LABORATORIOTYÖ 2 SPEKTRIANALYSAATTORI Päivitetty: 25/02/2004 MV 2-1
2. SPEKTRIANALYSAATTORI Työn tarkoitus: Työn tarkoituksena on tutustua spektrianalysaattorin käyttöön, sekä oppia tuntemaan erilaisten aaltomuotojen spektrejä. Sisältö: 2.1. Johdanto (s. 2) 2.2. Esiselostustehtävät (s. 4) 2.3. Mittausohjeet (s. 5) 2.1. Johdanto Spektrianalysaattori on yleisnimi laitteelle, joka esittää signaalin taajuustasossa. Spektrianalysaattorin näytöllä y-akselilla esitetään signaalin amplitudi ja x-akselilla taajuus. Matemaattisesti ajatellen spektri saadaan aikatason signaalin Fouriermuunnoksena ja vastaavasti spektrin Fourier-käänteismuunnos on aikatason signaali. Tässä työssä käytettävä spektrianalysaattori on toimintaperiaatteeltaan pyyhkäisevä spektrianalysaattori, jossa mitattava signaali sekoitetaan pyyhkäisevän paikallisoskillaattorin signaaliin. Kulloinkin tutkittavana oleva signaalikomponentti suodatetaan kapeakaistaisella, kiinteällä taajuudella olevalla välitaajuussuodattimella. Esimerkiksi jos paikallisoskillaattorin taajuus on 500 MHz ja välitaajuussuodattimen keskitaajuus 300 MHz, mittaa spektrianalysaattori parhaillaan joko 800 MHz tai 200 MHz taajuutta. Kapeakaistaisen suodattimen äärellisestä päästökaistasta f johtuen alkuperäisen spektrin kaikkia hienorakenteita ei välttämättä saada näkyviin mittaustuloksessa. Mitä kapeampi tämä päästökaista on, sitä paremmin lähekkäiset taajuuskaistat voidaan erottaa toisistaan. Päästökaista f on analysaattorin resoluutio-kaistanleveys. Kaistan kaventuessa erottelukyky siis paranee, mutta mittausaika pitenee. Tällöin tutkittavan signaalin tulee pysyä vakiona, jotta siitä saadaan todellinen kuva taajuustasossa. Pyyhkäisyaika T saadaan yhtälöstä T B = f t m (2.1) missä B on mitattava taajuuskaista, f resoluutiokaistanleveys ja t m mittaupulssin pituus (aikatasossa). Mikäli pyyhkäisyaika T on liian lyhyt (tai f liian kapea tai B liian leveä) signaalin mittauspulssi voi jäädä niin lyhyeksi, ettei signaali läpäise suodattimen päästökaistaa f vääristymättä. Ulostulossa tämä näkyy amplitudin madaltumisena ja erottelukyvyn heikkenemisenä. Optimaalinen resoluutiokaistanleveys tietyllä pyyhkäisyajalla ja mitattavalla taajuuskaistalla saadaan kaavasta B foptimaali = (2.2) T 2-2
Nykyaikaisten spektrianalysaattoreiden toiminta on usein mikroprosessoriohjattua. Prosessori huolehtii analysaattorin toiminta-asetuksista, kuten pyyhkäisyajasta ja suotimien ja vaimentimien toiminnasta. Pyyhkäisyaikaa, resoluutiokaistanleveyttä ja mitattavaa kaistanleveyttä voidaan kaikkia säätää työssä käytettävässä spektrianalysaattorissa. Analysaattoreissa on erityisesti kolme asetusta, jotka on hyvä tietää: CENTER FREQUENCY eli näytön taajuusikkunan keskikohta, SPAN/DIV eli yhden ruudun leveys taajuutena, sekä REFERENCE LEVEL eli jännite- tai tehotaso, jolla signaali yltää näytön ylimmän viivan tasolle. Usein spektrin signaalitaso on ilmaistu desibeliasteikolla, jotta voitaisiin seurata yhtä aikaa voimakkaan signaalin ja heikon taustakohinan käyttäytymistä. Spektrianalysaattoreissa käytetään usein yksikköä dbmv, joka on analysaattoriin sisään tuleva jännite suhteessa 1 mv:iin. Teholle puolestaan käytetään tavallistesti yksikköä dbm, joka on analysaattoriin tuleva teho desibeleinä suhteessa 1 mw:iin. Kohinataso ilmaistaan tyypillisesti muodossa dbv / Hz rms. Analysaattoreiden sisäänmenoimpedanssi on yleensä 50 Ω. Spektrianalysaattoreissa on yleensä myös markkeri, jota käytetään osoittamaan tiettyä kohtaa spektrissä. Markkeria liikuttelemalla saadaan näyttöön esimerkiksi signaalin taajuus ja voimakkuus lukuarvoina tietyssä pisteessä. 2-3
2.2. Esiselostustehtävät 1. Tärkeitä spektrianalysaattoreiden suorituskykyä kuvaavia parametreja ovat mm. erottelukyky ja herkkyys. Määrittele sanoin ja kuvin mitä näillä tarkoitetaan? 2. Laske spektri kanttiaallolle, jonka pulssisuhde on 1/3 siten, että pulssi on 1/3 osaa jaksosta 1 V ja 2/3 osaa 0 V. Jaksonaika on T. Piirrä kuva signaalista aikatasossa ja hahmottele myös sitä vastaava spektri. Mitkä harmoniset komponentit puuttuvat spektristä? (Vertaa pulssisuhteeseen). I vihje: piirrä aikatason signaali siten, että se on parillinen II vihje: laske kertoimet a 0 (signaalin aikakeskiarvo) ja a n. III vihje: päättele kertoimista signaalin sisältämät taajuuskomponentit. 3. Hahmottele spektriviivojen paikat taajuusasteikolla, kun pulssisuhde on a) 1/4 b) 1/5. 2-4
2.3. Mittausohjeet 2.3.1. Tarvittavat laitteet Spektrianalysaattori HP 8590B varustettuna suojasuodattimella sisäänmenossa BNC-banaani-kaapeli ja suojaamatonta johdinta Häiriölähde (näyttö) 2.3.2. Mittaukset 1. Laita spektrianalysaattori välittömästi päälle työpisteeseen tultuasi. Analysaattorin 300 MHz referenssioskillaattorin ryömiminen voi aiheuttaa lämpenemisvaiheessa hankaluuksia. Paina PRESET, jolloin edellisellä käyttökerralla tehdyt erityisasetukset nollautuvat. Spektrianalysaattorin näyttämä nollataajuus (DC) riippuu referenssioskillaattorista ja välitaajuusvahvistimen keskitaajuudesta ja voi olla yli megahertsin verran sivussa todellisesta nollataajuudesta. Todellisen nollataajuuden sijainnin näytön taajuusasteikolla voi tarkistaa esim. valitsemalla näytön keskitaajuudeksi (FREQUENCY center freq) 0 Hz ja taajuusalueeksi (SPAN) 5 MHz. Vaikka analysaattoriin ei ole kytketty mitään signaalia, näkyy todellinen nollataajuus korkeana piikkinä. Piikin taajuuden spektrianalysaattorin taajuusasteikolla voi katsoa valitsemalla ensin PEAK SEARCH tai MKR, ja liikuttamalla sen jälkeen markkeria näytöllä säätöpyörää kääntämällä. Markkerin osoittaman taajuuden voi katsoa analysaattorin näytöltä. DC-piikin taajuuden voi nollata painamalla FREQUENCY freq offset. Tämän jälkeen numeronäppäimillä ja khz- tai MHz-näppäimellä asetetaan vastakkaismerkkisenä se taajuus, jolla DC-piikki taajuusasteikolla on. DC-piikin pitäisi nyt näkyä taajuusasteikon nollataajuudella. Toista toimenpide aina tarvittaessa. (Huomaa kuitenkin, että DC-piikin taajuutta nollattaessa on huomioitava myös mahdollisesti etukäteen asetettu taajuusoffset). 2. Tutki spektrianalysaattorin avulla häiriölähteen (CRT-näyttö) lähettämän häiriön spektriä. Kytke BNC-banaani-kaapeliin suojaamaton johdin siten, että voit mitata häiritseviä sähkökenttiä. Hahmottele valmiiseen vastauslomakkeeseen näytön häiriökentän spektri. Mittaa tämän jälkeen myös häiritseviä magneettikenttiä kytkemällä spektrianalysaattoriin suojattu silmukka-antenni. Hahmottele magneettisten häiriökenttien suhteellinen voimakkuus taajuuden funktiona. Kokeile kenttien vaimenemisnopeutta antennia siirtelemällä. 2-5
B U Magneettisen häiriökentän mittausperiaate. Silmukan johtimien täytyy olla suojattuja jotta sähköisten häiriöiden kytkeytyminen estyisi. 3. Pyydä seuraavaksi assistentilta tutkittavia signaaleja. Signaaleja on tarkoitus tarkastella spektrianalysaattorilla taajuustasossa ja yrittää sen perusteella selvittää miltä ne näyttävät aikatasossa. Assistentti antaa tutkittavat signaalit funktiogeneraattorilta satunnaisessa järjestyksessä. Piirrä jokaisesta signaalista vastauslomakkeelle sekä taajuus- että aikatason esitys. Signaaleja on yhteensä 5 kpl ja ne ovat luonteeltaan seuraavanlaisia: - Siniaalto - Kohinaa - Kanttiaalto, pulssisuhde 1:2 - Kanttiaalto, pulssisuhde 1:N, N selvitettävä - FM-moduloitu signaali; kantoaallon taajuus ja modulointitaajuus selvitettävä 2-6