Метрология и электрорадиоизмерения / Вспомогательный теоретический материал / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

С генератора импульсов короткие зондирующие импульсы подают на вход исследуемой линии. Через тройник сюда же подключен широкополосный стробоскопический осциллограф. На его экране наблюдают рефлектограмму – изображение зондирующего и отраженного от неоднородности линии импульсов (рис. 6.12, а).

Zн =

tx

Zн = 0

Рис. 6.12. Рефлектограммы на входе линии передачи при зондировании: а – импульсом; б – перепадом напряжения

По рефлектограмме измеряют интервал tx – время пробега импульса

от генератора до места повреждения (неоднородности волнового сопротивления) и обратно. Расстояние до места повреждения рассчитывают по

выражению Lx = 0.5tx v , где v – скорость распространения импульса в

линии. Очевидно, что для линий малой длины интервал tx будет невелик.

Например, для воздушной линии передачи длиной 15 м он будет порядка 100 нс. Длительность зондирующего импульса для точных измерений расстояния должна быть существенно меньше (в 10–100 раз) времени распространения импульса по линии. Поэтому для получения рефлектограммы наиболее пригодны генераторы наносекундных импульсов и широкополосные стробоскопические осциллографы.

Отражение сигнала возникает в тех местах линии, где волновое сопротивление отклоняется от своего среднего значения: у соединительных фланцев и разъемов, в местах изменения сечения проводников, в точках сжатия, обрыва, короткого замыкания кабеля и т. д. Вид отраженного сигналазависит от характера повреждения. Например, при обрывепроводника

сопротивление нагрузки линии Zн = ∞ и коэффициент отражения равен

единице. Отраженный импульс будет иметь туже полярность, что и зондирующий. При коротком замыкании Zн = 0, коэффициент отражения равен –

1 и отраженный импульс меняет полярность. Амплитуда отраженного импульса зависит от параметров неоднородности и коэффициента затухания сигнала в линии. Если фазовая скорость распространения сигнала в линии имеет частотную зависимость (дисперсию), товозможноизменениеформы

163

зондирующих импульсов («расплывание» импульса). Чем длиннее линия, тем больше «расплывание» и меньшеамплитуда импульса. Это затрудняет точное определение расстояния до повреждения, поэтомунеобходимо правильновыбирать параметрызондирующего импульса.

В рефлектометрах, кроме коротких видеоимпульсов, широко применяется зондирование линии перепадом напряжения. Перепад или скачок напряжения – это крутой фронт зондирующего импульса относительно большой длительности. Отраженный от неоднородности сигнал также представляет собой скачок напряжения (рис. 6.12, б). Он также может быть положительной или отрицательной полярности (в зависимости от вида неоднородности). При прочих равных условиях разрешающая способность при измерении расстояния с перепадом напряжения вдвое лучше, чем при измерении видеоимпульсом. Зондирующий сигнал в виде перепада напряжения используется в рефлектометрах СВЧ-диапазона СК7-18, используемых для анализа неоднородностей в антеннофидерных трактах СВЧ-систем, коаксиальных и волноводных линиях передачи. Данный прибор представляет собой стробоскопический осциллограф с полосой пропускания 10 ГГц. В прибор встроен импульсный рефлектометр с генератором перепада напряжения. СК7-18 позволяет измерять коэффициент отражения неоднородностей в пределах 0.005…1 и определять расстояние в линиях передачи до 750 м с разрешением по длине 1 см.

Отметим, что в настоящее время для импульсной рефлектометрии применяют также широкополосные цифровые осциллографы. Так, портативный цифровой рефлектометр «Рейс-105М» с автономным питанием предназначен для поиска повреждений и диагностики силовых кабельных линий, линий связи и электропередачи, систем контроля и управления различного типа. К достоинствам прибора можно отнести большой диапазон измеряемых расстояний: от единиц сантиметров до 25 км, низкую погрешность измерения (не хуже 0.2 %) и высокую разрешающую способность по дальности (порядка 2 см). В приборе используеются зондирующие импульсы с амплитудой 4…20 В и длительностью от 8 нс до

15 мкс. Графический ЖК-индикатор с разрешением 128×64 точки обеспечивает отображение рефлектограмм, режимов и параметров в графическом и алфавитно-цифровом виде.

Контрольные вопросы

1.Какие причины вызывают ограничения полосы пропускания универсального ЭЛО? Что такое критическая частота электронно-лучевой трубки?

2.Как снизить влияние пролетных явлений на быстродействие ЭЛТ? Какие параметры ЭЛТ при этом будут ухудшаться?

164

3.Что такое ЭЛТ «бегущей волны»? Чем она отличается от обычной ЭЛТ?

4.Поясните принцип увеличения широкополосности в трубке бегущей волны? Почемуэкрантакойтрубкиимеетмаленькиеразмерыияркость?

5.Укажите основные особенности структурной схемы скоростного осциллографа.

6.Опишите область применения скоростных осциллографов. В каких случаях их использование более целесообразно, чем широкополосных ЦО СВЧ диапазона?

7.Укажите принцип действия и назначение стробоскопического осциллографа? Какое главное отличие стробоскопических осциллографов от скоростных?

8.Что такое стробоскопический смеситель, какие задачи решают с его помощью?

9.Какой вид имеет сигнал на выходе стробоскопического преобразователя? Как егодлительность связана сдлительностьювходного сигнала?

10.Какие требования предъявляют к форме и длительности стробимпульса? Как коэффициент преобразования временного масштаба зависит от длительности строб-импульса?

11.Чем ограничено максимальное значение коэффициента временного преобразования стробоскопического осциллографа? Как эффективная рабочая полоса стробоскопического осциллографа зависит от длительности строб-импульса?

12.Как устроен блок стробоскопической развертки? Для чего в нем используют два генератора – быстрой и медленной «пилы»? Какие параметры регулируют изменением длительности прямого хода этих напряжений?

13.Почему в стробоскопическом осциллографе изображение состоит из отдельных светящихся точек? Чем определяется расстояние между точками?

14.Укажите область применения стробоскопических осциллографов? Как их используют в импульсных рефлектометрах?

165

Глава 7

Анализаторы спектра радиосигналов

Общие вопросы измерения спектра радиосигналов

Наблюдение формы сигнала не всегда позволяет получить полную информацию о нем. Так, осциллограмма ЧМ-радиосигнала с небольшой девиацией частоты на вид мало отличается от осциллограммы гармонического сигнала (рис. 7.1, а). Малые искажения формы синусоидального колебания соответствуют наличию в составе сигнала дополнительных гармонических составляющих. Они маскируются большой гармоникой несущей частоты и могут быть выделены только с использованием спек-

трального анализа (рис. 7.1, б).

Рис. 7.1. Изображение ЧМ сигнала на экране: а – осциллографа; б – спектроанализатора

По этой причине анализ спектральных характеристик радиосигналов часто более информативен и позволяет достаточно точно измерить такие параметры радиосигнала, как мощность, частоту, коэффициент модуляции и пр.

Напомним наиболее распространенные спектральные характеристики радиосигнала. Для одиночного сигнала u(t) в частотной области исполь-

166

зуют спектральную функцию (или спектральную плотность, В/Гц), определяемую прямым преобразованием Фурье:

∞

S( f ) = u(t) e−i2πft dt .

−∞

Эта функция комплексная и представляет собой распределение амплитуд и фаз гармонических составляющих по частотной оси.

Спектральная функция – это функционал уже закончившегося процесса (интеграл берется до «бесконечного» времени). В реальных условиях измерить можно только текущий частотный спектр, характеризующий незаконченный процесс в момент времени Tа:

Ta

S( f , Ta ) = u(t)e−i2πft dt.

−∞

Спектральный анализ должен обеспечивать время анализа Tа (время

интегрирования) много больше длительности сигнала (а для периодического сигнала – больше его периода). В противном случае вместо полного спектра получим текущий спектр, зависящий от времени анализа.

Наиболее часто измеряют модуль спектральной функции – его называют амплитудной спектральной функцией, или, проще, амплитудным спектром сигнала. Приборы, которые позволяют измерить амплитудный спектр, называют анализаторами спектра (АС). Фазу спектральной функции (фазовый спектр сигнала) измерить сложнее, поэтому в стандартных измерительных задачах этого обычно не предусматривают. Однако фазовый спектр необходим при анализе сигналов со сложными видами модуляции. Приборы, измеряющие как модуль, так и фазу спек-

тральной функции, называют векторными анализаторами спектра. В

них используют цифровые технологии обработки сигнала (вычислительные спектроанализаторы).

Особый класс сигналов – шумовые и случайные (неповторяющиеся) сигналы большой длительности (к ним относятся и реальные информационные сигналы). Важной характеристикой такого сигнала является его

спектральная плотность мощности :

Здесь S( f, T ) – спектральная плотность реализации случайного процесса на интервале [– T/2, T/2]. Единицы измерения спектральной плотности мощности такие же, как у энергии сигнала, поэтому иногда ее называют энергетическим спектром случайного сигнала. Фактически W ( f ) – это характеристика распределения мощности случайного сигнала по частоте.

167

Рис. 7.2. Шумовой сигнал: а – осциллограмма; б – спектрограмма

На рис. 7.2 представлен пример спектрального анализа шумового сигнала, ограниченного по полосе. На рис. 7.3 можно видеть осциллограмму и изображение спектра бинарной последовательности импульсов со случайным кодом.

Рис. 7.3. Случайная последовательность прямоугольных импульсов (бинарный цифровой сигнал): а – осциллограмма; б – спектрограмма

Для периодических сигналов спектральная функция представляет собой последовательность дельта-функций, смещенных друг относительно друга на частоту повторения сигнала (линейчатый спектр). Обычно в этом случае применяют спектральное представление сигнала в виде ряда Фурье:

где T – период повторения сигнала. Сигнал представляет собой совокупность гармонических колебаний с кратными частотами. Компонента с нулевой частотой U0 является постоянной составляющей сиг-

168

нала (среднее значение сигнала). Напомним, что ее измеряют вольтметрами постоянного тока.

Последовательность {Un} называют амплитудным спектром периодического сигнала (размерность – В); последовательность {ϕn} – фазо-

вым спектром (размерность – градусы (º) или радианы). Во многих случаях, учитывая сложности фазовых измерений, при анализе спектров радиосигналов ограничиваются амплитудными измерениями. Количество одновременно измеряемых сигналов не ограничивается – часто приходится исследовать суперпозицию спектров нескольких входных сигналов. При этом гармонические составляющие входных сигналов могут быть некратны по частоте (отметим, что на практике их также называют гармониками).

Для представления спектра обычно используют графическую форму в виде вертикальных линий, высота которых равна амплитуде гармоники, а расположение по горизонтальной оси – частоте. Такое представление спектра называют спектрограммой. Спектрограмма позволяет наглядно представить вид спектра и оценить его количественные характеристики (рис. 7.4).

S(f)

f

б

Рис. 7.4. Осциллограммы и спектрограммы: а – радиосигнала с тональной АМ; б – последовательности прямоугольных импульсов

169

Итак, к основным задачам спектрального анализа сигналов относятся:

•определение амплитуд и частот гармонических составляющих периодических сигналов;

•измерение амплитудной спектральной функции одиночных сигналов;

•измерение спектральной плотности мощности случайных сигналов.

Все методы спектрального анализа делятся на две группы – аналоговые и цифровые (вычислительные) (рис. 7.5).

Методы измерения спектров радиосигналов

БПФ-анализ

Вычислительные БПФ-анализаторы

Узкополосная фильтрация

Последовательные спектроанализаторы

Анализаторы гармоник, селективные вольтметры

Панорамные АС

Измерители нелинейных искажений

Параллельные спектроанализаторы

АС с аналоговыми фильтрами

АС с цифровыми фильтрами

Рис. 7.5. Классификация методов и средств спектрального анализа

170

Аналоговые методы, как правило, используют узкополосную фильтрацию сигнала для выделения гармонических составляющих. Вычислительные методы включают оцифровку сигнала и расчет спектра с использованием алгоритмов цифровой фильтрации или быстрого преобразования Фурье (БПФ).

Cпектроанализаторы различают по верхней граничной частоте рабочего диапазона. Приборы диапазона НЧ – примерно до частоты 1 МГц – используют для анализа сигналов низкочастотной электроники, акустики и механики. Спектроанализаторы диапазона ВЧ (примерно до 3..6 ГГц) необходимы при разработках систем мобильной связи, радиотехнических устройств, аппаратуры радиовещания и телевидения и пр. Приборы для диапазона СВЧ (микроволновый диапазон – до 40 ГГц и диапазон миллиметровых волн – свыше 40 ГГц) применяют при измерениях в широкополосных линиях связи, радиорелейных и спутниковых каналах передачи цифровой информации и пр.

По принципу действия спектроанализаторы делятся на параллельные и последовательные. Параллельные АС позволяют производить анализ спектра одновременно во всей рабочей полосе частот. Их называют анализаторами спектра реального времени. Их реализуют, используя набор аналоговых или цифровых фильтров.

Последовательные АС основаны на сканировании диапазона частот одиночным перестраиваемым узкополосным фильтром или селективным приемником. Перестройка может быть как ручной (такие приборы называют анализаторами гармоник, селективными вольтметрами), так и автоматической (с электронным управлением). В последнем случае используют панорамный метод представления результатов анализа спектра на экране осциллографического индикатора. Спектроанализаторы последовательного типа – это наиболее распространенные приборы частотного анализа в диапазонах ВЧ и СВЧ.

Современные цифровые спектроанализаторы используют вычислительные методы спектрального анализа сигналов с помощью алгоритмов БПФ. Это позволяет получить как амплитудный, так и фазовый спектры сигнала, исследовать периодические и одиночные, неповторяющиеся и случайные сигналы. К сожалению, такие приборы довольно дороги и имеют ограничения по рабочемудиапазонучастот.

Анализаторы спектра последовательного типа

АС последовательного типа реализуют узкополосный метод анализа, при котором рабочий диапазон частот последовательно сканируется селективным устройством, выделяющим отдельные гармоники. Наиболее простой является схема с перестраиваемым фильтром (рис. 7.6).

171

Рис. 7.6. Последовательный анализатор спектра с перестраиваемым полосовым фильтром

Главная часть прибора – электрически перестраиваемый полосовой фильтр. Управление частотой настройки фильтра осуществляют напряжением развертки. Сигнал с выхода фильтра усиливают, детектируют и подают на канал вертикального отклонения осциллографического индикатора. Данный сигнал пропорционален уровню гармонических составляющих, присутствующих на входе прибора. Анализаторы такого типа иногда применяют в СВЧ-диапазоне. Их строят на основе электрически перестраиваемых ферритовых СВЧ-фильтров с полосой пропускания 20…30 МГц. Более узкие полосы пропускания реализовать в перестраиваемых фильтрах, как правило, не удается.

Наиболее распространенной конструкцией АС последовательного типа является супергетеродинная схема, представленная на рис. 7.7.

Рис. 7.7. Последовательный анализатор спектра с перестраиваемым гетеродином

172