Последна редакция декември 2007  © Ч. Левков

 

Измерване на нелинейните параметрите на софтуерно радио (СР)

Част 1   Измерване с еднотонов генератор

 

Качествата на един приемник до голяма степен се определят от това дали силни  сигнали, извън приеманата лента, смущават приемането. Силните  смущаващи сигнали обикновено предизвикват появата на т.нар. фантомни сигнали. Фантомен е сигналът, който не съществува в ефира, но се появява в приемника. Една от причините за такъв ефект е нелинейността на приемника.

В друга моя статия  (Софтуерно радио) е описан приемник с директно преобразуване на честотата и цифрова обработка и демодулация на сигнала – т.нар. софтуерно радио (СР). Интерес представлява измерването на нелинейните параметри на такова радио.

Обикновено линейността на приемниците се измерва, като на входа се подават два силни сигнала (двутонов тест)  и се измерва нивото на възникналите фантомните сигнали от вида F1+-F2  (втори порядък)  и  2F1+-F2  (трети порядък).  Методът е стандартен и описан многократно в литературата.  Съществено изискване е да се използуват два качествени (с много чист спектър) сигнал-генератора едновременно.

Въэможно е обаче линейността на СР приемника да се измери само с един източник на сигнал и то с доста по-примитивни средства.

 

Еднотоново измерване 

На входа на СР се подава единичен сигнал с честота някъде в лентата на  пропускане на СР. Сигналът трябва де е с много чист спектър и  много ниско ниво на 2-ра и 3-та хармонични. Нека честотата на хетеродина на СР е f , а  на входния сигнал - F.  Ще се търсят  фантомни сигнали с честоти от вида  2(F- f ) и 3(F- f )  защото само те попадат в приемния спектър. Софтуерният приемник прави спектрален анализ и тези сигнали  могат да се наблюдават. Преобразуваният сигнал с честота F-f  е полезният сигнал. Продуктите от втори 2(F- f)  и трети 3(F- f) ред се явяват като  хармонични на преобразувания сигнал и ще бъдат обективна мяра за нелинейност.

 

Схема на измерване

Схема на измерващата постановка  е показана на Фиг.1. Генераторът е описан по-долу. За  измерване на изходното му ниво е използуван термисторен миливатмер (432 Power meter Hewlett-Packard). Използувани са атенюатори 8494В (0-11 dB) и 8496В (0-110 dB) на същата фирма свързани последователно, с които се регулира нивото на входа на СР. Измерването е правено само на 14 МХц. Между входа на приемника и генератора е свързан един нископропускащ филтър с честота на среза 17МХц, който намалява значително нивото на хармоничните на генератора. След филтъра е свързан един фиксиран атенюатор 3 до 10 дБ. Това осигурява на ключовия смесител  до известна степен равномерен импеданс дори и извън лентата на пропускане на филтъра. Изходът на приемника е подаден на звуковата карта на компютъра.

Измерването трябва да се прави само в единият канал на картата. На  другият канал не трябва да се подава сигнал, защото това  би попречило на точното измерване. Неизползуваният канал е добре да се заземи.  Нивото на прослушване между двата канала на повечето звукови карти е такова, че измерването би станало недостоверно.   Като спектрален анализатор съм използувал професионалната програма SpectraLab ( http://www.soundtechnology.com).

Вижте също http://www.pmgrp.com/prod01.htm откъдето евентуално може да се изтегли демо-софтуер. Winrad http://www.weaksignals.com/ също може да се използува. Спектралният анализатор трябва да се включи в режим измерване само в 1 канал, а не в l/Q режим. Навсякъде се работи с 50 ома характеристични импеданси.

 

 

.   Фиг.1

 

Последователност на измерването

1.  Прави се едно единствено абсолютно измерване за да се определи изходното ниво на генератора (в dBm).

            2.  Сигналът от генератора се подава на приемника според Фиг.1. Преобразуваният  сигнал, както и нелинейните продукти явяващи се като хармонични, се наблюдават на спектралния анализатор. С атенюаторите се регулира входната амплитуда и на входа се подава сигнал докато звуковата карта или усилвателят започнат да ограничават. Този момент е ясно изразен с рязкото нарастване на амплитудите на  всички комбинационни продукти.  Нивото се намалява докато ограничаването изчезне и тогава се измерват нивата на основния преобразуван сигнал (първа хармонична) и на нелинейните продукти 2-ра и 3-та хармонични в dBс.  Отчитаме и абсолютното ниво на входния сигнал на входа на приемника в dBm при това положение. Трябва да се работи близо максималните възможни входни нива за да се получат значими нива на нелинейните продукти.

3.  Прави се допълнително измерване, за да се удостовери, че измерените нива на двете хармонични са действително продукти на нелинейността на приемника, а не прослушвания от хармоничните на измерителния генератор.  Намалява се нивото на входния сигнал с 3 dB.  Би трябвало нивото на втората хармонична да се намали с 6 dB а тази на третата – с 9 dB. Това би показало, че действително се касае за нелинейни продукти. Зависимостта на нелинейности от 2-ри порядък са на втора, а на тези от трети порядък на трета степен от амплитудата на входния сигнал.  Ако промяната на входния и изходния сигнал е от един порядък, явно се касае за високо ниво на прослушване от хармонични на измерителния генератор и измерването е недостоверно.

 

4.  За количествена оценка  се изчисляват т.нар. интерполирани точки на пресичане:

 

IP2 [dBm] = Vin [dBm] -  (V1f – V2f ) [dB]                              (1)

 

IP3 [dBm] = Vin [dBm] -  (V1f – V3f )/2 [dB]                                  (2)

 

Vin е измереното ниво на входния сигнал в dBm;  V1f  , V2f  и  V3f   са измерените относителни амплитуди на първата, втората и третата хармонични на сигнала от спектралния анализатор. За да се сравни еднотоновото измерване с стандартното двутоново измерване  могат да се използуват следните формули:

 

            IP2(при 2-тона) = IP2(при един тон)  -  6dB                         (3)

 

 IP3(при 2-тона) = IP3(при един тон)  -  9.5dB                  (4)

 

5.       За контрол може да се измери и другия хардуерен канал на приемника – двата канала трябва да се еднакви.

 

Еднотонов генератор

Направен е кварцов осцилатор с ниско ниво на хармонични Фиг. 2 . Използувана а специална схема, при която сигналът се взимо последователно на кварца, там където нивото но хармоничните е най-ниско. Виж ARRL Handbook. На изхода е включен трансформатор, трансформиращ импедансите 4:1, така че изходното съпротивление е около 50 ома. Използуван е тороид с сравнително голямо сечение за да се намалят възможните нелинейните изкривявания в ферита.

 

  Фиг.2

 

 Генераторът е екраниран изцяло, като е използувана кутийка от кафе.Фиг.3.

 

  Фиг.3

 

След осцилаторът е включен нископропускащ филтър от 7 ред (Чебишов) Фиг.4.  Теоретичната честотна  характеристика е такава, че потиска втората хармонична приблизително с 45dB, а третата с 75dB.   Бобините са въздушни, отново да се избягнат нелинейните изкривявания.

 

 Фиг.4

 

Колко се потискат хармоничните при тази схема и при измерване на балансен ключов смесител? В следващата таблица е показана една примерна сметка като се има предвид, че сигналът на изхода на генератора наблюдаван с 50 MHz осцилоскоп е практически синусоидален - т.е. потискането на хармоничните от него е минимум 25 dB. Потискането на хармоничните от филтъра са намалени с 5dB от теоретичните. Балансните ключови смесители, когато се управляват с симетричен сигнал имат малко затихване към  нечетните хармоники  и сравнително голямо затихване към  четните хармоники на входния сигнал. Третата хармонична (мои измервания) се потиска 7-10 dB, а втората – 40-45 dB.  Потискането на втората хармонична зависи изключително от симетричността спрямо времето на импулсите управляващи ключовия смесител

 

Потискания хармонични (dB)

2f

3f

от генератора

25

25

от смесителя

45

7

от филтъра

40

70

Общо

110

102

 

 

Измерване на конкретно радио.

На Фиг. 5 е показана спектрограма на измерване на SDR описан в предишна публикация.

 

 Фиг.5

 

Честотата на сигнала е 14090 KHz  - на преобразувения сигнал е 6 KHz .  Амплитудата е –21dBm.  Дискретизация 48 КХц, звукова карта SB Live! 5.1  16 битова. Сигналът е подаден на вход Line-in  на картата.  Използуван е софтуер SpectraLab на Sound Technology; FFT 32768; Hanning window ; averaging =10sec  linear. Гърбицата в честотната характеристика около 20 кхц съществува и при заземен вход на картата  и е с неизвестна причина, но не оказва влияние върху измерванията. Със синьо е сигналът с ниво –21dBm, а с червено е с 3dBm по-ниско.

 

Изчисленията по  графиките и дадените по-рано формули (1), (2) дават:

IP2 = -21dBm – (-5dB – (-80dB)) = 54dBm

IP3 = -21dBm –0.5* (-5dB – (-87dB)= 20dBm

Втората хармонична се подчинява на квадратичната зависимост защото разликата е 6dB и IP2 е достоверно. Стойността за IP3 не е много достоверна защото няма кубическа зависимост – хармоничната е 7dB по-ниска, а не с 9dB. Сигналът вероятно се дължи на просмукване на 3-та хармонична на измерителния генератор.  От предишната таблица може да се види, че предполагаемото ниво на тази паразитна хармонична е -102dBc. На екрана на анализатора нивото на продукта от трети ред е -98dBc, т.е. може и да има известно просмукване на 3-та хармонична на генератора. Това, което може да се каже е че IP3 >= 25dBm. Същият приемник измерен с класически двутонов метод би трябвало да даде стойности IP2 =58dBm и IP3  >= 15dBm . 

dBc означава ниво спрямо нивото на носещата (dB to carrier),  в случая първата хармонична.

 

За да е достоверно измерването, честотата на преобразуваният сигнал трябва да е такава, че хармоничните да попадат извън значимо ниво на шум от осцилатора. На Фиг. 6 са показани 2 измервания на един същ приемник. Разликата е в  честотата на преобразувания сигнал -  2.5 и 6KHz. При сигнал с честота 6KHz, втората хармонична е достатъчно далеч, че да не попада в шумовата осцилаторна зона. Нивата на хармоничните се увеличаваг, когато се доближават до зоната на значим шумов спектър на осцилатора. Това е важен момент  - изглежда, че нелинейните продукти са мултипликативни по отношение на осцилаторния спектър, т.е. те се събират с децибели (логаритъм), което ясно си личи на спектрограмата на Фиг.6. Втората хармоника е вътре в шумовата лента на генератора (или хетеродина, Шумовата лента се определя вероятно от съвместното действие на  измерителния генератор и хетеродина на приемника). При  2.5 кхц  преобразуван сигнтал, IP2 e с 10dB по-ниска и вероятно се дължи на взаимодействие с осцилаторния спектър, а не на смесителя и усилвателите и АЦП.  

 

 Фиг.6

 

Измерване на IP3

При измерване на IP3, поради факта, че амплитудата на 3-тата хармонична е доста ниска, е възможна доста голяма грешка особено при приемници с високо IP3.   Например за приемник с IP3 = 30dBm (приведена към двутонов тест) амплитудата на 3-тата хармоника би била – 110 dB под нивото на първата хармонична (с ниво -20 dBм).  Нещо което е доста трудно да се измери и трябва много да се внимава.  От моите практически експерименти ми се струва, че се получават занижени стойности за IP3 дължащи се на просмукване на директен сигнал на 3-тата хармоника. Вероятно заради това 3-тата хармоника не се подчинява точно на кубическата зависимост, което прави измерването не особено достоверно.

 

Коментар

 

Каква нелинейност се измерва? – трудно е да се каже, но в общи линии се измерва линейността на всички стъпала в приемника вкючително и звуковата карта. Това е много важен момент.   При тестване с сигнали извън основната лентата на пропускане на практика се измерва нелинейността само на смесителя. СР е широколентово радио. Предусилвателят и звуковата карта работят в ленти 24, 48 или 96 KHz (при звукови карти с 192 KHz самплиране) Вижда се, че силни сигнали вътре в тази лента могат да породят фантомни сигнали пак там. Тази нелинейност би се изпуснала при обикновен двутонов тест с сигнали извън лентата на пропускане.

   

Доколко ще съвпаднат резултатите от тези  измерванията с стандартен двутонов тест?

Стандартния  двутонов тест за изследване на IP2 се прави на честоти далече извън основната лентата на пропускане на приемника.  На входа обикновено има лентов филтър ,който допълнително потиска амплитудата на сигнал-генератора и съответно стойността за IP2 се получава много завишена – най-малкото с толкова, колкото затихва входния филтър за честотата на теста.  С описания от нас тест могат да се правят измервания с входен сигнал само вътре в лентата на пропускане на RX  - т.е в рамките на 48 или 96 KHz около честотата на хетеродина.  Този тест е по-истински защото изключва влиянието на входния филтър и освен това имитира реално положение  в СР,  когато един сигнал вътре в широката лентата на пропускане може да породи фантомен сигнал от втори или трети порядък някъде пак там.  IP2 за суперхетерродинните приемници обикновено не е много съществена, защото фантомният сигнал обикновено е извън приеманата лентата, а има и силно отслабване от входните филтри. При тези приемници  IP3 е много по-важна, тъй като 2 силни сигнала  в диапазона на приемане пораждат фантомен сигнал в теснолентовия приемен спектър.

 

Заключение

Благодарение на наличието на звукова карта и спектрален анализатор този тест е много удобен и лесен. Това е един естествен тест за устройства с цифрова обработка и вграден спектрален анализатор.  С прост хардуер и наличният софтуер е възможно да се измерят параметри и величини, които са обикновено в границите на изчезване.

Предложеният тест е полезен –  позволява да се придобие количествена представа  за нивото на  нелинейните изкривявания и да се оцени обективно дали една конструкция е по-добра от друга.  На Фиг. 7 е показано измерване на два различни СР приемника.  Светло-синият СР  е с доста по-голям шум на осцилатора, но за сметка на това е доста по-линеен  IP2 = 69dBм. Вторият приемник със тъмносиньо има IP2 = 50dBм. Измерването е правено при еднакви входни амплитуди на генератора от -26 dBм.   На фигурата има доста други сигнали, които са обаче от местни смущения – измерването е правено в много шумна електромагнитна обстановка. Третата хармонична е скрита в тях.

 

 Фиг.7

 

С най-добри пожелания и весели празници, 

 Декември 2007  Чавдар LZ1AQ