB-es kompressziós pontnak? o Mivel magyarázható, hogy a kimeneti jel spektrumában a bemeneti jel frekvenciájától eltérő komponensek is megjelennek? o Mit nevezünk intermodulációs torzításnak? o Mit nevezünk intermodulációs keresztezési pontnak? (IIP3, IIP5 ) o Mért nem lesznek szimmetrikusak az első-, harmad- rendű komponensek a spektrumképben? o Hogy állítaná össze az intermodulációs torzítás mérését? Miért?