Széchenyi István Egyetem Távközlési Tanszék Mérési útmutató Rádiórendszerek tárgy laboratóriumi gyakorlatához Rádiófrekvenciás sáverősítők intermodulációs torzításának vizsgálata Készítette: Mórocz Tamás Győr, 2011. február 7.
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
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) 3 +...+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/. - 1 -
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 -
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. - 3 -
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 -
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 -
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. - 6 -
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) 3 +... + 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. - 7 -
-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 -
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 -
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. - 10 -
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. - 11 -
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. - 12 -
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? - 13 -