В чем измеряется динамический диапазон усилителя

Что такое динамический диапазон и какие бывают его виды?

В широком понимании радиотехнической мысли динамический диапазон – это характеристика устройства, выполняющего функцию передачи или преобразованию сигнала, представляющая собой отношение максимального и минимального возможных величин входного сигнала и выраженное в децибельной (логарифмической) единице измерения.

Другими словами – динамический диапазон определяет способность устройства: с одной стороны видеть на выходе обработанный слабый (наименьший) входной сигнал, с другой – обрабатывать сигналы большого уровня с заданным уровнем искажений на выходе.

Нижнюю границу входного сигнала, как правило, определяет чувствительность устройства (не путать с чувствительностью усилителя, при которой достигается номинальная мощность), которая указывает на способность объекта реагировать определённым образом на определённое малое воздействие.
Верхнюю – параметр, называемый точкой децибельной компрессии и равный такой мощности сигнала на входе, при котором отличие изменения уровня мощности на выходе от асимптотической линейной характеристики составляет величину – 1 dB.

А поскольку в последнюю фразу без пол-литра не въедешь, приведу рисунок.

На Рис.1 красным цветом изображена идеальная линейная (асимптотическая) кривая.
Синим – реальная выходная характеристика нашего устройства.
В качестве входных и выходных значений – величины мощностей, соответственно, на входе и выходе.

Пока обе линии располагаются в непосредственной близости друг от друга – всё хорошо, устройство находится в линейном режиме. Как только расхождение выходного параметра от идеальной кривой достигает 1дБ (в нашем случае соответствует уровню входного сигнала -10дБ) – всё расчёт окончен, точка децибельной компрессии найдена.

Формула, описывающая односигнальный динамический диапазон устройства, предельно проста:
D = P_1дб — P_{вх мин} (дб) , где P_1дб – точка децибельной компрессии, P_{вх мин} – чувствительность устройства, выраженная в дБ.
Т.е. в случае, приведённом на графике: D = -10_дб — (-120_дб) = 110дБ .

Наблюдая показания приборов при нахождении точки компрессии, не всегда удобно оперировать понятиями мощности сигнала, да переводить всё это хозяйство в децибелы – тоже. Поэтому для упрощения задачи напишу – отклонение уровня на 1дБ – это в 1,12 раз по напряжению и в 1,26 раз по мощности.

Ну и, конечно же, приведём формулу для определения динамического диапазона при подстановке абсолютных значений сигналов:

И ещё раз:
U_{вх макс} и Р_{вх макс} – это входные значения, соответствующие точке децибельной компрессии,
U_{вх мин} и Р_{вх мин} – напряжение, либо мощность, соответствующие чувствительности агрегата.

А чувствительность агрегата в нашем случае огранена: либо его коэффициентом усиления, либо собственными внутренними шумами, либо и тем и другим одновременно. В целом она равна мощности самого слабого входного сигнала, который, будучи преобразован нашим устройством, выдаёт на-гора выходной уровень, считающийся достаточным для его нормальной фиксации.
А конкретно – этот выходной уровень мы должны распознать на каком-то фиксирующем приборе, либо услышать-увидеть-почувствовать и при этом, он должен быть выше значения собственных шумов нашего девайса.
Насколько выше? Обычно это указывается вместе с показателем чувствительности.
К примеру, чувствительность 10мкВ при соотношении сигнал/шум = 12дБ, означает, что подав на вход сигнал амплитудой 10мкВ, мы на выходе увидим некий отклик, который на 12дБ (т.е. в 3,98 раз по напряжению и 15,85 раз по мощности) будет превышать уровень собственных внутренних шумов нашего устройства.

Описанная динамическая характеристика устройства в первую очередь характеризует его односигнальный динамический диапазон, который определяется методом подачи на вход изучаемого объекта сигнала одной частоты. Иногда этот параметр в радиотехнике именуется динамическим диапазоном по блокированию и обозначается DD1 или DB1.

Теперь давайте подумаем, что случится, если вдруг подать на вход нашего линейного устройства сигналы двух различных частот. А что случится?
При определённом уровне их амплитуд наше устройство выйдет из линейного режима и сигналы начнут взаимодействовать между собой таким образом, что на выходе вместо двух исходных частот появится сложный сигнал с комбинациями частот (гармоник), зависящих от частоты «родительских» сигналов f1 и f2 согласно следующей формуле:
f_гарм = n × f1 ± m × f2 , где n и m – это целочисленные коэффициенты, принимающие значения от единицы до неких величин, определяемых частотными свойствами применяемых элементов.

В высокочастотной электронике это свойство может быть использовано для преобразования частот в устройствах, называемых «смеситель».

Однако в линейных схемах – это явление крайне нежелательно, потому как является основной причиной возникновения интермодуляционных искажений.
Эти искажения, в свою очередь, приводят: к появлению побочных каналов приёма/передачи в ВЧ радиотехнике, а в усилителях НЧ – появлению посторонних призвуков. Причём, данный тип искажений гораздо неприятнее на слух, чем банальное амплитудное ограничение сигнала. Источник их появления гораздо сложнее обнаружить, а соответственно и устранить.

Ну вот мы медленно, но верно подобрались к определению понятия «динамический диапазон по интермодуляции«.

Динамическим диапазоном по интермодуляции (Dynamic Range) называется характеристика устройства, показывающая его способность противостоять продуктам нелинейного взаимодействия двух или более сигналов. Обозначается – DD3 или DB3.
Другими словами, параметр DB3 характеризует допустимую величину двух сигналов с различными частотами f1 и f2, действующих одновременно на входе устройства, при которой ещё не возникает продукт их взаимодействия (вернее, когда уровень этого продукта не превышает заданного параметра – RFrx). И определяется как отношение, выраженное в дБ, общей мощности этих сигналов к чувствительности устройства.

Измерение динамического диапазона по интермодуляции (DB3) – дело не такое простое, как измерение односигнального DB1. Процесс это сводится к определению суммарной величины, так называемых, продуктов 3-го порядка с частотами 2f1 ± f2, 2f2 ± f1. Приведу формулу для вычисления динамического диапазона:
DB3 = 2/3 × IP3 — P_{вх мин} (дб) , где IP3 – точка пересечения линии уровня интермодуляционных составляющих 3-го порядка на графике передаточной характеристики, а P_{вх мин} – чувствительность, выраженная в дБ и определяемая собственными шумами устройства.

На Рис.2 красным и синим цветами изображены знакомые нам по Рис.1 динамические характеристики: идеальная и характеристика основных частот входных сигналов (f1 и f2).
Чёрным цветом показана кривая интермодуляционных продуктов 3-го порядка с частотами 2f1 ± f2 и 2f2 ± f1. Данная кривая возрастает в 3 раза быстрее (в децибельном выражении) чем идеальная, поэтому теоретически в некоторой точке эти линии должны сойтись, обозначая точку пересечения по интермодуляции третьего порядка (IP3).
Будучи теоретической – эта точка никогда не может быть достигнута на практике, поскольку смеситель войдёт в режим компрессии сигнала раньше, чем эта точка будет достигнута.

Нахождение данной точки (IP3) – задача не такое простая, как измерение односигнального DB1. Поэтому для облегчения жизни радиолюбителя вводятся некоторые допущения, основанные, исходя из практического опыта. А именно:
В общем случае обычно отмечается, что связь между точкой компрессии 1 дБ и точкой пересечения 3-го порядка, приведённой к входу, имеет вид:
IP3 = P_1дб + (10. 15)дб .
А учитывая, что односигнальный динамический диапазон DB1 описывается формулой:
DB1 = P_1дб — P_{вх мин} (дб) , а DB3 = 2/3 × IP3 — P_{вх мин} (дб) , то на основании всех трёх формул можно вывести простую пропорцию:
DB3 = 2/3 × (DB1 + (10. 15)дб) .

Посчитаем. Если односигнальный динамический диапазон по блокированию DB1 равен 110дБ, то:
DB3 ≈ 2/3 × (110дБ + 10дБ) = 80дБ .
Всё – расчёт окончен! Именно на эту величину динамического диапазона по интермодуляции и следует ориентироваться, так как именно она в значительной степени определяет качественные показатели как НЧ, так и ВЧ оборудования!

И напоследок – ещё одна динамическая характеристика, достойная определённого внимания по большей части в радиосвязи: динамический диапазон по перекрёстным помехам (DD2 или DB2).
Характеристика эта важна в основном для устройств, осуществляющих приём однополосных (SSB) сигналов и определяет степень подавления мощных станций, работающих с АМ модуляцией и расположенных по соседству.
Перекрёстные искажения возникают в УВЧ и преобразователях частоты приёмников при воздействии на эти элементы модулированного мешающего сигнала с частотой, близкой к значению частоты настройки основного канала приёма, например, на частоте соседнего канала.

Процесс измерения этого параметра подобен предыдущему описанию и сводится к определению величины продуктов 2-го порядка с частотами (f1 ± f2) и нахождению точки интермодуляции (IP2) посредством построения такого же графика.
Кривая интермодуляционных продуктов 2-го порядка растёт медленнее, чем 3-го (всего лишь в 2 раза быстрее идеальной передаточной характеристики), а потому и точка пересечения, обозначающая значение IP2, находится дальше от начала координат.

Благодаря «Справочнику радиолюбителя – коротковолновика» под авторством уважаемых С. Бунина и Л. Яйленко, вполне можно довериться компромиссной формуле: DB2 ≈ DB1 — 20 dB , что в нашем случае будет соответствовать 90дБ.

В чем измеряется динамический диапазон усилителя

Страница: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Динамический диапазон

Определение
Динамический диапазон обычно понимают, как возможность анализатора измерять гармонически связанные сигналы и взаимодействия двух или более сигналов; например, измерять вторые и третьи гармонические искажения или интермодуляции третьего порядка. Имея дело с подобными измерениями, нужно помнить, что входной смеситель анализатора спектра — устройство нелинейное, и поэтому всегда генерирует собственные искажения. Для нелинейности смесителя имеется причина. Он должен быть нелинейным, чтобы преобразовывать входной сигнал на желаемую ПЧ. Но нежелательные продукты искажения, генерируемые в смесителе, попадают на те же частоты, на которых находятся те продукты искажений, которые мы желаем измерить для изучения входного сигнала.
Поэтому мы можем определить динамический диапазон следующим образом: это есть отношение, выраженное в дБ, наибольшего и наименьшего сигналов, одновременно присутствующих на входе анализатора спектра, которое допускает измерение наименьшего сигнала с заданной степенью погрешности.
Заметим, что точность измерения есть часть определения. Ниже мы увидим, как внутренний шум и искажение влияют на точность.

Динамический диапазон в зависимости от внутренних искажений
Чтобы определить динамический диапазон в функции искажения, мы должны вначале точно определить поведение входного смесителя. Большинство анализаторов, в частности те, что применяют гармоническое смешение для расширения своего диапазона настройки 1 , используют диодные смесители. Другие типы смесителей ведут себя подобным же образом.
Ток через идеальный диод можно выразить так:

где I_S — ток насыщения диода
q — заряд электрона (1.6 х 10 -19 К),
v — мгновенное напряжение,
k — постоянная Больцмана (1.38 х 10 -29 Джоуля/°К),
T — абсолютная температура в градусах Кельвина.

Мы можем разложить это выражение в ряд:

Приложим теперь к смесителю два сигнала. Один будет входной сигнал, который мы хотим анализировать, другой — сигнал гетеродина, необходимый для перевода сигнала на ПЧ:

Легко математически найти желаемый продукт смешения на промежуточной частоте:

Кроме того, генерируется другой член:

но когда мы обсуждали уравнение настройки, мы обнаружили, что хотим иметь частоту гетеродина выше ПЧ, поэтому частота ω_LO + ω₁ также всегда выше ПЧ.

При постоянном уровне гетеродина выход смесителя линейно соответствует уровню входного сигнала. На практике это верно до тех пор, пока входной сигнал более чем на 15 — 20 дБ ниже уровня гетеродина. Здесь есть также члены, включающие гармоники входного сигнала:

Эти члены говорят нам, что динамический диапазон благодаря внутренним искажениям есть функция уровня сигнала на входе смесителя. Посмотрим, как это работает, используя для нашего определения динамического диапазона разность в дБ между фундаментальной частотой и внутренне генерируемым искажением.
Аргумент синуса в первом члене включает 2ω₁, поэтому он представляет вторую гармонику входного сигнала. Уровень этой гармоники есть функция квадрата амплитуды фундаментальной частоты, V₁2. Этот факт говорит нам, что на каждый дБ сигнала на фундаментальной частоте приходится два дБ второй гармоники. См. Рис. 6-1. Второй член включает 3ω₁, третью гармонику, пропорциональную кубу амплитуды входного сигнала, V₁3. Поэтому на 1 дБ изменения на фундаментальной частоте на входе смесителя приходится 3 дБ изменения внутренне генерируемой третьей гармоники.
Искажение часто описывается его порядком. Порядок можно определить обозначением коэффициента, связанного с частотой сигнала, или показателем экспоненты, связанной с амплитудой. Поэтому искажение типа второй гармоники есть искажение второго порядка, а третья гармоника — искажение третьего порядка. Порядок также показывает изменение внутренне генерируемого искажения относительно изменения на фундаментальной частоте, которая создает это искажение.

Теперь добавим второй входной сигнал:

На этот раз можем получить математически:

Рисунок 6-1. Изменение уровней фундаментальных тонов в смесителе

Здесь представлено интермодуляционное искажение, получаемое при взаимодействии каждого из двух входных сигналов с другим. Низший продукт искажения, на частоте 2ω₁-ω₂, попадает ниже ω₁ на разностную частоту сигналов ω₂-ω₁. Более высокий продукт искажения, 2ω₂-ω₁ попадает выше частоты ω₂ на ту же разность. См. Рис. 6-1.
Снова напомним, что динамический диапазон есть функция уровня сигналов на входе смесителя. Внутренне генерируемые искажения изменяются как продукты V₁2 и V₂ в первом случае, как продукты V₁ и V₂ 2 — во втором случае. Если V₁ и V₂ имеют одинаковые амплитуды, обычный случай при проведении теста на искажения, мы можем трактовать их продукты как кубические члены (V₁ 3 или V₂ 3 ). Поэтому для каждого дБ одновременного изменения двух входных сигналов, будет 3 дБ изменения компонент искажения, как показано на Рис. 6-1.

Это та же степень изменения, которую мы видели по третьей гармонике искажения. И это, на самом деле, тоже искажение третьего порядка. В этом случае мы можем определить степень искажения, суммируя коэффициенты при ω1 и при ω₂ (т. е. 2ω₁-1ω₂ дает 2+1=3) или показатели экспонент при V₁ и при V₂.

Все это говорит о том, что динамический диапазон зависит от уровня сигнала на смесителе. Откуда мы знаем, какой уровень необходим на смесителе для проведения конкретного измерения? В документацию на большинство анализаторов включаются графики, чтобы сказать нам как меняется динамический диапазон. Однако если никаких графиков нет, мы можем построить свои собственные 2 .

Нам нужна отправная точка, и ее мы можем получить из документации. Вначале посмотрим на искажения второго порядка. Предположим, что в документации указано, что искажения за счет второй гармоники на 75 дБ ниже для сигнала на смесителе, составляющего -40 дБм. Поскольку измерение искажения относится к относительным измерениям, и (по крайней мере, в данный момент) мы называем динамическим диапазоном разность в дБ между главной модой или модами и внутренне генерируемым искажением, мы получили нашу отправную точку. Внутренне генерируемое искажение второго порядка лежит на 75 дБ, поэтому мы можем измерить искажение на уровне 75 дБ. Наносим эту точку на график, где по осям нанесены искажения (дБн) — по вертикальной оси, в функции уровня на смесителе (уровень на входном разъеме минус установка входного аттенюатора). См. Рис. 6-2. Что случится, если уровень на смесителе упадет до -50 дБм? Как отмечено на Рис. 6-1, для каждого дБ изменения уровня входа смесителя на фундаментальной частоте будет 2 дБ изменения внутренне генерируемой второй гармоники. Но для измерительных целей мы интересуемся только относительным изменением, то есть тем, что случится с нашим измерительным диапазоном. В этом случае, для каждого дБ, на который сигнал фундаментальной частоты изменится на смесителе, измерительный диапазон изменится также на 1 дБ. Тогда в нашем примере со второй гармоникой, когда уровень на смесителе изменится от -40 дБм до -50 дБм, внутренние искажения, а значит, измерительный диапазон, изменятся от -75 дБн до -85 дБн. Действительно, эти точки попадают на линию с наклоном 1, которая описывает динамический диапазон для любого входного уровня на смесителе.

Мы можем построить подобную линию и для искажения третьего порядка. Например, в документации указано, что искажения третьего порядка, скажем, -85 дБн для уровня -30 дБм на этом смесителе. Снова, это наша начальная точка, и мы отметим на графике точку, показанную на Рис. 6-2. Если мы теперь снизим уровень на смесителе до -40 дБм, что случится? Обращаясь снова к Рис. 6-1, мы видим, что и искажение, связанное с третьей гармоникой, и интермодуляционное искажение третьего порядка падают на 3 дБ за каждый дБ, на который падает сигнал на основной моде. И снова нам важна только разность. Если уровень на смесителе изменяется от -30 дБм до -40 дБм, разность между сигналом основной моды или мод и внутренне генерируемым искажением изменяется на 20 дБ. Так что величина внутреннего искажения будет -105 дБн. Эти две точки попадают на линию, имеющую наклон 2, давая нам производительность третьего порядка для любого уровня на смесителе.

Рисунок 6-2. Динамический диапазон в зависимости от искажений и шума

Иногда производительность третьего порядка дается в терминах TOI (Third Order Intercept, перехват третьего порядка). Это уровень на смесителе, при котором внутренне генерируемое искажение третьего порядка должно быть равным фундаментальному, или 0 дБн. Эта ситуация невозможна на практике, поскольку при этом смеситель должен быть глубоко в насыщении. Однако с математической точки зрения TOI есть исключительно удобная точка, поскольку мы знаем наклон линии. Поэтому даже с TOI как стартовой точкой мы можем определить степень внутренне генерируемых искажений на данном уровне входа смесителя.

Мы можем рассчитать TOI из информации, указанной в документации прибора. Поскольку динамический диапазон третьего порядка меняется на 2 дБ на каждый дБ изменения уровня на фундаментальной частоте на смесителе, мы получим TOI, вычитая половину указанного в спецификации динамического диапазона в дБ из уровня на фундаментальной частоте:

где A_fund — уровень на фундаментальной частоте в дБм,
d — разность в дБ между уровнем на фундаментальной частоте и уровнем искажения.

Используя величины из выше проведенного обсуждения, получаем:

TOI = -30 дБм — (-85 дБн)/2 = +12.5 дБм.

Проверка аттенюатором
Понимание графика искажений важно, но мы можем провести несложную проверку для определения того, являются ли отображаемые искаженные компоненты истинными входными сигналами, или внутренне генерируемыми сигналами. Измените входное ослабление. Если отображаемая величина искаженных компонент останется той же, компоненты есть часть входного сигнала. Если отображаемая величина изменилась, искаженные компоненты есть внутренне генерируемые или сумма внешних и внутренне генерируемых сигналов. Продолжаем изменять ослабление до тех пор, пока отображаемое искажение не перестанет изменяться, и затем завершаем измерение.

Шум
Есть и другое ограничение динамического диапазона, и это — нижняя шумовая граница нашего анализатора. Возвращаясь к нашему определению динамического диапазона как отношения наибольшего и наименьшего измеряемого сигналов, понимаем, что средний шум устанавливает предел наименьшему сигналу. Поэтому динамический диапазон как функция шума становится отношением сигнал/шум, в котором сигнал фундаментальной частоты становится тем объектом, искажение которого мы хотим измерить.

Нанести шум на график динамического диапазона довольно просто. Например, предположим, что в документации на анализатор его отображаемый средний шум задан спецификацией в -110 дБм в полосе разрешения 10 кГц. Если наш сигнал на фундаментальной частоте имеет уровень -40 дБм на смесителе, то это на 70 дБ выше среднего шума, поэтому мы имеем отношение сигнал/шум 70 дБ. На каждый дБ, на который мы снижаем уровень сигнала на смесителе, мы теряем 1 дБ отношения сигнал/шум. Наша шумовая кривая есть прямая линия, имеющая наклон -1, как показано на Рис. 6-2.

Если мы пренебрежем соображениями точности измерения на какое-то время, то наилучший динамический диапазон будет на пересечении надлежащей кривой искажения и кривой шума. Рис. 6-2 показывает нам, что наш максимальный динамический диапазон для искажений второго порядка есть 72.5 дБ; для третьего порядка искажений — 81.7 дБ. На практике пересечение кривых шума и искажения не является четко определенной точкой, потому что шум дает вклад в продукты искажения, снижая динамический диапазон на 2 дБ при использовании логарифмического масштаба с логарифмическим усреднением.

На Рис. 6-2 показан динамический диапазон для одной полосы разрешения. Мы, конечно, можем улучшить динамический диапазон путем сужения полосы разрешения, но здесь нет взаимно однозначного соответствия между сниженным шумовым уровнем и улучшением динамического диапазона. Для искажения второго порядка улучшение есть половина изменения шумового уровня; для искажения третьего порядка улучшение есть две трети изменения шумового уровня. См. Рис. 6-3.

Рисунок 6-3. Уменьшение полосы разрешения улучшает динамический диапазон

Финальный фактор динамического диапазона — это фазовый шум гетеродина анализатора спектра, и он влияет только на измерения искажений третьего порядка. Например, предположим, что мы проводим измерения двухтоновых искажений третьего порядка на усилителе, и наши тестовые частоты разделены на 10 кГц. Компоненты искажений третьего порядка будут отделены от тестовых частот также на 10 кГц. Для этих разрешений мы можем использовать полосу разрешения в 1 кГц. Глядя на Рис. 6-3, и допуская уменьшение шумовой кривой на 10 дБ, мы обнаружим максимальный динамический диапазон порядка 88 дБ. Предположим, однако, что на отстройке в 10 кГц наш фазовый шум всего -80 дБн. Тогда 80 дБ становятся непреодолимым ограничением динамического диапазона для нашего измерения, как показано на Рис. 6-4.

Рисунок 6-4. Фазовый шум может ограничить проведение проверки интермодуляции третьего порядка

Окончательно, можно сказать, что динамический диапазон анализатора спектра ограничен тремя факторами: искажением преобразования, выполняемого входным смесителем; широкополосным шумовым уровнем (чувствительностью) системы и фазовым шумом гетеродина.

Динамический диапазон в зависимости от погрешности измерений
В наших предыдущих обсуждениях амплитудной точности мы рассматривали только те пункты, которые перечислены в Табл. 4-1, плюс рассогласование. Мы не обсудили возможности того, что внутренне генерируемый продукт искажения (синусоида) может быть на той же частоте, что и внешний сигнал, который мы хотим измерить. Однако внутренне генерируемые компоненты искажений попадают точно на те же частоты, что и искаженные компоненты, которые мы хотим измерить на внешних сигналах. Проблема здесь в том, что нет способа узнать фазовые соотношения между внешними и внутренними сигналами. Поэтому мы только можем определить потенциальный диапазон неопределенности:

Погрешность (в дБ) = 20 log(1±10 d/20 ),

где d — разность в дБ между наибольшей и наименьшей синусоидами (отрицательное число).

Взглянем на Рис. 6-5. Например, если мы обеспечим условия, когда внутренне генерируемое искажение равно по амплитуде искажению на входящем сигнале, ошибка измерения может быть от +6 дБ (два сигнала точно в фазе) до минус бесконечности (два сигнала точно в противофазе и поэтому взаимно уничтожаются). Подобная неопределенность в большинстве случаев неприемлема. Если мы установим лимит на измерительную неопределенность в ±1 дБ, то Рис. 6-5 показывает нам, что внутренне генерируемый искажающий продукт должен быть примерно на 18 дБ ниже искажающего продукта, который мы хотим измерить. Чтобы построить кривые динамического диапазона для измерений второго и третьего порядка с погрешностью измерения не более чем 1 дБ, мы должны сместить кривые на Рис. 6-2 на 18 дБ, как показано на Рис. 6-6.

Рисунок 6-5. Погрешность в зависимости от разности амплитуд двух синусоид одной частоты

Далее рассмотрим погрешность из-за низкого отношения сигнал/шум. Компоненты искажения, которые мы хотим измерить, есть, как мы надеемся, низкоуровневые сигналы, и часто они находятся на шумовом уровне анализатора или близки к нему. В подобных случаях мы обычно используем видео-фильтр, чтобы сделать эти низкоуровневые сигналы более различимыми. Рис. 6-7 показывает ошибку отображаемого уровня сигнала как функцию отношения отображаемый сигнал/шум для типичного анализатора. Заметим, что ошибка имеется только в одном направлении, поэтому мы можем корректировать ее. Однако обычно мы не делаем этого. Поэтому для измерения динамического диапазона, примем, что ошибка за счет шума составляет 0.3 дБ, и сместим шумовую кривую на 5 дБ, как показано на Рис. 6-6. Там, где кривая искажения и шумовая кривая пересекаются, максимально возможная ошибка должна быть менее 1.3 дБ.

Рисунок 6-6. Динамический диапазон для максимальной погрешности 1.3 дБ

Посмотрим, что случится с динамическим диапазоном в результате нашей обеспокоенности погрешностью измерений. Как показано на Рис. 6-6, динамический диапазон искажения второго порядка изменяется с 72.5 дБ до 61 дБ, с разницей в 11.5 дБ. Это — половина полного сдвига двух кривых (18 дБ для искажения, 5 дБ для шума). Искажение третьего порядка изменяется с 81.7 дБ до примерно 72.7 дБ с разницей примерно в 9 дБ. В этом случае изменение — это одна треть от 18-дБ сдвига кривой искажения плюс две трети от 5-дБ сдвига кривой шума.

Рисунок 6-7. Погрешность отображаемой амплитуды сигнала из-за шума

Сжатие (компрессия) усиления
При обсуждении динамического диапазона мы до сих пор не задумывались, насколько точно отображается большая мода, даже на относительной основе. При увеличении уровня входного синусоидального сигнала, уровень сигнала на входе смесителя, в конце концов, становится настолько высоким, что желаемый выходной продукт смешения уже не изменяется линейно по отношению к входному сигналу. Смеситель достигает насыщения и отображаемая амплитуда сигнала становится слишком мала. Насыщение — процесс скорее постепенный, нежели мгновенный. Чтобы помочь нам оставаться за рамками условий насыщения, обычно устанавливается точка сжатия 1 дБ. Обычно подавление усиления начинается при уровне смесителя* в диапазоне от -5 до +5 дБм. Поэтому мы можем определить установку входного аттенюатора для проведения точного измерения сигналов высокого уровня 3 . Анализаторы спектра с цифровой секцией ПЧ в случае выхода за рамки диапазона АЦП выведут на экран сообщение о перегрузке ПЧ.

На самом деле, существуют три различных метода оценки компрессии. Традиционный метод, называемый CW-сжатием, измеряет изменение усиления прибора (усилителя, или смесителя, или системы), когда мощность входного сигнала увеличивается. Это тот метод, что только что был описан. Отметим, что точка CW-сжатия значительно выше, чем уровни первых мод, указанные выше даже для динамического диапазона средней величины. Поэтому мы были правы, когда не волновались по поводу возможного сжатия больших сигналов.

Второй метод, названный двухтоновой компрессией, измеряет изменение системного усиления для малых сигналов, пока мощность больших сигналов увеличивается. Двухтоновая компрессия применяется при измерении многих CW-сигналов, таких как сигналы боковой полосы и независимые сигналы. Порог компрессии этого метода обычно на несколько дБ ниже, чем таковой в методе CW. Этот метод используется фирмой Agilent Technologies для определения компрессии усиления анализаторов спектра.

Третий метод, называемый импульсной компрессией, измеряет изменение системного усиления узкого (широкополосного) радиочастотного импульса, когда мощность импульса увеличивается. Когда измеряются импульсы, мы часто используем полосу разрешения намного более узкую, чем полоса импульса, поэтому наш анализатор отображает уровень сигнала гораздо ниже пиковой мощности импульса. В результате, мы можем не знать о том, что полная мощность сигнала выше порога компрессии смесителя. Высокий порог улучшает отношение сигнал/шум для высокомощного ультра-узкого импульса или широко «чиркающего» импульса. Порог при этом примерно на 12 дБ выше, чем для двутоновой компрессии в анализаторах Agilent 8560EC. Тем не менее, поскольку различные механизмы влияют на CW, двутоновый и импульсно-компрессионный методы по-разному, любой компрессионный порог может быть ниже, чем какой-то другой.

Дисплейный диапазон и диапазон измерений
Есть два дополнительных диапазона, которые часто путают с динамическим диапазоном: дисплейный диапазон и измерительный диапазон. Дисплейный диапазон, часто называемый дисплейным динамическим диапазоном, относится к калиброванному амплитудному диапазону дисплея анализатора. Например, дисплей с десятью делениями будет, очевидно, иметь дисплейный диапазон 100 дБ, когда мы выбираем 10 дБ на деление. Это абсолютно верно для современных анализаторов с цифровой секцией ПЧ, например, приборов серии PSA. Это также верно и для серии ESA-E при использовании узких (от 10 до 300 Гц) полос разрешения. Однако, анализаторы спектра с аналоговой секцией ПЧ обычно калибруются лишь на первые 85 или 90 дБ вниз от опорного уровня. В этом случае нижняя линия сетки обозначает сигнал с нулевой амплитудой, поэтому нижняя часть дисплея представляет собой область диапазона от -85 или -90 дБ до минус бесконечности относительно опорного уровня.

Другой ограничивающий фактор, в случае анализаторов с аналоговой частью ПЧ — это диапазон логарифмического усилителя. Например, в приборах серии ESA-L используется 85-дБ логарифмический усилитель. Поэтому калибровка может быть проведена только для измерений до 85 дБ вниз от опорного уровня.
Вопрос состоит в том, можем ли мы в полной мере использовать дисплейный диапазон? Из проведенного выше обсуждения динамического диапазона мы знаем, что в общем случае ответ «да». На самом деле, динамический диапазон часто даже превосходит дисплейный диапазон или диапазон логарифмического усилителя. Чтобы перевести меньшие сигналы на калиброванную область дисплея, мы должны увеличить усиление ПЧ. Но при этом мы двигаем большие сигналы за верхний предел дисплея, выше опорного уровня. Некоторые анализаторы фирмы Agilent — например, приборы серии PSA, — позволяют провести измерения сигналов, вышедших за пределы опорного уровня, без изменения точности, с которой отображаются меньшие сигналы. Это показано на Рис. 6-8. Поэтому мы действительно можем пользоваться преимуществом полного динамического диапазона анализатора даже тогда, когда динамический диапазон превосходит дисплейный диапазон. На Рис. 6-8, несмотря на то, что опорный уровень изменился с -8 дБм до -53 дБм, и сигнал ушел далеко за верхний предел экрана, показания маркера не изменились.

Рисунок 6-8. Дисплейный диапазон и диапазон измерений прибора серии PSA

Измерительный диапазон есть отношение наибольшего сигнала к наименьшему сигналу, которые можно измерить в любых обстоятельствах. Верхний предел определяется максимально безопасным входным уровнем, +30 дБм (1 Ватт) для большинства анализаторов. У этих анализаторов есть входные аттенюаторы, которые могут устанавливаться до 60 или 70 дБ, так что мы можем уменьшать сигналы уровня +30 дБм до уровня, существенно более низкого, чем точка компрессии входного смесителя, и качественно измерять их. Отображаемый средний уровень собственных шумов устанавливает противоположный предел диапазона. В зависимости от минимальной полосы разрешения конкретного анализатора, уровень собственных шумов обычно лежит в диапазоне от -115 дБм до -170 дБм. Таким образом, измерительный диапазон может варьироваться в пределах от 145 дБ до 20 дБ. Конечно, мы не можем видеть сигнал -170 дБм, пока сигнал +30 дБм также присутствует на входе.

Измерение мощности в смежных каналах
TOI, SOI, 1-дБ подавление усиления и отображаемый средний уровень собственных шумов — все это классические меры показателей анализатора спектра. Однако, с неимоверным развитием цифровых систем связи, и другие меры динамического диапазона становятся не менее важными. Например, при измерении мощности смежных каналов, которое часто проводится для систем связи с CDMA основой, необходимо определить количество мощности сигнала, просачивающейся или «выплескивающейся» в смежные или посторонние каналы, расположенные до и после несущей. Пример такого измерения показан на Рис. 6-9.

Рисунок 6-9. Измерение мощности в смежном канале при помощи анализатора серии PSA

Обратите внимание на различия в амплитудах мощности несущей и смежных каналов. Одновременно может быть измерено до шести каналов с каждой стороны от несущей. Обычно нас интересует относительное различие между мощностью сигнала в главном канале и мощностью сигнала в смежном или постороннем канале. В зависимости от конкретного стандарта связи, эти измерения часто именуют тестами коэффициента мощности смежного канала или коэффициента утечки смежного канала. Поскольку сигналы с цифровой модуляцией, а также генерируемые ими искажения, по своей природе очень шумоподобны, производственные стандарты обычно определяют еще и полосу канала, по которой интегрируется мощность сигнала.
Чтобы точно измерить показатель мощности в смежных каналах у исследуемого устройства (например, усилителя мощности), показатель мощности в смежных каналах самого анализатора должен быть лучше, чем у ИУ. Поэтому коэффициент мощности смежного канала динамического диапазона анализатора спектра нынче является ключевым параметром для измерений цифровых систем связи.

1 см. Главу 7 Расширение частотного диапазона.
2 Более подробно о том, как построить собственные графики динамического диапазона, см. документ Agilent PSA Performance Spectrum Analyzer Series Product Note, Optimizing Dynamic Range for Distortion Measurements.
3 Многие анализаторы внутренне контролируют комбинированную установку входного аттенюатора и усиления по ПЧ, так что появление на входе смесителя сигнала, равного уровню сжатия, создает отражение от верхней линии масштабной сетки. Поэтому мы не можем нечаянно провести неправильные измерения.
* прим. ред. по сигнальному порту смесителя

Страница: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Copyright © 2001-2023 Unitest.com

Динамический диапазон

В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики.

Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль – ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия.

Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика.

ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН (D), интервал между наибольшим и наименьшим значениями напряжения или мощности сигналов, в пределах к-рого они передаются к.-л. устройством (электронным прибором, звукотехн. комплексом, каналом электросвязи и т. д.) с допустимыми искажениями переносимой информации. Д. д. является одним из осн. параметров разл. усилит, устр-в и чаще всего выражается в децибелах: D=20 lg (U_макс/U_мин) или D=10 lg (Р_макс/Р_мин), где U_макс и Р_макс — наибольшие значения соответственно напряжения и мощности полезного сигнала на выходе устр-ва, при к-рых его нелинейные искажения не превышают нек-рых допустимых величин; U_мин и Р_мин — наименьшие значения этих же величин, соизмеримые с уровнем внутр. (собственных) шумов. В телефонии используют также др. единицу Д. д. — непер (Н_n): D=ln(U_макс/U_мин); 1 Н_n=8,686 дБ.
Качество устр-ва тем выше, чем больше его Д. д., т. е. чем меньше собств. шумы устр-ва или (и) чем больше неискажённая мощность на его выходе. Напр., Д. д. СВЧ усилителей обычно составляет 30—60 дБ. Совр. высоко-качеств. усилители звуковой частоты, в частности используемые в студийных магнитофонах, обладают Д. д., превышающим 60 дБ. В телефонии удовлетворительным считается Д. д. в 20—30 дБ.

Источник
Электроника. Энциклопедический словарь
Москва, «Советская энциклопедия», 1991 г.

Термин: Диапазон динамический

В измерительных системах под динамическим диапазоном (Dynamic Range) обычно понимают величину отношения наибольшего измеряемого сигнала к наименьшему в рассматриваемом канале измерения. Традиционно динамический диапазон выражают в децибелах.

Если прибор измеряет величину среднеквадратического значения (СКЗ) переменного сигнала (например, как вольтметр переменного тока), то динамический диапазон этого измерительного прибора равен отношению (в децибелах) величины СКЗ диапазона измерения к величине СКЗ минимального сигнала, который сможет почувствовать этот прибор. Особо подчеркнём, что именно «сможет почувствовать», а не «сможет измерить» с нормированной точностью.

Если прибор измеряет среднее значение постоянного сигнала (например, как вольтметр постоянного тока), то динамический диапазон этого измерительного прибора равен отношению (в децибелах) величины диапазона измерения прибора к величине минимального изменения сигнала, который сможет почувствовать этот прибор.

Данные о динамическом диапазоне сигнала крайне важны при выборе оборудования системы сбора данных, поскольку они влияют на выбор необходимой эффективной разрядности АЦП. Величина динамического диапазона сигнала сильно связана с физикой измеряемого процесса и с характеристиками датчика. Снизу динамический диапазон измеряемого полезного сигнала обычно ограничен шумом физического процесса, собственным шумом датчика, шумом (помехами по пути передачи сигнала). Сверху динамический диапазон ограничен максимально возможной энергией физического процесса, диапазоном измерения датчика, нелинейными цепями защиты от превышения сигнала.

Очевидно, что, если динамический диапазон сигнала больше динамического диапазона измерительного прибора (канала измерения), то это вызовет частичную потерю функции измерения прибора либо по причине зашкала, либо нечувствительности к малому сигналу (малому изменению сигнала, несущему полезную информацию).

В конкретных областях применения оценки динамического диапазона сигнала важны не только в широкой полосе частот, но и в рабочей полосе частот. Например, в звуковых измерительных трактах, главным образом, важны оценки динамического диапазона сигнала в полосе частот пропускания этих трактов, и частоты входного сигнала, не попадающие в полосу частот тракта, не должны учитываться при оценке динамического диапазона сигнала, прошедшего через тракт измерения (при условии того, что не попавшие частоты, при наличии в тракте нелинейных эффектов, не породили интермодуляционных частот в полосе пропускания тракта).

В технике известны устройства сжатия и расширения динамического диапазона сигнала, основанные на разных принципах, в зависимости от задачи и области применения.

Термин динамический диапазон используют также при анализе спектра сигнала. Например, динамический диапазон, свободный от паразитных спектральных составляющих SFDR (Spurious-Free Dynamic Range ), определяют как отношение уровня полезного узкополосного сигнала (несущей) к уровню наибольшей паразитной частотной составляющей (гармоники), выраженное в децибелах. Для линейных преобразователей, каналов измерения и AЦП, ЦАП характеристику SFDR снимают для синусоидального входного сигнала.

Перейти к другим терминам	Cтатья создана:	12.07.2015
О разделе «Терминология»	Последняя редакция:	10.03.2019