Схематическое представление взаимодействия электромагнитных колебаний с радиотехническим объектом

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 9Следующая ⇒

Сказанное можно выразить в математических терминах [1.12]. Представим входные воздействия как векторы (точки, элементы) некоторого векторного пространства , то есть , а выходные отклики – как векторы (точки, элементы) векторного пространства , то есть . Тогда связь между входными воздействиями и выходными откликами можно выразить как

(1.3.1)

где – системный оператор.

Чтобы задачи были полностью определены, необходимо указать область допустимых входных воздействий и область допустимых выходных откликов.

Названные выше задачи теперь имеют вид:

· Прямая задача прохождения: по заданным и найти на основе (1.3.1).

· Обратная задача прохождения: по заданным и найти согласно уравнению

где – обратный оператор.

· Задача идентификации объекта: по заданным и определить существенные для интересующих нас приложений свойства оператора и, возможно, отнести систему к определенному классу.

Совокупность системного оператора и областей и называется математической моделью системы. Классификацию систем проводят на основании существенных свойств их математических моделей.

Мы видим, что реализация принципа зондирования в аппаратном анализе цепей с общей системно-информационной точки зрения есть задача идентификации радиотехнических цепей.

Планирование измерения по тестированию устройства

Для конкретизации этой задачи требуется еще до проведения непосредственно измерений ответить на многочисленные вопросы, в частности:

· Какие характеристики тестируемого устройства необходимо определить (в зависимости от типа устройства)?

· Какой минимальный набор зондирующих сигналов требуется для определения этих характеристик?

· В каком состоянии и как обустроено должно быть испытываемое устройство во время его зондирования?

· С какой подробностью и точностью должны фиксироваться входные и выходные сигналы для получения характеристик устройства с необходимыми точностями, разрешениями и т.п.?

Не существует однозначных, раз и навсегда заданных ответов на эти вопросы. Приемлемые ответы зависят от планируемого использования испытываемых устройств, внешних требований к ним, их типа и структуры и многого другого. Следовательно, не существует однозначного решения задачи о структуре и алгоритме действия анализатора цепей.

Принцип панорамности

До сих пор принцип зондирования пояснялся на примере некоторого одного сигнала, подаваемого на порт ТУ. В действительности, принцип зондирования почти всегда применяется совместно с принципом панорамности, состоящего в том, что зондирование осуществляется последовательно набором сигналов с различными значениями некоторого параметра.

Для пояснения идеализируем ситуацию и считаем, что сигналы генератора монохроматичные, то есть игнорируем конечность полосы сигнала, помехи, шумы и т.д. Аналоговый монохроматический сигнал имеет вид:

(1.4.1)

то есть имеет аргументом время и три параметра: амплитуду (или мощность ), круговую частоту (или циклическую частоту ), начальную фазу .

Назовем панораму простой, если варьируется только один параметр сигнала, и сложной, если варьируется два или более параметров; непрерывной, если параметр меняется непрерывно, и дискретной, если задается только последовательность изолированных значений параметра; односторонней, если параметр пробегает значения в одном направлении (если не считать быстрого сброса к исходному значению) и двусторонней, если он пробегает значения сначала в одном, затем в другом направлении; симметричной, если у двусторонней панорамы пробеги в одном и другом направлениях одинаковы по времени и набору значений; эквидистантной, если в простой дискретной панораме значения варьируемого параметра отстоят друг от друга на равные расстояния, и неэквидистантной – в противном случае.

По причинам теоретической и технической простоты чаще всего используется простая дискретная односторонняя эквидистантная панорама. В этом случае на порт ТУ поступает последовательность цугов сигнала вида (1.4.1) одинаковой длительностью каждый, но с изменяющимся значением одного параметра от цуга к цугу. Очевидно, можно варьировать или частоту , или мощность ; варьировать начальную фазу бессмысленно, т.к. информативны только разности фаз в разных точках цепи; более того, нет смысла даже контролировать начальные фазы цугов.

При вариации частоты (частотная панорама) генератор зондирующих сигналов вырабатывает последовательность сигналов

каждый длительностью , причем

– число частотных точек,

– шаг перестройки частоты,

– начальная частота диапазона перестройки (частотной панорамы),

– конечная частота этого диапазона,

При вариации мощности (мощностная панорама) генератор зондирующих сигналов вырабатывает последовательность сигналов

каждый длительностью , причем

– число мощностных точек,

– шаг перестройки мощности,

– начальная амплитуда диапазона перестройки амплитуд (мощностной панорамы),

– конечная амплитуда этого диапазона.

Внимательный читатель заметит, что данное выше определение эквидистантной панорамы несовершенно. Действительно, при вариации мощности мы предполагали равномерную сетку амплитуд; но можно было взять равномерную сетку по мощности (то есть по квадрату амплитуд), или по логарифму мощности (то есть равномерную сетку в децибельном масштабе), или по какой-либо другой функции амплитуды и т.д. Ясно, что это разные сетки значений. Если их все считать эквидистантными, то определение эквидистантной панорамы будет таким: панорама эквидистантна, если она простая, дискретная и значения варьируемого параметра или любой однозначной монотонной функции от него отстоят друг от друга на равные расстояния. Такой подход делает эквидистантную панораму более гибкой, что особенно важно для мощностной панорамы.

Несмотря на удобство эквидистантной панорамы, часто применяют неэквидистантную панораму, особенно в мощностном варьировании, необходимость в котором возникает при тестировании нелинейных устройств. Иногда набор частотных или мощностных точек задают таблично. Такая необходимость может возникнуть, например, при тестировании полосового фильтра, когда желательно подробнее изучить рабочую часть полосы, в отличие от остальной ее части; или при необходимости более подробного изучения рабочего диапазона входных мощностей усилителя, в отличие от области сжатия усиления.

Замечание. Хорошо известно, что идеализированная модель (1.4.1) представляет монохроматический сигнал (то есть имеет нулевую полосу частот), только если задана на бесконечном интервале времени. Рассматриваемые выше цуги имеют спектры с конечной полосой частот. Вообще говоря, это может осложнить интерпретацию результатов измерения, например, при частотной панораме. Но на данном этапе рассмотрения проблемы аппаратного анализа цепей мы отложим этот вопрос на будущее, предположив, что длительности цугов достаточно велики, чтобы их полоса, находящаяся к ним в обратной зависимости, была пренебрежима в сравнении с требуемым частотным разрешением анализа цепи.

Обсудим теперь необходимость панорамирования и даваемые им преимущества. Основные тенденции развития радиотехнической аппаратуры – уменьшение габаритов, расширение диапазонов рабочих частот – требуют увеличения объема измерения параметров и характеристик СВЧ элементов трактов. Старые методы измерения параметров цепей с помощью измерительных линий и мостовых измерителей полных сопротивлений могли работать только на фиксированных частотах, что существенно увеличивало трудоемкость измерений и чрезвычайно усложняло отработку и настройку СВЧ узлов. Автоматизация этих измерений и создание панорамной измерительной аппаратуры не только увеличивают производительность, но и повышают качество измерений, так как позволяют визуально наблюдать частотную характеристику измеряемого параметра в широком диапазоне частот в наиболее удобной форме (графики, цифры).

Панорамное наблюдение амплитудных и фазовых характеристик СВЧ устройств в широкой полосе частот позволяет значительно сокращать время их поверки, эффективно осуществлять их широкополосную настройку, способствует прогрессу проектирования СВЧ аппаратуры. В связи с этим особенное значение имеет разработка панорамных измерителей КСВ и ослаблений, измерителей S-параметров одно - и двухпортовых цепей.

Использование сигналов со сложными видами модуляции в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоскопии, радиоастрономии, радиоспектроскопии выдвигает определенные требования к устройствам их приема, передачи и формирования. В зависимости от назначения устройства и места включения его в аппаратуру необходимо контролировать модуль коэффициента передачи, электрическую длину, коэффициент отражения со стороны входа и выхода, или полное сопротивление – составляющие S-параметров. Развитие техники панорамного измерения S-параметров значительно стимулировало внедрение вычислительной техники в область радиоизмерений, так как только на базе измерителей S-параметров могут быть созданы автоматизированные прецизионные системы для измерения параметров СВЧ узлов. Измерители S-параметров обеспечивают автоматическое с высокой точностью измерение:

- комплексных коэффициентов передачи;

- КСВ;

- амплитудно-частотных характеристик;

- фазочастотных характеристик.

Они незаменимы в системах автоматического контроля измерения, управления технологическими процессами, при расчете и конструировании узлов и элементов СВЧ трактов.

Структура анализатора цепей

Как уже отмечалось, не существует однозначного решения задачи о структуре и алгоритме действия анализатора цепей. Тем не менее, в соответствии с логическими концентрами 1.1 – 1.4: особенностями диапазона СВЧ, портовым представлением тестируемых цепей, принципами зондирования и панорамности – структура анализатора цепей проясняется в основных чертах. АЦ должен иметь по крайней мере один генератор зондирующих сигналов; последние должны в определенной последовательности направляться на порты ТУ (или определенным способом воздействовать на цепь, не оборудованную разъемами), а также, как будет пояснено ниже, в опорные каналы; сигналы с выходных портов ТУ (среди которых может быть и входной порт) должны направляться и ответвляться в приемники, где, возможно, частотно преобразуются, усиливаются, детектируются, оцифровываются; аналогичные преобразования совершаются над сигналами в опорных каналах; затем происходит математическая обработка выходных сигналов с целью вычисления необходимых функционалов: отношений амплитуд и разностей фаз измерительных и опорных сигналов, так называемых S-параметров тестируемой цепи и т.д.; кроме того, полученная информация приводится к виду, позволяющему отображать ее на экране монитора, сохранять, транслировать через внешний интерфейс и т.д.

Функциональные блоки АЦ (перечень)

· Cтруктурная схема рис. 1.3.3 подчеркивает принципиальные элементы АЦ: генератор зондирующих колебаний (ГЗК), расщепители мощности, устройства направленного ответвления обратного сигнала, приемники с детекторами, компьютер с дисплеем. Она включает следующие основные блоки (слово «блок» здесь понимается не в конструктивном, а в функциональном смысле):

· Блок источников зондирующих сигналов

· Блок ответвления, разделения и перенаправления сигналов

· Блок приемников

· Блок координации и управления прибором (виртуальный)

· Блок измерительной калибровки и коррекции данных измерения

· Блок математической обработки сигналов и расчетов

· Блок отображения результатов анализа

· Блок внутренней автоматики.

Блок источников

Блок источниковзондирующих сигналов включает один или два генератора зондирующих сигналов, выполненных, в современных условиях, в виде синтезаторов частот. Этот блок может включать систему стабилизации выходной мощности генераторов и другие необходимые устройства. Блок обеспечивает формирование и передачу в различных режимах зондирующих сигналов двух видов:

– цугов монохроматических колебаний в определенных (устанавливаемых) частотных точках или (а) с дискретным частотным панорамированием с устанавливаемыми частотным диапазоном и шагом, (б) с дискретным мощностным панорамированием с устанавливаемыми мощностным диапазоном и шагом; такой вид зондирующих сигналов необходим для характеризации анализируемых линейных и нелинейных цепей в частотной области;

– или (и) последовательности коротких радиоимпульсов эталонной формы с СВЧ заполнением на точной временной сетке; возможно поимпульсное частотное панорамирование заполнения; такой вид зондирующих сигналов необходим для характеризации анализируемых линейных и нелинейных цепей во временной области.

Главные требования к зондирующим сигналам: высокая кратковременная частотная стабильность, определяемая фазовыми шумами генераторов и системой управления ими; стабильность мощности цугов и импульсов.

Блок ответвления, разделения и перенаправления сигналов не локализован пространственно, его элементы находятся в различных трактах. Как следует из названия блока, его элементы выполняют функции:

– ответвления части падающей волны, до ее попадания в порт ТУ, в опорный канал, с целью дальнейшего обеспечения относительных измерений амплитуд и, возможно, фаз; эту функцию выполняют расщепители (cплиттеры), или делители мощности, или направленные ответвители, имеющие взаимные преимущества и недостатки; в двухпортовом АЦ таких ответвителей необходимо два: при зондировании первого порта и при зондировании второго порта;

– разделения падающей (идущей к порту ТУ) и отраженной (идущей от порта ТУ) волн на входе ТУ, с тем чтобы направить отраженную компоненту в приемник отражения; в связи со специальным требованием к так называемой направленности, эту функцию выполняют направленные ответвители или отражательные направленные мосты, имеющие взаимные преимущества и недостатки; в двухпортовом АЦ таких разделителей необходимо два: при зондировании первого порта и при зондировании второго порта;

– перенаправления падающей волны с первого порта ТУ на второй и наоборот, для обеспечения последовательного зондирования двухпортовой цепи с обоих портов; эту функцию выполняет переключатель, к которому предъявляется ряд требований (высокая скорость переключения, большой ресурс, высокая повторяемость коэффициента передачи и его одинаковость для обоих положений переключателя); этим требованиям удовлетворяют твердотельные, но не механические переключатели;

– разделения сигнала единого гетеродина на приемники в случае применения в них супергетеродинирования.

Блок приемников содержит 4 приемника: 2 приемника опорных каналов и 2 приемника измерительных каналов (по одному на зондирование каждого порта ТУ). Иногда производитель АЦ ограничивается одним опорным приемником, что хотя и дает некоторую экономию оборудования и стоимости, ограничивает возможности измерительной калибровки прибора, подвергает измерение дополнительной ошибке за счет неидеальной повторяемости переключателя и т.д. Применяются приемники одного из двух принципиально различающихся типов:

– первый тип – детекторный приемник с широкополосным диодным детектированием, его входная полоса частот должна охватывать весь диапазон панорамного изменения частоты зондирующих сигналов; важнейшие преимущества такого детектора и приемника с таким детектором – экономия стоимости, простота реализации и настройки, удобство тестирования устройств с изменением частоты; важнейшие недостатки – относительно высокая мощность последетекторных шумов вследствие сверхширокополосности, что сильно ухудшает чувствительность и динамический диапазон приемника (последний можно несколько расширить, увеличивая выходную мощность генератора зондирующих сигналов), отсутствие в последетекторном сигнале информации о фазе радиочастотной несущей в додетекторном сигнале; последний недостаток не позволяет применять этот тип детектирования в так называемых векторных анализаторах цепей (ВАЦ), то есть приборах, измеряющих, помимо амплитуд, и фазы сигналов; этот тип детектирования применяется в так называемых скалярных анализаторах цепей (САЦ);

– второй тип – супергетеродинный приемник с постоянной промежуточной частотой (ПЧ), с узкополосным детектированием в тракте ПЧ; такие приемники включают гетеродин, перестраиваемый синхронно с изменением частоты генератора зондирующих сигналов, смеситель и полосовой фильтр в тракте ПЧ (заметим, что в этом приемнике детектора в узком смысле слова вообще нет: после узкополосного фильтра включен АЦП, тракт разветвляется: в одной ветви производится цифровое амплитудное детектирование (корень квадратный из суммы квадратов отсчетов на интервале разрешения), в другой – цифровое фазовое детектирование (арктангенс из отношения средних квадратур)); вместо четырех гетеродинов можно использовать один, разветвляя его сигнал на четыре приемника (в структурной схеме АЦ тогда добавятся устройства разветвления, например, три расщепителя или делителя мощности); важнейшие преимущества такого приемника: (а) большой выигрыш в мощности последетекторных шумов, за счет чего резко улучшается чувствительность, увеличивается динамический диапазон; (б) сохранение в последетекторном сигнале информации о фазе радиочастотной додетекторной несущей; (в) улучшение очистки от гармоник и побочных гармонических сигналов в принимаемом сигнале, важнейший недостаток: значительно большая стоимость приемников, в сравнении с детекторными; хотя этот тип приемников, в принципе, можно применять и в ВАЦ, и в САЦ, последнее не имеет смысла, т.к. к САЦ не предъявляются высокие требования по точности, чувствительности и динамическому диапазону, в частности, из-за вынужденного несовершенства калибровки в отсутствие фазовой информации и стремления к удешевлению прибора; часто на выходах приемников устанавливают аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и дальнейшая обработка сигналов ведется в цифровом виде.

Блок координации и управления прибором (виртуальный) с помощью процессора, операционной системы и сигнальных процессоров выполняет различные наборы функций в зависимости от совершенства, многофункциональности, универсальности и сложности анализатора, в частности:

· управляет генераторами, гетеродинами, приемниками, переключателями, фильтрами, аттенюаторами и т.д.;

· синхронизирует алгоритмы и протоколы;

· формирует частотные, временные, мощностные сетки;

· инициирует и завершает выполнение компьютерных программ;

· контролирует соблюдение количественных условий и параметрических установок.

Блок измерительной калибровки и коррекции данных измерения с помощью процессора и операционной системы может работать в трех режимах: (1) механической калибровки (измерение калибровочных стандартов (эталонов); (2) электронной (автоматической) калибровки; (3) поверки прибора (верификации);

в режиме (1) он выполняет функции:

принимает сообщение о выборе механической калибровки;

· начинает работу по сигналу оператора;

· предлагает на выбор виды и типы механической измерительной калибровки;

· предлагает и проверяет исполнение последовательности калибровочных измерений;

· фиксирует (сохраняет) результаты калибровочных измерений в стандартной протокольной форме;

· по результатам основных и калибровочных измерений рассчитывает и фиксирует скорректированные данные основных измерений;

в режиме (2) он выполняет функции:

· принимает сообщение о выборе электронной калибровки;

· начинает работу по сигналу оператора;

· проверяет «законность» и правильность подключения блока электронной калибровки;

· фиксирует (сохраняет) результаты калибровочных измерений в стандартной протокольной форме;

в режиме (3) он выполняет функции:

· принимает сообщение о выборе верификации;

· начинает работу по сигналу оператора;

предлагает на выбор виды верификационных стандартов;

· предлагает и проверяет исполнение последовательности измерений с верификационными стандартами;

· фиксирует (сохраняет) результаты измерений с верификационными стандартами в стандартной протокольной форме.

Блок математической обработки сигналов

Виртуальный блок математической обработки сигналов и расчетов выполняет часть функций внутреннего процессора АЦ или внешнего компьютера, сопряженного с АЦ, в зависимости от выбранной конфигурации:

· приводит выходные данные приемников к необходимому формату;

· рассчитывает отношения сигнальных и опорных отсчетов;

· рассчитывает функционалы выборочных данных, соответствующие трассовым и временным усреднениям, а также другим операциям.

Блок отображения результатов

Управляет работой монитора (в варианте внутренних процессора и монитора или внешнего компьютера):

· разбивает поле отображения на зоны;

· выбирает вид, форму и режим отображения в каждой зоне (диаграмма Вольперта-Смита, частотная панорама амплитуды или фазы S-параметра в линейном или логарифмическом формате, мощностная панорама и т.п.);

· формирует экранные надписи;

обслуживает систему маркеров и граничных линий.

Виртуальный блок внутренней автоматики реализует некоторую форму внутренней измерительной автоматики определенной сложности: от наиболее простой формы – состояния воспроизведения (устанавливает АЦ в предконфигурированное состояние со всеми необходимыми инструментальными параметрами) до наиболее сложной – тестового программирования (запись нажатий кнопок, усложненные программы, различные интерфейсы с персональными измерительными услугами и т.п.).

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 Следующая ⇒