Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Лабораторная работа №3
По дисциплине:
«Микроволновые системы телекоммуникаций»
«Ознакомление с современными анализаторами спектра»
Выполнил: студент гр. №7062
Астанков С. А.
Преподаватель: Тупицын А.Д.
Санкт-Петербург
2013 г.
Цель работы: ознакомление с анализаторами спектра и методикам измерения.
В диапазоне СВЧ наблюдение формы сигнала (зависимости его во времени) не позволяет получить полную информацию о нем. Так, осциллограмма радиосигнала с частотной модуляцией практически мало отличим от синусоидального сигнала, наличие в составе сигнала дополнительных гармонических составляющих маскируется большой величиной гармоники несущей частоты и пр. Анализ спектральных характеристик радиосигналов в диапазоне СВЧ более информативен и позволяет измерить его мощность, частоту, коэффициент модуляции и пр. Практически анализатор спектра в СВЧ диапазоне является таким же универсальным прибором для исследования радиосигналов, каким на низких частотах является осциллограф.
Напомним спектральные характеристики радиосигнала. Для сигнала u (t) вводят спектральную функцию (или спектральную плотность), определяемую прямым преобразованием Фурье.
Эта функция комплексная, имеет размерность В/Гц и представляет распределение амплитуд и фаз гармонических составляющих по частотной оси. Спектральная функция существует при абсолютной интегрируемости функции сигнала. Для реальных сигналов это условие обычно всегда выполняется.
Спектральная функция - это функционал уже закончившегося процесса (интеграл берется до "бесконечного" времени). В реальных условиях измерять можно только текущий частотный спектр
характеризующий незаконченный процесс. Чаще измеряют модуль этого выражения - его называют амплитудной спектральной функцией или амплитудным спектром сигнала. Фазу измерить сложнее, поэтому в стандартных измерительных задачах этого не делают.
Для периодических бесконечных сигналов спектральная функция представляет собой последовательность дельта-функций, смещенных друг относительно друга на частоту повторения сигнала. Для этого случая используют спектральное представление в виде ряда Фурье
где T - период повторения сигнала (u (t ± kT) = u (t), k = 0,1,2,3).
Ряд Фурье представляет собой совокупность гармонических колебаний с кратными частотами. Составляющая с нулевой частотой U0 является постоянной составляющей сигнала. Последовательности амплитуд Un и начальных фаз φn гармоник представляют собой амплитудный и фазовый спектры периодических сигналов.
Особый класс сигналов, который исследуется в спектральном представлении - это шумовые и случайные сигналы. Важной характеристикой шумового сигнала является его спектральная плотность мощности:
Здесь S (w,T) - спектральная плотность реализации случайного процесса на интервале [-T/2,T/2]. Размерность спектральной плотности мощности [В2·с] совпадает с размерностью энергии сигнала, поэтому иногда говорят об энергетическом спектре случайного сигнала. Фактически это характеристика распределения мощности случайного сигнала по частоте.
Сформулируем измерительные задачи спектрального анализа сигналов СВЧ. Это определение амплитуд и частот гармонических составляющих периодических сигналов, измерение амплитудной спектральной функции непериодических сигналов и спектральной плотности мощности случайных сигналов.
Стандартные анализаторы спектра СВЧ диапазона строятся преимущественно по принципу последовательного анализа. Спектральные составляющие выделяют узкополосным фильтром. Фактически такой прибор является узкополосным селективным вольтметром с супергетеродинным принципом перестройки по частоте. Используют электронную перестройку частоты и панорамный принцип индикации результата. На выходе фильтра ставят измеритель уровня (квадратичный детектор). Результат измерения подают на отсчетное устройство - осциллографический индикатор.
Структурная схема прибора с последовательным методом анализа представлена на рисунке 8.
Рисунок.8 - Структурная схема анализатора спектра последовательного типа.
Она напоминает схему измерителя АЧХ (анализатора цепей СВЧ). Управление перестройкой частоты гетеродина производится генератором пилообразного напряжения uупр (t). Он задает время анализа Ta, то есть время, за которое анализатор сканирует заданный диапазон частот спектра (полосу анализа Δfа). Этим же напряжением производят горизонтальное отклонение луча осциллографического индикатора. Гетеродин является генератором качающейся частоты (ГКЧ) с постоянной амплитудой и меняющейся по линейному закону частотой
Сигнал с ГКЧ поступает на смеситель. Предположим, что на вход анализатора подан синусоидальный сигнал с частотой fс. Тогда на выходе смесителя возникают колебания с комбинационными частотами, в том числе с разностной частотой fс - fг (t). Сигнал с разностной (и меняющейся во времени) частотой подают на вход узкополосного УПЧ, который и производит процедуру частотного анализа спектра. Закон изменения частоты от времени показан на графике, где для наглядности ось времени повернута вниз.
Рисунок 9 - Принцип действия последовательного анализатора спектра.
В момент t0, когда выполняется c г ПЧ f - f (t) = f 0, на выходе УПЧ появляется радиоимпульс. Его огибающая повторяет форму АЧХ фильтра УПЧ. Детектор выделяет напряжение (видеоимпульс), повторяющее его огибающую. Этот сигнал поступает на осциллографический индикатор. При наличии в составе спектра сигнала нескольких гармоник, процесс формирования видеоимпульса происходит аналогично, но в разные моменты времени. Совокупность откликов спектроанализатора на каждую гармоническую составляющую входного сигнала называют спектрограммой. Величины откликов пропорциональны амплитудам входных гармоник, расположение откликов на оси Х соответствует частотам гармонических составляющих входного сигнала.
Полученная спектрограмма напоминает часто используемое графическое изображение амплитудного спектра периодического сигнала в виде вертикальных линий, длина которых равна амплитуде соответствующих гармонических составляющих сигнала.
При широкой полосе анализа и узкой полосе пропускания требуемое время анализа может достигать десятков секунд. Поэтому в анализаторах спектра применяют запоминающие осциллографические трубки. Полоса пропускания УПЧ делается регулируемой, что позволяет подобрать оптимальное соотношение между временем анализа и формой отклика спектроанализатора.
Одно из условий неискаженной спектрограммы - неизменность спектра сигнала за время анализа. Иными словами, в процессе сканирования спектр сигнала не должен меняться - это соответствует условию, когда период сигнала T<<Tа. В каждой частотной точке сигнал должен рассматриваться как периодический. В противном случае возникают искажения спектрограммы.
Искажают спектрограмму и помехи, которые попадают на выход анализатора по зеркальному каналу. Напомним, что для супергетеродинного способа преобразования частоты характерно наличие паразитного зеркального канала прохождения сигнала. Кроме полезного сигнала с разностной частотой fс - fг (t) = fУПЧ, в полосу пропускания УПЧ попадает сигнал с частотой, ниже частоты гетеродина на значение промежуточной частоты fг (t) - fс = fУПЧ. Этот канал называют "зеркальным"; гармоника, попадающая на эту частоту, будет преобразована и создаст паразитный отклик, накладывающийся на полезный. Возникнет искажение спектрограммы. Для исключения паразитных сигналов необходимо осуществлять фильтрацию сигнала на входе анализатора.
Результаты и обработка измерений.
|
Частота, ГГц |
Амплитуда, мВ |
|
|
Сигнал, с |
9,37 |
0,3 |
|
Гетеродин, |
9,17 |
0,8 |
Значения рассчитаны и измеренных комбинационных частот
|
9,17 |
9,17 |
9,17 |
9,17 |
9,17 |
9,17 |
9,17 |
9,17 |
||
|
-4 |
-3 |
-2 |
-1 |
1 |
2 |
3 |
4 |
||
|
9,37 |
-4 |
-74,16 |
-64,99 |
-55,82 |
-46,65 |
-28,31 |
-19,14 |
-9,97 |
-0,8 |
|
9,37 |
-3 |
-64,79 |
-55,62 |
-46,45 |
-37,28 |
-18,94 |
-9,77 |
-0,6 |
8,57 |
|
9,37 |
-2 |
-55,42 |
-46,25 |
-37,08 |
-27,91 |
-9,57 |
-0,4 |
8,77 |
17,94 |
|
9,37 |
-1 |
-46,05 |
-36,88 |
-27,71 |
-18,54 |
-0,2 |
8,97 |
18,14 |
27,31 |
|
9,37 |
1 |
-27,31 |
-18,14 |
-8,97 |
0,2 |
18,54 |
27,71 |
36,88 |
46,05 |
|
9,37 |
2 |
-17,94 |
-8,77 |
0,4 |
9,57 |
27,91 |
37,08 |
46,25 |
55,42 |
|
9,37 |
3 |
-8,57 |
0,6 |
9,77 |
18,94 |
37,28 |
46,45 |
55,62 |
64,79 |
|
9,37 |
4 |
0,8 |
9,97 |
19,14 |
28,31 |
46,65 |
55,82 |
64,99 |
74,16 |
, где и – целые числа
|
n |
m |
Fпч расч, ГГц |
Fпч измер, ГГц |
U, мкВ |
|
4 |
4 |
0,8 |
7,23 |
0,45 |
|
3 |
3 |
0,6 |
8,06 |
2,25 |
|
2 |
2 |
0,4 |
8,34 |
0,5 |
|
1 |
1 |
0,2 |
8,89 |
0,6 |
Частота спектра генератора сигнала
|
7,23 |
8,06 |
8,34 |
8,89 |
9,17 |
9,6 |
10,92 |
12,02 |
Потери преобразователя рассчитываются по формуле:
,δБ
Здесь – мощность преобразованного сигнала (на промежуточной частоте).
Pc – мощность сигнала.
Формула, расчеты мощности:
Z=50 Ом –волновое сопротивление.
|
Fпч измер, ГГц |
U, мкВ |
P, Вт |
L, дБ |
|
7,23 |
0,45 |
82,2 |
|
|
8,06 |
2,25 |
72,0 |
|
|
8,34 |
0,5 |
82,2 |
|
|
8,89 |
0,6 |
44,3 |
Вывод.
В ходе проведения данной лабораторной работы, мы познакомились с особенностями работы смесителя микроволнового диапазона, а также исследовали некоторые из его характеристик.
В начале работы мы определили параметры сигнала и гетеродина (частота, амплитуда). Частота гетеродина и сигнала оказались похожими. Далее нами были рассчитаны значения комбинационный частот (в диапазоне от 0 до 2 ГГц). После этого были найдены реальные значения комбинационных частот и их амплитуды.
10
5.063
´
´
4
2.025
10
15
-
´
-
-
15
10
2.5
´
-
15
10
3.6