Annons

Fem tekniker förbättrar brusmätning

I den här artikeln beskriver Cherisa Kmetovicz,från Keysight Technologies, hur man med fem olika tekniker kan förbättra en brusanalysators mätkänslighet och mätnoggrannhet

Brus definieras som slumpmässiga, oönskade elektriska signaler som förvränger eller interfererar med en önskad signal. Brus kan orsakas såväl internt i systemet som av externa källor.
Bruset stör nyttainformationen vid överföring mellan systemets sändare och mottagare. Särskilt skadligt är bruset i digitala trådlösa system och i kommunikationssystem där dess närvaro kan påverka digitala signaler, orsaka fel vid datasampling och begränsa systemets totalprestanda. Brus förekommer i alla elektroniska kretsar och är en grundläggande parameter. Därför måste brus testas ordentligt i alla sändar- och mottagarkomponenter.

Förbättringspotential
I typfallet är signal- eller spektrumanalysatorn ingenjörens favoritverktyg när det gäller att observera signaler. Sådana instrument är högpresterande bredbandsmottagare – och detta innebär att närvaro av internt brus kan allvarligt begränsa deras förmåga att mäta signaler med mycket liten amplitud samtidigt som hög noggrannhet och hög svephastighet bibehålls. Många gånger passerar dessa svaga signaler, tillsammans med eventuella spurioser eller anomalier, helt enkelt oupptäckta, dolda i bruset som genereras av analysatorn själv. För att kunna mäta dessa signaler snabbt och exakt, speciellt när de ligger nära brus, måste man förbättra analysatorns mätkänslighet. Lyckligtvis kan detta åstadkommas genom användning av fem nyckeltekniker.
Se mätningarna enligt fig 1 som en hjälp i denna diskussion. Figuren ger en god bild av hur dessa tekniker påverkar analysatorns mätkänslighet. Mätningarna gjordes med en signalanalysator med 100 kHz RBW-filter (Resolution BandWidth, upplösningsbandbredd) och 10 dB signaldämpning i ”front-end”.
Baslinjeamplituden hos den signal som ska mätas, representerad av den gula kurvan, ligger mycket nära analysatorns visade brusgolv. En markör placerad vid toppen av signalen rapporterar en amplitud av -85,1 dBm. Om man jämför toppen med det visade brusgolvet, ser man ett signalbrusförhållande (SNR, Signal-to-Noise Ratio) på cirka 5 dB. Det är ett lågt värde som med säkerhet påverkar amplitudmätningens noggrannhet. De övriga kurvorna i figuren visar mätningar som är gjorda efter att olika känslighetsförbättrande tekniker har applicerats.


Fig 1. De kurvor som visas här avbildar en baslinjemätning och fyra andra mätningar som gjordes efter att olika tekniker för förbättring av analysatorns känslighet hade implementerats. Alla mätningar utfördes med en signalanalysator i Keysight Technologies N9010A EXA X-serie. Genom utnyttjande av dessa tekniker erbjuder ENA den högsta känsligheten och de snabbaste svephastigheterna bland alla analysatorer i det ekonomiska mittsegmentet som finns på marknaden idag. (Klicka här för större bild)
    
Teknik 1: Minska upplösningsbandbredden
När man utför krävande mätningar måste signal- eller spektrumanalysatorn vara noggrann och snabb samt ha ett högt dynamikområde. I de flesta fall gör tonvikt på en av dessa parametrar att de övriga påverkas negativt – och dessa kompromisser involverar ofta inställningen av upplösningsbandbredden (RBW). Minskning av RBW kan vara extremt användbart när man försöker att mäta lågnivåsignaler. Detta beror på att man därvid sänker analysatorns visade genomsnittliga brusnivå (DANL, Displayed Average Noise Level), vilket i sin tur ökar instrumentets dynamikområde och förbättrar dess känslighet.
Den blåa kurvan i fig 1 visar vad som händer när RBW minskas från 100 till 10 kHz – analysatorn får ett 10 dB lägre brusgolv.
Brusgolvet kan minskas ännu mer genom användning av denna teknik. Dock sker detta på bekostnad av ökad sveptid: För traditionella analoga RBW-filter är analysatorns svephastighet omvänt proportionell mot kvadraten på RBW.

Teknik 2: Minska signalanalysatorns signaldämpning
Minskning av analysatorns dämpning i ingångsdelen (”front-end”) sänker dess DANL och är ett sätt att förbättra dess känslighet utan att öka sveptiden. Med denna teknik justerar operatören analysatorns ingångsdämpning manuellt ned till 0 dB för att förbättra instrumentets brusgolv. Detta representeras av den magentafärgade kurvan i figur 1. Om en annan signal (högeffektsignal) finns närvarande tillsammans med den önskade lågeffektsignalen som ska mätas, riskerar man att överstyra analysatorn. Därför är försiktighet av högsta betydelse när man sätter ingångsdämpningen på 0 dB.

Teknik 3: Använda en förförstärkare
Ett annat sätt att förbättra analysatorns mätkänslighet är att använda en intern eller extern bredbandig förförstärkare – en elektronisk förstärkare som används för att förstärka eller signalbehandla en svag elektrisk signal. Maximal känslighetsförbättring kan uppnås genom att använda en förförstärkare med lågt brus och hög förstärkning.
Som den gröna kurvan i fig 1 visar förbättrar användning av en förförstärkare systemets brustal och sänker det visade brusgolvet. I detta fall minskar analysatorns interna förförstärkare brusgolvet med ytterligare 15 dB. Denna minskning gör det möjligt att observera en signal med falsk frekvens (spurious), som i fig 1 pekas ut av markör 2. det är en signal som tidigare skulle ha förblivit osedd.

Teknik 4: Avlägsna signalanalysatorns brus från den uppmätta signalen
En annan teknik som kan användas för att förbättra analysatorns känslighet är NFE, (Noise Floor Extension, utökat (sänkt) brusgolv). Med denna process identifieras instrumentets eget brusbidrag, vid instrumentets aktuella tillstånd, och subtraheras i realtid automatiskt från uppmätt spektrum. Den röda kurvan i fig 1 visar baslinjemätningen med NFE applicerad. Resultatet är en ytterligare sänkning med 8 dB av det visade brusgolvet.
NFE förbättrar vanligen analysatorns visade bruseffekt (DANL) med 10+ dB och kräver ingen åtgärd från användarens sida förutom en aktivering genom knapptryckning (fig 2).
           
Fig 2. NFE är en teknik som endast finns på Keysights X-serie av signalanalysatorer. I allmänhet resulterar NFE i en reducering av DANL med 10 till 12 dB i analysatorns låga band (under 3,6 GHz) och med cirka 8 dB i dess höga band (över 3,6 GHz). Här visar den gula kurvan en signal med ett flertal övertoner med minskande amplituder, uppmätta nära analysatorns okompenserade brusgolv. Den blåa kurvan representerar samma mätning med NFE.

Teknik 5: Använda översvep för kortare sveptid

Medan förbättring av analysatorns känslighet är nyckeln till mätning av små signaler i närheten av brus, är en kritisk faktor också att man genomför sådana mätningar snabbt. ”Översvep” är en teknik som kan användas för att tillhandahålla ett effektivt sätt att få sveptider som är kortare än vad som är möjligt med traditionell analog RBW-filtrering. Den är upp till 50 gånger snabbare, utan att man behöver kompromissa med mätnoggrannheten.
Traditionella signal- eller spektrumanalysatorer kopplar automatiskt sveptiden till frekvensspannet och RBW för att bibehålla en kalibrerad visning. Det är dock så att amplitud- och frekvensfel uppträder när sveptiden reduceras under en acceptabel punkt. Se mätningen som visas i figur 3 som ett exempel.
Den gråa kurvan visar en mätning där lämplig sveptid har ställts in, medan den röda kurvan visar en mätning med för kort sveptid. I det senare fallet blir resultatet amplitud- och frekvensfel. Om man använder heldigital mellanfrekvens (IF) kommer ”översvep”-tekniken att karakterisera det digitala RBW-svaret och effektivt korrigera dessa fel. det leder i sin tur till högre svephastigheter.
Keysights signalanalysatorer i X-serien är programmerade för alltför snabba svep vid upplösningsbandbredder mellan 3 och 300 kHz.

Fig 3. ”Översvep”-tekniken, också känd som snabbsvep i Keysights signalanalysatorer i X-serien med tillvalet FS1, möjliggör betydligt högre svephastigheter än mer traditionella metoder. Dessa analysatorer är programmerade för att korrigera för de fall man sveper för snabbt vid upplösningsbandbredder mellan ca 3 kHz och 300 kHz. Genom att använda denna teknik kan man, beroende av de aktuella inställningarna, minska sveptider som annars skulle vara flera sekunder till millisekunder.

Hitta fler signaler
Medan signal- eller spektrumanalysatorer är idealiska för att observera signaler, kan det vara en utmaning att snabbt och exakt urskilja signaler med låg amplitud som exempelvis internt analysatorbrus.
Nyckeln till att övervinna denna utmaning ligger i att förbättra analysatorns mätkänslighet, med bibehållen hög noggrannhet och hög svephastighet. Lyckligtvis kan de fem teknikerna som presenteras här hjälpa ingenjörer att uppnå dessa mål. De kan appliceras individuellt eller i valfri kombination för att förbättra analysatorns brusgolv till acceptabla nivåer. Genom att göra detta möjliggörs det för ingenjörer att lättare hitta och analysera signaler, och även spurioser och anomalier, vilka normalt skulle fördunklas av brus.

Comments are closed.