Tài liệu Cơ bản về phan tich phổ

Slide cơ bản về phân tích phổ: - Chuyên đề này nhằm giúp người nghe (những người chưa thành thạo trong việc sử dụng máy phân tích phổ) hiểu được các kiến thức cơ bản về phân tích phổ và làm thế nào để sử dụng máy phân tích phổ một cách hiệu quả tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Đối với những người đã có kinh nghiệm về phân tích phổ cũng có thể tìm thấy một vài kiến thức bổ ích từ chuyên đề này và ôn lại những kiến thức có thể đã bị quên lãng. Những nội dung chính: - - Chúng ta sẽ bắt đầu với khái niệm phổ tần số của tín hiệu và lý do chúng ta cần phân tích phổ của tín hiệu. Kế đến chúng ta sẽ tìm hiểu các khối quan trọng trong cấu trúc của một máy phân tích phổ đổi tần truyền thống xem mỗi khối có vai trò và tầm quan trọng ra sao và nguyên lý hoạt động của máy. Để thực hiện các phép đo đạc trên máy phân tích phổ và hiểu các kết quả mà ta thu được một cách đúng đắn thì chúng ta cần hiểu ý nghĩa các thông số quan trọng của máy. Từ đó ta biết sử dụng loại máy nào là phù hợp cho một phép đo cụ thể và kết quả ta thu được chính xác đến mức nào Cuối cùng tôi xin giới thiệu sơ qua một số loại máy hiện có của Cục. Phổ của tín hiệu là gì? - - Phổ tần số của tín hiệu là đồ thị biểu diễn biên độ của tín hiệu (công suất hoặc mức điện áp) tại các thành phần tần số của tín hiệu. Fourier cho chúng ta biết rằng một tín hiệu bất kỳ được tạo ra từ một chuỗi các thành phần sóng sin tại các tần số khác nhau. Nói một cách khác ta có thể thực hiện một phép biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số.  1 X  x(t )e  it dt Công thức fourier liên tục:     2  Công thức khai triển chuỗi Fourier: - So sánh miền thời gian và miền tần số: + Quan sát tín hiệu trong miền thời gian cho ta dạng sóng của tín hiệu theo tg, đối với việc phân tích các tín hiệu dạng xung thì quan sát trong miền thời gian là rất hiệu quả: ta biết được thời gian sườn lên và xuống, đỉnh xung, … + Quan sát tín hiệu trong miền tần số: giúp ta phân tích được các thành phần hài, méo, xuyên điều chế của tín hiệu, băng thông của tín hiệu, … Tại sao ta phân tích phổ của tín hiệu: - Các phép đo chủ yếu khi sử dụng máy phân tích phổ là đo điều chế, đo méo và nhiễu (tạp âm). Vậy ta đo chúng để làm gì? Đo điều chế để xác đinh xem một hệ thống phát tín hiệu hoạt động tốt hay ko? Thông tin truyền từ đầu phát tới đầu thu có bị lỗi hay ko? Qua đo điều chế ta có thể biết được mức điều chế (hệ số điều chế), băng thông của tín hiệu. Trong truyền thông, đo méo, đo xuyên điều chế là cần thiết với cả thiết bị phát và thu. Các hài, các sản phẩm xuyên điều chế nếu vượt quá một mức nhất định có thể gây can nhiễu tới các hệ thống vô tuyến khác hoạt động trên các băng tần lân cận. Mọi mạch điện tích cực đều tạo ra tạp âm, việc xác định tạp âm của một thiết bị là cần thiết để đánh giá hiệu suất của thiết bị. Đối với cơ quan có chức năng quản lý nhà nước về tần số vô tuyến điện như Cục ta việc phân tích phổ của tín hiệu giúp ta xác định các đơn vị, cá nhân sử dụng tần số có sử dụng đúng tần số được cấp phép hay không, băng thông và công suất của tín hiệu có nằm trong giới hạn cho phép hay không? Cấu trúc của máy phân tích phổ đổi tần truyền thống - Với tầm quan trọng của các phép phân tích phổ đã nêu trên, việc hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy phân tích phổ là cần thiết. Có hai loại máy phân tích phổ chính là máy phân tích phổ Fourier và máy phân tích phổ quét (đổi tần) Máy phân tích phổ Fourier số hóa tín hiệu trong miền thời gian tại đầu vào sau đó thực hiện phép biến đổi Fourier nhanh (FTT) để thu được biên độ và pha của tín hiệu trong miền tần số. Máy phân tích phổ quét thực hiện quét dải tần số định trước sau đó đổi tần đối với tín hiệu cao tần tại đầu vào xuống tần số trung tần (thường cỡ 21,4 MHz) sau đó cho hiển thị tất cả các thành phần phổ lọt qua bộ lọc trung tần lên màn hiển thị. Ưu điểm của FA so với SA là tốc độ xử lý cao, hiển thị phổ thời gian thực, có thể hiển thị cả pha của tín hiệu. Các nhược điểm của máy FA so với SA là nó có dải tần hẹp, độ nhạy thu không cao, dải động hẹp. Do thời lượng có hạn và các máy phân tích phổ hiện có của Cục đa số là máy phân tích phổ đổi tần nên phần tiếp theo chúng ta sẽ chỉ trao đổi về máy phân tích phổ đổi tần. Sơ đồ khối máy phân tích phổ đổi tần truyền thống - - Trên slide là sơ đồ khối đã được rút gọn của máy PTP đổi tần truyền thống. Tín hiệu đầu vào đi qua bộ suy hao đầu vào và được lọc bớt các thành phần tín hiệu có tần số cao tại bộ lọc thông thấp, tín hiệu qua bộ lọc được trộn với tín hiệu dao động nội thông qua bộ trộn để đổi tần xuống tần số trung tần, tín hiệu trung tần được khuếch đại và đưa qua bộ lọc thông dải , được khuếch đại hoặc nén theo tỉ lệ log. Sau khi được xử lý thêm bởi bộ tách đường bao và bộ lọc hiển thị thì tín hiệu ra sẽ được hiển thị trên màn. Sơ đồ này cho thấy máy phân tích phổ có cấu trúc tương tự như một chiếc đài AM radio. Chỉ khác ở chỗ, đầu ra của đài là loa còn máy PTP là màn hiển thị. Núm chỉnh tấn số được thay bằng mạch tạo quét. Bộ trộn: - Bộ trộn có nhiệm vụ chuyển tín hiệu đầu vào sang tín hiệu trung tần do đó có thể gọi bộ trộn là bộ đổi tần. - Bộ trộn là một phần tử phi tuyến nên nên tại đầu ra của bộ trộn không chỉ có các thành phần tín hiệu tại đầu vào là fin, fLO mà còn có các thành phần tổng và hiệu của các tín hiệu vào. (một trong các cách tạo bộ trộn là sử dụng diode rồi lấy dòng đầu ra cho chảy qua một điện trở và đo áp trên điện trở đó) Dòng qua diode: qv kT i  I s (e  1) Công thức khai triển thành chuỗi lũy thừa của hàm exp:  xn ex   n 0 n ! Khi x biến thiên trong phạm vị hẹp (tín hiệu nhỏ) ta chỉ cần lấy tới n = 3 là đã thu được kết quả chính xác. Bộ lọc trung tần: - - Bộ lọc trung tần là bộ bộ lọc thông dải, nó lọc lấy tín hiệu trung tần tại đầu ra của bộ trộn là tín hiệu mà ta quan tâm và loại bỏ bớt các thành phần tần số khác. Băng thông của bộ lọc này chính là RBW. Khi ta điều chỉnh RBW chính là ta chỉnh băng thông của bộ lọc này. Bộ lọc trung tần có thể là bộ lọc tương tự hoặc bộ lọc số, dòng PSA sử dụng bộ lọc số còn dòng ESA-E sử dụng cả bộ lọc tương tự và bộ lọc số. Bộ tách đường bao: - Máy phân tích phổ cần chuyển đổi tín hiệu trung tần thành tín hiệu băng cơ bản (baseband) hoặc tín hiệu video để có thể hiển thị trên màn hiển thị nên nó sử dụng bộ tách đường bao. - Ngày nay rất nhiều máy phân tích phổ sử dụng khối hiển thị số (màn LCD) nên chúng số hóa tín hiệu video sau đó sử dụng bộ lọc hiển thị với khá nhiều chế độ ưu việt. + Positive detection: + Nagative detection: + Sample detection: + Nomal detection (rosenfell): Sử dụng kết hợp cả 3 phương pháp dò hiển thị trên để cho ta kết quả hiển thị tốt khi muốn quan sát cả tín hiệu lẫn nhiễu. Bộ lọc hiển thị: - Bộ lọc hiển thị là một bộ lọc thông thấp được đặt phía sau bộ tách đường bao và ngay trước bộ số hóa (trong trường hợp sử dụng phương pháp hiển thị số). Bộ lọc này quyết định băng thông tín hiệu video và nó thường được dùng để mịn hóa bản phổ trên màn hiển thị. Khi giảm băng thông video (VBW) ta có thể giảm sự biến thiên peak to peak của tạp âm, từ đó giúp ta quan sát được các tín hiệu bị lẫn trong nền tạp âm Công thức tính đối với các máy phân tích phổ sử dụng analog filter: ST=k(Span)/RBW2. Bộ dao động nội và bộ tạo quét: - Bộ dao động nội là một bộ dao động được điều khiển bằng điện áp (VCO). Bộ tạo quét vừa điều chỉnh tần số của bộ dao động nội đồng thời là tính hiệu quét dòng trong hiển thị. Bộ suy hao đầu vào và khuếch đại trung tần: - Ngay phía trước của bộ suy hao thường có một mạch lựa chọn AC/DC couple cho đầu vào. Mạch này nhằm chặn thành phần DC của tín hiệu. Nguyên lý hoạt động của máy: - - Dù các khối: bộ suy hao đầu vào, mạch khuếch đại trung tần và bộ lọc hiển thị là các khối quan trọng song để mô tả nguyên lý hoạt động của máy thì có thể bỏ qua các khối này. Đầu tiên, tín hiệu cần phân tích sẽ được đưa tới đầu vào của máy, tín hiệu này được trộn với tần số dao động nội thông qua bộ trộn để chuyển thành tín hiệu trung tần. Tín hiệu trung tần được đi qua bộ lọc trung tần, các tín hiệu ngoài băng của bộ lọc trung tần bị chặn lại. Bộ tách đường bao sẽ tạo ra một mức điện áp tại đầu ra của nó khi có sự tồn tại của tín hiệu sau bộ lọc trung tần. Điện áp này được sử dụng để điều khiển quét hiển thị theo phương thẳng đứng (biên độ) trên màn của máy phân tích phổ. Bộ tạo quét đem lại sự đồng bộ giữa trục ngang (trục tần số) của hiển thị và tần số của bộ dao động nội. Kết quả là trên màn hiển thị ta sẽ có đồ thị biểu diễn biên độ của tín hiệu theo tần số. Cụ thể hơn … Các nội dung trình bày: - Các phần đã trình bày ở trên đã cho ta hiểu cơ bản về phổ tần số của tín hiệu và nguyên lý hoạt động của máy phân tích phổ. Phần tiếp sau đây sẽ trình bày các thông số quan trọng của một máy phân tích phổ. Nó giúp ta có thể hiểu một cách đúng đắn mô tả kỹ thuật của một máy phân tích phổ (hiểu specifications) Từ đó biết cách đánh giá sức mạch của một máy phân tích phổ và lựa chọn loại máy phân tích phổ phù hợp với nhu cầu sử dụng. Vậy các thông số nào của máy là quan trọng? Các thông số quan trọng của máy phân tích phổ: Dải tần: - Trong thông tin vô tuyến chúng ta cần có những máy phân tích phổ có dải tần cao: ví dụ như để phục vụ đo viba, đo hài bậc cao của tín hiệu GSM. Dải tần thấp của máy giúp ta đo tần số băng cơ bản và các tín hiệu trung tần. Các yếu tố quyết định dải tần: - - Ta bắt đầu với cách chọn tần số Trung tần. Giả sử ta có dải tần tín hiệu vào là 0 đến 3 GHz. Ta chọn tần số trung tần là 1 GHz, điều gì sẽ xảy ra? Nếu có sự tồn tại của một tín hiệu có tần số 1GHz thì nó sẽ hiển thị tín hiệu đó trên cả dải tần của màn hiển thị. Vậy fIF=1 GHz không ổn, ta phải chọn fIF nằm ngoài dải tần của tín hiệu đầu vào. Tiếp theo ta chọn fIF là thành phần tổng hay hiệu của fin và fLO? Phải chọn fIF=fLOfin vì fIF=const. Đối với các máy có dải tần đến 3 GHz người ta thường chọn f IF tầng đầu khoảng 3,6 hoặc 3,9 GHz. Độ chính xác về biên độ và tần số: - Thông số thứ 2 mà ta cần quan tâm là độ chính xác về biên độ và tần số. Khi nói về độ chính xác ta cần lưu ý rằng có 2 khái nhiệm về độ chính xác thường được đề cập trong datasheet của máy phân tích phổ đó là độ chính xác tuyệt đối và độ chính xác tương đối. Độ chính xác tuyệt đối được tính đến khi ta thực hiện phép đo trên một tần số hay một mức biên độ. Khi ta thực hiện phép so sánh giữa 2 mức tín hiệu hoặc độ lệch tần giữa hai tín hiệu thì độ chính xác tương đối được quan tâm. Độ chính xác về tần số: - Trong datashet của máy phân tích phổ, độ chính xác về tần số thường được đề cập với tham số: Frequency readout accuracy (độ chính xác tần số khi đọc kết quả từ màn hiển thị) và Marker frequency accuracy (độ chính xác tần số khi sử dụng marker). Các độ chính xác này được tính như công thức trên slide. Độ chính xác về biên độ: - Trong datasheet của hầu hết các máy phân tích phổ đều chỉ ra độ chính xác biên độ tuyệt đối và tương đối. - Khi ta thực hiện phép đo so sánh trên các tính hiệu vào, ta sử dụng một phần tín hiệu nào đó làm tham chiếu để so sánh với các phần tín hiệu còn lại. Ví dụ như khi ta đo méo hài bậc hai, ta sử dụng thành phần tín hiệu gốc làm tham chiếu, giá trị tuyệt đối về biên độ lúc này ko được ta quan tâm, ta chỉ quan tâm xem sự sai khác về biên độ giữa thành phần tín hiệu gốc và hài bậc 2 là bao nhiêu? - Độ chính xác về biên độ khi đo so sánh phụ thuộc vào các yếu tố như: … Độ chính xác biên độ tuyệt đối: - Do khi thực hiện phép đo, ta phải thay đổi tần số và mức tham chiếu nên độ chính xác tuyệt đối phụ thuộc vào các yếu tố như đã nêu trên slide. Một số yếu tố khác ảnh hưởng tới độ chính xác của phép đo: - Trên slide là một số yếu tố gây sai số cho phép đo và một vài yếu tố trong số đó ko phải do bản thân máy phân tích phổ tạo ra. (Lưu ý sửa tiêu đề thành: Một số yếu tố khác có ảnh hưởng…) Các yếu tố quyết định độ phân giải: - Độ phân giải là khả năng phân biệt các thành phần tín hiệu. Như chúng ta đã biết, băng thông bộ lọc trung tần còn được biết đến với khái niệm băng thông phân giải bởi băng thông bộ lọc trung tần và hình dạng của nó quyết định khả năng phân biệt các tín hiệu. - Ngoài Băng thông bộ lọc trung tần thì độ chọn lọc, loại bộ lọc, residual FM và noisebands cũng là các yếu tố ảnh hưởng tới độ phân giải. - Sau đây ta sẽ lần lượt xem xét từng yếu tố. Băng thông phân giải: - Một điều đầu tiên cần lưu ý là một tín hiệu không thể được hiển thị như một đường thẳng hẹp lý tưởng, nó sẽ có một độ rộng nhất định và có dạng hình chuông, hình dạnh này chính là hình dạng của bộ lọc trung tần. Khi ta thay đổi RBW chính là ta thay đổi bề rộng của hình dạng bộ lọc. Trong datasheet của các máy phân tích phổ Agilent giá trị RBW chính là độ rộng bộ lọc trung tần tính từ đỉnh bộ lọc xuống 3 dB, một số hãng khác là 6 dB.