MERENJA U TELEKOMUNIKACIJAMA - vtsnis.edu.rsvtsnis.edu.rs/wp-content/plugins/vts-predmeti/uploads/3 Merenja u TK sistemima... · domenu, osnovni instrument za merenja parametara signala

MERENJA U TELEKOMUNIKACIJAMA

ANALIZATORI SPEKTRA I SPEKTRALNA MERENJA

2

POJAM I PRINCIP RADA

• Električni signali se najčešće predstavljaju u vremenskom domenu koji se dobija na ekranu osciloskopa.

• Tada se karakteristike komponenata i podsklopovasistema mogu dobiti analiziranjem vremenskog odziva tog sistema kada je na njegovom ulazu neki karakterističan signal.

• Drugi način prikazivanja signala je prikaz u frekvencijskom domenu (na primer: prikazivanje amplitude u funkciji frekvencije).

3

Prikaz vremenskog domena prvog harmonika: f(t)=10sin(2πf0t)

Prikaz vremenskog domena trećeg harmonika: f(t)=4sin(2π3f0t)

Zbir prvog i trećeg harmonika u vremenskomdomenu:f(x)= 10sin(2πf0t)+ 4sin(2π3f0t)

Prikaz spektra signala u frekvencijskom domenu


• Savremeni merni instrumenti su najčešće opremlјenimikroprocesorima koji obrađuju digitalne podatke, pa se koristi neki od digitalnih oblika Furijeovetransformacije: diskretna Furijeova transformacija (Discrete Fourier Transformation – DFT) ili brza Furijeova transformacija (Fast Fourier Transformation– FFT).

• Instrument koji omogućava prikaz signala u frekvencijskom domenu je analizator spektra.

• On je, poput osciloskopa za merenja u vremenskom domenu, osnovni instrument za merenja parametara signala u frekvencijskom domenu. 6

ANALIZATORI SPEKTRA

Matematička osnova na kojoj se zasniva njihov rad sastoji se ukratko u sledećem. Svaka periodična funkcija

može se prikazati Furijeovim redom u trigonometrijskom obliku

n - prirodan broj,ω - frekvencija osnovnog harmonika,Cn - amplituda n-tog harmonika,Ψn - odgovarajući fazni ugao.

Formula predstavlja amplitude spektra na određenim diskretnim

frekvencijama, pa prema tome, svaka periodična funkcija ima

diskretan spektar. 7


• Furijeova transformacija

8


• Kada se prikažu sve amplitude u određenom frekvencijskom području dobija se spektar amplituda, a sve faze daju spektar faza.

• Ukoliko se posebno ne naznači, pod pojmom spektar podrazumeva se spektar amplituda.

• Često se prikazuju i kvadrati amplituda, što predstavlja energetski spektar, jer je energija proporcionalna kvadratu napona ili struje.

9


Spektar: a) diskretan harmonijski b) diskretan kvaziharmonijski, c) kontinualan

10

UVOD

• Analizatori spektra

• Spektralna merenja

11

ANALIZATORI SPEKTRA

• Analizatori spektra su nastali iz analizatora talasa i doneli su jednu novu dimenziju sagledavanja merenog signala u frekvencijskom domenu koju nijedan raniji merni instrument nije pružao.

• Dok analizator talasa na svoja dva indikatora pruža osnovne podatke o samo jednoj spektralnoj komponenti, analizator spektra prikazuje istovremeno ceo frekvencijski spektar u željenom frekvencijskom opsegu.

12

ANALIZATORI SPEKTRA

• Uz niz dodatnih mogućnosti, od kojih je najvažnija izbor širine propusnog opsega uskopojasnog filtra, i na taj način regulisanja razlaganja frekvencije analizatora, ovi merni instrumenti su omogućili analitički pristup sagledavanju električnog signala.

13

ANALIZATORI SPEKTRA

• Analizatori spektra se primenjuju u:

– telekomunikacijama,

– navigaciji,

– elektronici,

– radarskim sistemima i mernoj tehnici,

– merenju apsolutne i relativne frekvencije,

– merenju apsolutne i relativne amplitude,

– merenju šuma,

– merenju produkata izobličenja,

– merenju AM, FM i impulsne modulacije,

– merenju odziva na pobudu

– merenju elektromagnetske kompatibilnosti (EMC).14

ANALIZATORI SPEKTRA

• Upotrebljavaju se i za:

– analizu spektralne čistoće sinusoidnog signala,

– merenje impulsnog i slučajnog šuma,

– merenje amplitudno-frekvencijske karakteristike filtara,

– merenje slabljenja,…

• Da bi ova merenja bila moguća, analizatori spektra se moraju odlikovati širokim frekvencijskim opsegom, širokim dinamičkim opsegom, velikom osetljivošću radi prijema signala malih amplituda, visokom stabilnošću frekvencije i visokim razlaganjem frekvencije i amplitude. 15

ANALIZATORI SPEKTRA

• Uz dodatak računara, mogućnosti analizatora spektrase značajno povećavaju.

• Računar tada direktno upravlja radom analizatora putem odgovarajućeg interfejsa, uključuje štampač i ploter, i memoriše merne podatke.

• Pored toga, omogućava primenu posebnih aplikativnih programa kojima se automatizuju neki od specifičnih i složenih mernih zadataka, kao na primer, testiranje proizvodne linije VF ili mikrotalasnih generatora i komponenata, podsistema ili sistema.

16

PREDNOSTI MERENJA U FREKVENCIJSKOM DOMENU

• veća osetlјivost

• smanjeno prisustvo šumova u merenjima

• može da ignoriše signal osnovne frekvencije prilikommerenja nivoa harmonika

• može da eliminiše signale interferencije

18

PREDNOSTI MERENJA U FREKVENCIJSKOM DOMENU

• Neki sistemi su, po prirodi orijentisani ka frekvencijskom domenu. • Na primer frekvencijski multipleksi (Frequency Division Multiplex –

FDM), koji se često koriste u telekomunikacionim sistemima, predstavlјaju „sendvič“ signale u frekvencijskom domenu.

• Radio i TV stanice su takođe multipleksirane u frekvencijskomdomenu, pri čemu svaka stanica u određenoj geografskoj oblasti zauzima određeni deo spektra.

• Radio i TV prijemnici su, po prirodi, uređaji koji sadrže frekvencijskiosetlјiv detektor.

• Višestruki signali se mnogo jednostavnije odvajaju u frekvencijskomdomenu.

• Primer su KDS, gde se frekvencijski opseg od 50 do 862 MHz koristi za prenos signala u direktnom smeru, a opseg od 30 do 50 MHz za povratni smer. Osim toga, istim kablom je moguće prenositi i jednosmerni signal za napajanje udalјenih pojačavača.

19

SPEKTRALNA MERENJA I ANALIZATORI SPEKTRA

• Karakterizacija signala analizatorom spektra

• Spektar signala

20


• Postupak merenja je obično vrlo jednostavan i sastoji se u priklјučivanju izvora signala na analizator spektra (ulazni priklјučak IN).

• Na TEST izlazu se generiše sinusoida frekvencije 50MHz koja se, u slučaju da se sumnja u ispravnost analizatora spektra, dovodi na IN ulaz i na displeju se pogleda spektar signal.

• Iznad mreže skraćenica REF ukazuje na položaj referentnognivoa u decibelima (ovde je 5 dBm).

• Položaj referentnog nivoa na vertikalnoj skali se običnooznačava sa strelicom ili sa dve kratke crtice.

• Obično se na displeju stavlјa i promena nivoa signala u dB po jednom kvadratiću na vertikalnoj osi (ovde je 10 dBm).

• Razlika u amplitudama dva vrha (pika) sa desne strane je oko40 dB. 21


• Standardno vertikalna skala analizatora spektra je logaritamska i označena je u decibelima. Na taj način se veliki dinamički opseg može prikazati na ekranu instrumenta. Mnogi analizatori spektra omogućavaju i prikaz u voltima, u linearnoj skali.

• Horizontalna osa je frekvencijska. Najčešće je u linearnoj razmeri, mada ima aplikacija kod kojih se koristi logaritamska razmera. U linearnoj razmeri zadaje se na dva načina: – start i stop frekvencija ili – centralna frekvencija i opseg (tzv. span) oko centralne

frekvencije.• U primeru na slici na horizontalnoj osi frekvencija je data

preko centralne frekvencije (10 MHz) i span-a (5 kHz), što znači da svaki kvadratić na horizontalnoj osi daje promenu frekvencije od 500 Hz. Razlika u frekvencijama dva vrha (pika) sa desne strane je zato oko 1 kHz. 22

RAZLIČITE REALIZACIJE ANALIZATORA SPEKTRA

• Najvažniji parametar za izbor analizatora spektra je frekvencijski opseg, pa se dele na:

• analizatori niskih frekvencija (od Hz do nekoliko stotina kHz)

• analizatori visokih frekvencija (od 10 Hz do 100 MHz)

• Ostali parametri:cena, dinamički opseg, osetlјivost, tačnost...

24

RAZLIČITE REALIZACIJE ANALIZATORA SPEKTRA

• Analizatori spektra sa bankom filtara

• FFT analizatori spektra

• Analizatori talasa

• SWEPT analizatori

25

ANALIZATORI SPEKTRA SA BANKOM FILTARA

• Blok šema analizatora spektra sa bankom filtara

26

ANALIZATORI SPEKTRA SA BANKOM FILTARA

• Analizator spektra sa bankom filtara ne koristi se često, ali ova tehnika može poslužiti za razumevanje principa rada analizatora spektra.

• Ovaj tip analizatora spektra ponekad se koristi kod audio merenja.

• Banka filtara propusnika opsega je priklјučena na ulaz isvaki filtar ima svoje izlazne sklopove za signale različitihfrekvencija na koje su filtri podešeni.

• U slučaju malog broja filtara, jednostavnost u realizacijiovog analizatora predstavlјa njegovu značajnu prednost.

• Osim toga, ova merna tehnika je brza, jer nema obradesignala i može da podržava sisteme u realnom vremenu.

27

FFT ANALIZATORI SPEKTRA

• Rad Furijeovih analizatora je zasnovan na izračunavanju diskretne Furijeove transformacije

• Brza Furijeova transformacija (Fast Fourier transformation - FFT)

• Ovaj algoritam izračunava amplitudu i fazu svakespektralne komponente posmatranog signala izkompleta uzoraka signala u vremenskom domenu.

• I ovde se rezultati merenja prikazuju slikom naekranu katodne cevi: daje se spektralni prikaz, kao iosnovni numerički podaci o frekvenciji, amplitudi ifaznom uglu.

28


29


• Oslablјivač (atten) na ulazu analizatora spektra omogućava merenja sa različitim nivoima signala.

• Posle odgovarajućeg slablјenja, signal se dovodi na NF filtar (low pass filter) koji eliminiše neželјene visokofrekvencijskekomponente koje su izvan mernog opsega uređaja.

• Signal u vremenskom domenu se odmerava (uzorkuje, sempluje) i prevodi u digitalni oblik kombinacijom kola za odmeravanje (sampler) i A/D konvertora (ADC).

• Mikroprocesor (microprocessor) prima digitalizovani signal, proračunava spektar i prikazuje ga na ekranu (display).

• FFT analizatori spektra rade isto što i analizator spektra sa bankom filtara, ali bez potrebe korišćenja velikog broja filtara.

• Umesto toga, FFT analizatori spektra koriste DSP (Digital Signal Processing – digitalna obrada signala) tehniku za implementaciju velikog broja individualnih filtara.

30


• FFT prilaz je vrlo jednostavan i jasan – digitalizacija signala i izračunavanje spektra.

• U praksi, međutim postoje efekti koji se moraju uzeti u obzir da bi merenje bilo korektno.

31

FFT ANALIZATORI SPEKTRA• Da bi merenje FFT analizatorom spektra bilo korektno,

potrebno je da budu zadovolјena dva uslova:

1. Ulazni signal mora biti frekvencijski ograničen, što znači da mora da postoji frekvencija fmax iznad koje nema frekvencijskih komponenata (ili su značajno manje tako da ne utiče na merenje). To se rešava NF filtrom na ulazu analizatora.

2. Ulazni signal se mora uzorkovati brzinom koja je u saglasnosti sa teoremom o odmeravanju po kojoj minimalna frekvencija odmeravanja mora da zadovolјi sledeću jednačinu fs ≥ 2fmax, gdje je fs frekvencija odmeravanja, a fmax najveća frekvencija opsega od interesa.

32


• Furijeovi analizatori imaju prednost u odnosu na analizatore spektra zato što su analizatori u realnom vremenu, tj. obavljaju brzu spektralnu analizu.

• Na taj način mogu da obrađuju periodične signale, ali i slučajne i prelazne signale.

• Takođe, obrađuju signale vrlo niskih frekvencija, čak do ispod 100 μHz, signale prekrivene šumom, i mere zajedničke karakteristike ili odnose dva signala kod dvokanalnih verzija.

• Greška merenja amplitude signala im je manja 2 do 3 puta.

• Nedostatak Furijeovih analizatora je niska gornja granična frekvencija - reda svega 100 kHz. 33


• Furijeovi analizatori se koriste kao:

– visokokvalitetni višekanalni analizatori spektra u realnom vremenu

– analizatori električne mreže

– za dobijanje karakteristika audio signala u različitim uslovima njihovog prostiranja

– u kombinaciji sa mikrofonom i na taj način karakterišu u potpunosti zvučno polje ili akustička sredstva, npr. zvučnike

– kao osciloskopi za prikaz signala u vremenskom domenu.

34

• Realizacija PC baziranog mernog sitema

• Za povezivanje sa računarom spektralni analizator tipično poseduje standardni Ethernet, USB ili IEEE-488 interfejs


Spektralni analizator

PXI modul

PCI akviziciona kartica

35

ANALIZATORI TALASA

• Analizator spektra sa bankom filtara koristi veliki broj pojedinačnih filtara za implementaciju analizatora spektra.

• Drugi pristup je korišćenje jednog filtra propusnika opsega (tunable filter), ali promenlјivog unutar frekvencijskog opsega od interesa.

36

ANALIZATORI TALASA

• Ova tehnika omogućava analizu samo jedne frekvencije u jednom trenutku, stoga ovo nije analizator spektra, već analizator talasa (wave analyzer).

• Operater podešava analizator talasa na želјenu frekvenciju i očitava nivo signala.

• Poželјno je da promenlјivi filter ima što ravniju karakteristiku u propusnom opsegu, i što strmiji odziv.

• Širina propusnog opsega predstavlјa rezolucioni opseg instrumenta.

• Ovakvi instrumenti se i danas koriste kao selektivni merači nivoa signala.

37

• Blok šema analizatora talasa realizovanog sa heterodinskom detekcijom

ANALIZATORI TALASA

38

SWEPT ANALIZATORI SPEKTRA

• Swept analizatori spektra predstavlјaju dominantno rešenje na RF i mikrotalasnim frekvencijama

• Na nižim frekvencijama je slabiji od FFT analizatora

• Ovo je analizator spektra koji je realizovan u analognoj tehnologiji

39


• Generator testerastog napona (ramp generator) pobuđuje naponski kontrolisani oscilator (VoltageControlled Oscillator – VCO), a istovremeno se dovodi na H osu displeja.

• Izlaz detektora se filtrira NF filtrom i dovodi se na Y osu displeja.

• Kako lokalni oscilator prolazi kroz frekvenciju, na displeju se automatski prikazuje spektar signala (slično kao prikazivanje slike na ekranu osciloskopa).

• NF filtar na izlazu detektora je tzv. video filtar ima zadatak da ublaži odziv analizatora spektra.

40

• U savremenijim analizatorima se ipak koristi mikroprocesorska tehnologija


41

• USB analizator spektra koristi računar zadigitalnu obrada signala i prikaz, što dajeodređenu prednost u prenosivosti i ceni.

• Negativne strane su štokvalitetan USB analizatorspektra zavisi od softverai performansi računara, što takođ može značitidodatne troškove .

USB ANALIZATORI SPEKTRA

42

• Ručni analizator spektra je uređaj koji dajesamo osnovnu funkcionalnost i ne nudi visokeperformanse.

• Pronalazi primenu u terenskomradu sa bežičnim sistemima iradio signalima kojima je potrebno nadziranje spektra i ne tako precizni podaci.

• Raspon frekvencije instrumentaje od 1Hz do 20 GHz.

RUČNI ANALIZATORI SPEKTRA

43

MERENJE MODULACIJE

• Amplitudska modulacija (AM) je generalno najjednostavniji modulacioni sistem

44

• Analizator spektra se može koristiti za karakterizaciju amplitudski modulisanog signala u frekvencijskom domenu. Parametri koji se mogu odrediti su:

– Amplituda nosioca,

– Frekvencija nosioca,

– Modulaciona frekvencija i

– Indeks (stepen) modulacije.

MERENJE MODULACIJE

45

ZAKLJUČAK

• Analiza i posmatranje signala u frekvencijskom domenu postaje sve važniji merni koncept

• Analiza signala u frekvencijskom domenu ima tu prednost da se svaka spektralna komponenta može posmatrati odvojeno, a ne sabrano kao u vremenskom domenu

• Proizvodi izobličenja mogu se posmatrati direktno

• Postupak merenja je jako jednostavan i sastoji se u priklјučivanju izvora signala na analizator spektra

• Polje primene analizatora spektra je veoma široko i odlikuje se prodorom u skoro sve oblasti elektronike i telekomunikacija, kao i u merenja neelektričnih veličina električnim putem

46

KRAJ

47

Documents

MERENJA U TELEKOMUNIKACIJAMA - vtsnis.edu.rsvtsnis.edu.rs/wp-content/plugins/vts-predmeti/uploads/3 Merenja u TK sistemima... · domenu, osnovni instrument za merenja parametara signala