Динамический диапазон сигнала: Диапазон динамический — что это такое?

Содержание

Что такое динамический диапазон, и какие бывают его разновидности

Односигнальный динамический диапазон по блокированию, Динамический
диапазон по перекрёстным помехам, Динамический диапазон по интермоду-
ляции.

В широком понимании радиотехнической мысли динамический диапазон — это характеристика устройства, выполняющего функцию передачи или преобразованию сигнала, представляющая собой отношение максимального и минимального возможных величин входного сигнала и выраженное в децибельной (логарифмической) единице измерения.

Другими словами — динамический диапазон определяет способность устройства: с одной стороны видеть на выходе обработанный слабый (наименьший) входной сигнал, с другой — обрабатывать сигналы большого уровня с заданным уровнем искажений на выходе.

Нижнюю границу входного сигнала, как правило, определяет чувствительность устройства (не путать с чувствительностью усилителя, при которой достигается номинальная мощность), которая указывает на способность объекта реагировать определённым образом на определённое малое воздействие.


Верхнюю — параметр, называемый точкой децибельной компрессии и равный такой мощности сигнала на входе, при котором отличие изменения уровня мощности на выходе от асимптотической линейной характеристики составляет величину — 1 dB.

А поскольку в последнюю фразу без пол-литра не въедешь, приведу рисунок.


Рис.1

На Рис.1 красным цветом изображена идеальная линейная (асимптотическая) кривая.
Синим — реальная выходная характеристика нашего устройства.
В качестве входных и выходных значений — величины мощностей, соответственно, на входе и выходе.

Пока обе линии располагаются в непосредственной близости друг от друга — всё хорошо, устройство находится в линейном режиме. Как только расхождение выходного параметра от идеальной кривой достигает 1дБ (в нашем случае соответствует уровню входного сигнала -10дБ) — всё расчёт окончен, точка децибельной компрессии найдена.

Формула, описывающая односигнальный динамический диапазон устройства, предельно проста:
D = P1дб — Pвх мин (дб), где P1дб — точка децибельной компрессии, Pвх мин — чувствительность устройства, выраженная в дБ.
Т.е. в случае, приведённом на графике: D = -10дб — (-120дб) — 110дБ .

Наблюдая показания приборов при нахождении точки компрессии, не всегда удобно оперировать понятиями мощности сигнала, да переводить всё это хозяйство в децибелы — тоже. Поэтому для упрощения задачи напишу —

отклонение уровня на 1дБ — это в 1,12 раз по напряжению и в 1,26 раз по мощности.

Ну и, конечно же, формула для определения динамического диапазона при подстановке абсолютных значений сигналов:

И ещё раз:
Uвх макс и Рвх макс — это входные значения, соответствующие точке децибельной компрессии,
Uвх мин и Рвх мин — это напряжение, либо мощность, соответствующие чувствительности агрегата.

А чувствительность агрегата в нашем случае огранена: либо его коэффициентом усиления, либо собственными внутренними шумами, либо и тем и другим одновременно. В целом она равна мощности самого слабого входного сигнала, который, будучи преобразован нашим устройством, выдаёт на-гора выходной уровень, считающийся достаточным для его нормальной фиксации.

А конкретно — этот выходной уровень мы должны распознать на каком-то фиксирующем приборе, либо услышать-увидеть-почувствовать и при этом, он должен быть выше значения собственных шумов нашего девайса.
Насколько выше? Обычно это указывается вместе с показателем чувствительности.
К примеру, чувствительность 10мкВ при соотношении сигнал/шум = 12дБ, означает, что подав на вход сигнал амплитудой 10мкВ, мы на выходе увидим некий отклик, который на 12дБ (т.е. в 3,98 раз по напряжению и 15,85 раз по мощности) будет превышать уровень собственных внутренних шумов нашего устройства.

Описанная динамическая характеристика устройства в первую очередь характеризует его односигнальный динамический диапазон, который определяется методом подачи на вход изучаемого объекта сигнала одной частоты.

Иногда этот параметр в радиотехнике именуется динамическим диапазоном по блокированию и обозначается DD1 или DB1.

Теперь давайте подумаем, что случится, если вдруг подать на вход нашего линейного устройства сигналы двух различных частот. А что случится?
При определённом уровне их амплитуд наше устройство выйдет из линейного режима и сигналы начнут взаимодействовать между собой таким образом, что на выходе вместо двух исходных частот появится сложный сигнал с комбинациями частот (гармоник), зависящих от частоты «родительских» сигналов f1 и f2 согласно следующей формуле:
fгарм = n × f1 ± m × f2, где n и m — это целочисленные коэффициенты, принимающие значения от единицы до неких величин, определяемых частотными свойствами применяемых элементов.

В высокочастотной электронике это свойство может быть использовано для преобразования частот в устройствах, называемых «смеситель».

Однако в линейных схемах — это явление крайне нежелательно, потому как является основной причиной возникновения интермодуляционных искажений.
Эти искажения, в свою очередь, приводят: к появлению побочных каналов приёма/передачи в ВЧ радиотехнике, а в усилителях НЧ — появлению посторонних призвуков. Причём, данный тип искажений гораздо неприятнее на слух, чем банальное амплитудное ограничение сигнала. Источник их появления гораздо сложнее обнаружить, а соответственно и устранить.

Ну вот мы медленно, но верно подобрались к определению понятия «динамический диапазон по интермодуляции«.

Динамическим диапазоном по интермодуляции (Dynamic Range) называется характеристика устройства, показывающая его способность противостоять продуктам нелинейного взаимодействия двух или более сигналов. Обозначается —

DD3 или DB3.
Другими словами — параметр DB3 характеризует допустимую величину двух сигналов с различными частотами f1 и f2, действующих одновременно на входе устройства, при которой ещё не возникает продукт их взаимодействия (вернее, когда уровень этого продукта не превышает заданного параметра — RFrx). И определяется как отношение, выраженное в дБ, общей мощности этих сигналов к чувствительности устройства.

Измерение динамического диапазона по интермодуляции (DB3) — дело не такое простое, как измерение односигнального DB1. Процесс это сводится к определению суммарной величины, так называемых, продуктов 3-го порядка с частотами 2f1 ± f2, 2f2 ± f1. Приведу формулу для вычисления динамического диапазона:

DB3 = 2/3 × IP3 — Pвх мин (дб), где IP3 — точка пересечения линии уровня интермодуляционных составляющих 3-го порядка на графике передаточной характеристики, а Pвх мин — чувствительность, выраженная в дБ и определяемая собственными шумами устройства.


Рис.2

На Рис.2 красным и синим цветами изображены знакомые нам по Рис.1 динамические характеристики: идеальная и характеристика основных частот входных сигналов (f1 и f2).
Чёрным цветом показана кривая интермодуляционных продуктов 3-го порядка с частотами 2f1 ± f2 и 2f2 ± f1. Данная кривая возрастает в 3 раза быстрее (в децибельном выражении) чем идеальная, поэтому теоретически в некоторой точке эти линии должны сойтись, обозначая точку пересечения по интермодуляции третьего порядка (IP3).

Будучи теоретической — эта точка никогда не может быть достигнута на практике, поскольку смеситель войдёт в режим компрессии сигнала раньше, чем эта точка будет достигнута.

Нахождение данной точки (IP3) — задача не такое простая, как измерение односигнального DB1. Поэтому для облегчения жизни радиолюбителя вводятся некоторые допущения, основанные, исходя из практического опыта. А именно:
В общем случае обычно отмечается, что связь между точкой компрессии 1 дБ и точкой пересечения 3-го порядка, приведённой к входу, имеет вид: IP3 = P1дб + (10…15)дб.
А учитывая, что односигнальный динамический диапазон DB1 описывается формулой:
DB1 = P1дб — Pвх мин (дб), а DB3 = 2/3 × IP3 — Pвх мин (дб), то на основании всех трёх формул можно вывести простую пропорцию:

DB3 = 2/3 × (DB1 + (10. ..15)дб).

Посчитаем. Если односигнальный динамический диапазон по блокированию DB1 равен 110дБ, то:
DB3 ≈ 2/3 × (110дБ + 10дБ) = 80дБ.
Всё — расчёт окончен! Именно на эту величину динамического диапазона по интермодуляции и следует ориентироваться, так как именно она в значительной степени определяет качественные показатели как НЧ, так и ВЧ оборудования!

И напоследок — ещё одна динамическая характеристика, достойная определённого внимания по большей части в радиосвязи — Динамический диапазон по перекрёстным помехам (DD2 или DB2).
Характеристика эта важна в основном для устройств, осуществляющих приём однополосных (SSB) сигналов и определяет степень подавления мощных станций, работающих с АМ модуляцией и расположенных по соседству.

Перекрёстные искажения возникают в УВЧ и преобразователях частоты приёмников при воздействии на эти элементы модулированного мешающего сигнала с частотой, близкой к значению частоты настройки основного канала приёма, например, на частоте соседнего канала.

Процесс измерения этого параметра подобен предыдущему описанию и сводится к определению величины продуктов 2-го порядка с частотами (f1 ± f2) и нахождению точки интермодуляции (IP2) посредством построения такого же графика.
Кривая интермодуляционных продуктов 2-го порядка растёт медленнее, чем 3-го (всего лишь в 2 раза быстрее идеальной передаточной характеристики), а потому и точка пересечения, обозначающая значение IP2, находится дальше от начала координат.

Благодаря «Справочнику радиолюбителя — коротковолновика» под авторством уважаемых С. Бунина и Л. Яйленко, вполне можно довериться компромиссной формуле: DB2 ≈ DB1 — 20 dB, что в нашем случае будет соответствовать 90дБ.

 

Основы анализа спектра. Дисплейный диапазон и диапазон измерений. Измерение мощности в смежных каналах

 
ENG  УКР  РУС

Поиск на сайте:

Если Вы не нашли нужный прибор, обратитесь в наш офис — наше предложение значительно шире представленного на сайте. Мы Вам поможем!!!


«Юнитест» предлагает оборудование таких производителей:
Keysight Technologies
(Agilent Technologies)
Viavi (JDSU)
Oscilloquartz
A. H.Systems
Aaronia AG
AEA Technology
Bentham
Elektronika
EM Test
ETS-Lindgren
FETEST
(Frederick Engineering)
Fluke
Fluke Networks
Fujikura
FiberFox
Hindar Electronics
Ilsintech
Photom (Haktroniсs)
Pontis EMS
Radiodetection
Schwarzbeck
Siglent
Teseq

Аренда оборудования
Услуги тестирования спектра, фидеров, базовых станций, IP и Triple Play сетей.

Измерительная техника для образовательных учреждений
Дополнительные скидки от 10 до 30 процентов для учебных заведений на оборудование Keysight Technologies.

Новости
Акции
Предлагаемые скидки
Новые возможности приборов и учебные материалы
Вакансии
Изготовление фильтров

Подписка на новости:
теория, стандарты, новое оборудование, акции.

 

 

Основы анализа спектра

Страница: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Глава 6

Динамический диапазон

Определение
Динамический диапазон обычно понимают, как возможность анализатора измерять гармонически связанные сигналы и взаимодействия двух или более сигналов; например, измерять вторые и третьи гармонические искажения или интермодуляции третьего порядка. Имея дело с подобными измерениями, нужно помнить, что входной смеситель анализатора спектра — устройство нелинейное, и поэтому всегда генерирует собственные искажения. Для нелинейности смесителя имеется причина. Он должен быть нелинейным, чтобы преобразовывать входной сигнал на желаемую ПЧ. Но нежелательные продукты искажения, генерируемые в смесителе, попадают на те же частоты, на которых находятся те продукты искажений, которые мы желаем измерить для изучения входного сигнала.
Поэтому мы можем определить динамический диапазон следующим образом: это есть отношение, выраженное в дБ, наибольшего и наименьшего сигналов, одновременно присутствующих на входе анализатора спектра, которое допускает измерение наименьшего сигнала с заданной степенью погрешности.
Заметим, что точность измерения есть часть определения. Ниже мы увидим, как внутренний шум и искажение влияют на точность.

Динамический диапазон в зависимости от внутренних искажений
Чтобы определить динамический диапазон в функции искажения, мы должны вначале точно определить поведение входного смесителя. Большинство анализаторов, в частности те, что применяют гармоническое смешение для расширения своего диапазона настройки1, используют диодные смесители. Другие типы смесителей ведут себя подобным же образом.
Ток через идеальный диод можно выразить так:

i = IS(eqv/kT-1),

где IS — ток насыщения диода
q — заряд электрона (1.6 х 10-19 К),
v — мгновенное напряжение,
k — постоянная Больцмана (1.38 х 10-29 Джоуля/°К),
T — абсолютная температура в градусах Кельвина.

Мы можем разложить это выражение в ряд:

i = IS(k1v + k2v2 + k3v3 + …),

где k1=q/kT,
k2=k12/2!,
k3=k13/3!, и т. д.

Приложим теперь к смесителю два сигнала. Один будет входной сигнал, который мы хотим анализировать, другой — сигнал гетеродина, необходимый для перевода сигнала на ПЧ:

v = VLOsin(ωLOt) + V1sin(ω1t).

Легко математически найти желаемый продукт смешения на промежуточной частоте:

k2VLOV1cos[(ωLO — ω1)t].

Кроме того, генерируется другой член:

k2VLOV1cos[(ωLO + ω1)t],

но когда мы обсуждали уравнение настройки, мы обнаружили, что хотим иметь частоту гетеродина выше ПЧ, поэтому частота ωLO + ω1 также всегда выше ПЧ.

При постоянном уровне гетеродина выход смесителя линейно соответствует уровню входного сигнала. На практике это верно до тех пор, пока входной сигнал более чем на 15 — 20 дБ ниже уровня гетеродина. Здесь есть также члены, включающие гармоники входного сигнала:

(3k3/4)VLOV12sin(ωLO — 2ω1)t,

(k4/8)VLOV13sin(ωLO — 3ω1)t, и т.д.

Эти члены говорят нам, что динамический диапазон благодаря внутренним искажениям есть функция уровня сигнала на входе смесителя. Посмотрим, как это работает, используя для нашего определения динамического диапазона разность в дБ между фундаментальной частотой и внутренне генерируемым искажением.
Аргумент синуса в первом члене включает 2ω1, поэтому он представляет вторую гармонику входного сигнала. Уровень этой гармоники есть функция квадрата амплитуды фундаментальной частоты, V12. Этот факт говорит нам, что на каждый дБ сигнала на фундаментальной частоте приходится два дБ второй гармоники. См. Рис. 6-1. Второй член включает 3ω1, третью гармонику, пропорциональную кубу амплитуды входного сигнала, V13. Поэтому на 1 дБ изменения на фундаментальной частоте на входе смесителя приходится 3 дБ изменения внутренне генерируемой третьей гармоники.
Искажение часто описывается его порядком. Порядок можно определить обозначением коэффициента, связанного с частотой сигнала, или показателем экспоненты, связанной с амплитудой. Поэтому искажение типа второй гармоники есть искажение второго порядка, а третья гармоника — искажение третьего порядка. Порядок также показывает изменение внутренне генерируемого искажения относительно изменения на фундаментальной частоте, которая создает это искажение.

Теперь добавим второй входной сигнал:

v = VLOsin(ωLOt) + V1sin(ω1t) + V2sin(ω2t).

На этот раз можем получить математически:

(k4/8)VLOV12V2cos[ωLO — (2ω1 — ω2)]t,

(k4/8)VLOV1V22cos[ωLO — (2ω2 — ω1)]t, и т. д.

Рисунок 6-1. Изменение уровней фундаментальных тонов в смесителе

Здесь представлено интермодуляционное искажение, получаемое при взаимодействии каждого из двух входных сигналов с другим. Низший продукт искажения, на частоте 2ω12, попадает ниже ω1 на разностную частоту сигналов ω21. Более высокий продукт искажения, 2ω21 попадает выше частоты ω2 на ту же разность. См. Рис. 6-1.
Снова напомним, что динамический диапазон есть функция уровня сигналов на входе смесителя. Внутренне генерируемые искажения изменяются как продукты V12 и V2 в первом случае, как продукты V1 и V22 — во втором случае. Если V1 и V2 имеют одинаковые амплитуды, обычный случай при проведении теста на искажения, мы можем трактовать их продукты как кубические члены (V13 или V23). Поэтому для каждого дБ одновременного изменения двух входных сигналов, будет 3 дБ изменения компонент искажения, как показано на Рис. 6-1.

Это та же степень изменения, которую мы видели по третьей гармонике искажения. И это, на самом деле, тоже искажение третьего порядка. В этом случае мы можем определить степень искажения, суммируя коэффициенты при ω1 и при ω2 (т. е. 2ω1-1ω2 дает 2+1=3) или показатели экспонент при V1 и при V2.

Все это говорит о том, что динамический диапазон зависит от уровня сигнала на смесителе. Откуда мы знаем, какой уровень необходим на смесителе для проведения конкретного измерения? В документацию на большинство анализаторов включаются графики, чтобы сказать нам как меняется динамический диапазон. Однако если никаких графиков нет, мы можем построить свои собственные2.

Нам нужна отправная точка, и ее мы можем получить из документации. Вначале посмотрим на искажения второго порядка. Предположим, что в документации указано, что искажения за счет второй гармоники на 75 дБ ниже для сигнала на смесителе, составляющего -40 дБм. Поскольку измерение искажения относится к относительным измерениям, и (по крайней мере, в данный момент) мы называем динамическим диапазоном разность в дБ между главной модой или модами и внутренне генерируемым искажением, мы получили нашу отправную точку. Внутренне генерируемое искажение второго порядка лежит на 75 дБ, поэтому мы можем измерить искажение на уровне 75 дБ. Наносим эту точку на график, где по осям нанесены искажения (дБн) — по вертикальной оси, в функции уровня на смесителе (уровень на входном разъеме минус установка входного аттенюатора). См. Рис. 6-2. Что случится, если уровень на смесителе упадет до -50 дБм? Как отмечено на Рис. 6-1, для каждого дБ изменения уровня входа смесителя на фундаментальной частоте будет 2 дБ изменения внутренне генерируемой второй гармоники. Но для измерительных целей мы интересуемся только относительным изменением, то есть тем, что случится с нашим измерительным диапазоном. В этом случае, для каждого дБ, на который сигнал фундаментальной частоты изменится на смесителе, измерительный диапазон изменится также на 1 дБ. Тогда в нашем примере со второй гармоникой, когда уровень на смесителе изменится от -40 дБм до -50 дБм, внутренние искажения, а значит, измерительный диапазон, изменятся от -75 дБн до -85 дБн. Действительно, эти точки попадают на линию с наклоном 1, которая описывает динамический диапазон для любого входного уровня на смесителе.

Мы можем построить подобную линию и для искажения третьего порядка. Например, в документации указано, что искажения третьего порядка, скажем, -85 дБн для уровня -30 дБм на этом смесителе. Снова, это наша начальная точка, и мы отметим на графике точку, показанную на Рис. 6-2. Если мы теперь снизим уровень на смесителе до -40 дБм, что случится? Обращаясь снова к Рис. 6-1, мы видим, что и искажение, связанное с третьей гармоникой, и интермодуляционное искажение третьего порядка падают на 3 дБ за каждый дБ, на который падает сигнал на основной моде. И снова нам важна только разность. Если уровень на смесителе изменяется от -30 дБм до -40 дБм, разность между сигналом основной моды или мод и внутренне генерируемым искажением изменяется на 20 дБ. Так что величина внутреннего искажения будет -105 дБн. Эти две точки попадают на линию, имеющую наклон 2, давая нам производительность третьего порядка для любого уровня на смесителе.

Рисунок 6-2. Динамический диапазон в зависимости от искажений и шума

Иногда производительность третьего порядка дается в терминах TOI (Third Order Intercept, перехват третьего порядка). Это уровень на смесителе, при котором внутренне генерируемое искажение третьего порядка должно быть равным фундаментальному, или 0 дБн. Эта ситуация невозможна на практике, поскольку при этом смеситель должен быть глубоко в насыщении. Однако с математической точки зрения TOI есть исключительно удобная точка, поскольку мы знаем наклон линии. Поэтому даже с TOI как стартовой точкой мы можем определить степень внутренне генерируемых искажений на данном уровне входа смесителя.

Мы можем рассчитать TOI из информации, указанной в документации прибора. Поскольку динамический диапазон третьего порядка меняется на 2 дБ на каждый дБ изменения уровня на фундаментальной частоте на смесителе, мы получим TOI, вычитая половину указанного в спецификации динамического диапазона в дБ из уровня на фундаментальной частоте:

TOI = Afund — d/2

где Afund — уровень на фундаментальной частоте в дБм,
d — разность в дБ между уровнем на фундаментальной частоте и уровнем искажения.

Используя величины из выше проведенного обсуждения, получаем:

TOI = -30 дБм — (-85 дБн)/2 = +12.5 дБм.

Проверка аттенюатором
Понимание графика искажений важно, но мы можем провести несложную проверку для определения того, являются ли отображаемые искаженные компоненты истинными входными сигналами, или внутренне генерируемыми сигналами. Измените входное ослабление. Если отображаемая величина искаженных компонент останется той же, компоненты есть часть входного сигнала. Если отображаемая величина изменилась, искаженные компоненты есть внутренне генерируемые или сумма внешних и внутренне генерируемых сигналов. Продолжаем изменять ослабление до тех пор, пока отображаемое искажение не перестанет изменяться, и затем завершаем измерение.

Шум
Есть и другое ограничение динамического диапазона, и это — нижняя шумовая граница нашего анализатора. Возвращаясь к нашему определению динамического диапазона как отношения наибольшего и наименьшего измеряемого сигналов, понимаем, что средний шум устанавливает предел наименьшему сигналу. Поэтому динамический диапазон как функция шума становится отношением сигнал/шум, в котором сигнал фундаментальной частоты становится тем объектом, искажение которого мы хотим измерить.

Нанести шум на график динамического диапазона довольно просто. Например, предположим, что в документации на анализатор его отображаемый средний шум задан спецификацией в -110 дБм в полосе разрешения 10 кГц. Если наш сигнал на фундаментальной частоте имеет уровень -40 дБм на смесителе, то это на 70 дБ выше среднего шума, поэтому мы имеем отношение сигнал/шум 70 дБ. На каждый дБ, на который мы снижаем уровень сигнала на смесителе, мы теряем 1 дБ отношения сигнал/шум. Наша шумовая кривая есть прямая линия, имеющая наклон -1, как показано на Рис. 6-2.

Если мы пренебрежем соображениями точности измерения на какое-то время, то наилучший динамический диапазон будет на пересечении надлежащей кривой искажения и кривой шума. Рис. 6-2 показывает нам, что наш максимальный динамический диапазон для искажений второго порядка есть 72. 5 дБ; для третьего порядка искажений — 81.7 дБ. На практике пересечение кривых шума и искажения не является четко определенной точкой, потому что шум дает вклад в продукты искажения, снижая динамический диапазон на 2 дБ при использовании логарифмического масштаба с логарифмическим усреднением.

На Рис. 6-2 показан динамический диапазон для одной полосы разрешения. Мы, конечно, можем улучшить динамический диапазон путем сужения полосы разрешения, но здесь нет взаимно однозначного соответствия между сниженным шумовым уровнем и улучшением динамического диапазона. Для искажения второго порядка улучшение есть половина изменения шумового уровня; для искажения третьего порядка улучшение есть две трети изменения шумового уровня. См. Рис. 6-3.

Рисунок 6-3. Уменьшение полосы разрешения улучшает динамический диапазон

Финальный фактор динамического диапазона — это фазовый шум гетеродина анализатора спектра, и он влияет только на измерения искажений третьего порядка. Например, предположим, что мы проводим измерения двухтоновых искажений третьего порядка на усилителе, и наши тестовые частоты разделены на 10 кГц. Компоненты искажений третьего порядка будут отделены от тестовых частот также на 10 кГц. Для этих разрешений мы можем использовать полосу разрешения в 1 кГц. Глядя на Рис. 6-3, и допуская уменьшение шумовой кривой на 10 дБ, мы обнаружим максимальный динамический диапазон порядка 88 дБ. Предположим, однако, что на отстройке в 10 кГц наш фазовый шум всего -80 дБн. Тогда 80 дБ становятся непреодолимым ограничением динамического диапазона для нашего измерения, как показано на Рис. 6-4.

Рисунок 6-4. Фазовый шум может ограничить проведение проверки интермодуляции третьего порядка

Окончательно, можно сказать, что динамический диапазон анализатора спектра ограничен тремя факторами: искажением преобразования, выполняемого входным смесителем; широкополосным шумовым уровнем (чувствительностью) системы и фазовым шумом гетеродина.

Динамический диапазон в зависимости от погрешности измерений
В наших предыдущих обсуждениях амплитудной точности мы рассматривали только те пункты, которые перечислены в Табл. 4-1, плюс рассогласование. Мы не обсудили возможности того, что внутренне генерируемый продукт искажения (синусоида) может быть на той же частоте, что и внешний сигнал, который мы хотим измерить. Однако внутренне генерируемые компоненты искажений попадают точно на те же частоты, что и искаженные компоненты, которые мы хотим измерить на внешних сигналах. Проблема здесь в том, что нет способа узнать фазовые соотношения между внешними и внутренними сигналами. Поэтому мы только можем определить потенциальный диапазон неопределенности:

Погрешность (в дБ) = 20 log(1±10d/20),

где d — разность в дБ между наибольшей и наименьшей синусоидами (отрицательное число).

Взглянем на Рис. 6-5. Например, если мы обеспечим условия, когда внутренне генерируемое искажение равно по амплитуде искажению на входящем сигнале, ошибка измерения может быть от +6 дБ (два сигнала точно в фазе) до минус бесконечности (два сигнала точно в противофазе и поэтому взаимно уничтожаются). Подобная неопределенность в большинстве случаев неприемлема. Если мы установим лимит на измерительную неопределенность в ±1 дБ, то Рис. 6-5 показывает нам, что внутренне генерируемый искажающий продукт должен быть примерно на 18 дБ ниже искажающего продукта, который мы хотим измерить. Чтобы построить кривые динамического диапазона для измерений второго и третьего порядка с погрешностью измерения не более чем 1 дБ, мы должны сместить кривые на Рис. 6-2 на 18 дБ, как показано на Рис. 6-6.

Рисунок 6-5. Погрешность в зависимости от разности амплитуд двух синусоид одной частоты

Далее рассмотрим погрешность из-за низкого отношения сигнал/шум. Компоненты искажения, которые мы хотим измерить, есть, как мы надеемся, низкоуровневые сигналы, и часто они находятся на шумовом уровне анализатора или близки к нему. В подобных случаях мы обычно используем видео-фильтр, чтобы сделать эти низкоуровневые сигналы более различимыми. Рис. 6-7 показывает ошибку отображаемого уровня сигнала как функцию отношения отображаемый сигнал/шум для типичного анализатора. Заметим, что ошибка имеется только в одном направлении, поэтому мы можем корректировать ее. Однако обычно мы не делаем этого. Поэтому для измерения динамического диапазона, примем, что ошибка за счет шума составляет 0.3 дБ, и сместим шумовую кривую на 5 дБ, как показано на Рис. 6-6. Там, где кривая искажения и шумовая кривая пересекаются, максимально возможная ошибка должна быть менее 1.3 дБ.

Рисунок 6-6. Динамический диапазон для максимальной погрешности 1.3 дБ

Посмотрим, что случится с динамическим диапазоном в результате нашей обеспокоенности погрешностью измерений. Как показано на Рис. 6-6, динамический диапазон искажения второго порядка изменяется с 72.5 дБ до 61 дБ, с разницей в 11.5 дБ. Это — половина полного сдвига двух кривых (18 дБ для искажения, 5 дБ для шума). Искажение третьего порядка изменяется с 81. 7 дБ до примерно 72.7 дБ с разницей примерно в 9 дБ. В этом случае изменение — это одна треть от 18-дБ сдвига кривой искажения плюс две трети от 5-дБ сдвига кривой шума.

Рисунок 6-7. Погрешность отображаемой амплитуды сигнала из-за шума

Сжатие (компрессия) усиления
При обсуждении динамического диапазона мы до сих пор не задумывались, насколько точно отображается большая мода, даже на относительной основе. При увеличении уровня входного синусоидального сигнала, уровень сигнала на входе смесителя, в конце концов, становится настолько высоким, что желаемый выходной продукт смешения уже не изменяется линейно по отношению к входному сигналу. Смеситель достигает насыщения и отображаемая амплитуда сигнала становится слишком мала. Насыщение — процесс скорее постепенный, нежели мгновенный. Чтобы помочь нам оставаться за рамками условий насыщения, обычно устанавливается точка сжатия 1 дБ. Обычно подавление усиления начинается при уровне смесителя* в диапазоне от -5 до +5 дБм. Поэтому мы можем определить установку входного аттенюатора для проведения точного измерения сигналов высокого уровня3. Анализаторы спектра с цифровой секцией ПЧ в случае выхода за рамки диапазона АЦП выведут на экран сообщение о перегрузке ПЧ.

На самом деле, существуют три различных метода оценки компрессии. Традиционный метод, называемый CW-сжатием, измеряет изменение усиления прибора (усилителя, или смесителя, или системы), когда мощность входного сигнала увеличивается. Это тот метод, что только что был описан. Отметим, что точка CW-сжатия значительно выше, чем уровни первых мод, указанные выше даже для динамического диапазона средней величины. Поэтому мы были правы, когда не волновались по поводу возможного сжатия больших сигналов.

Второй метод, названный двухтоновой компрессией, измеряет изменение системного усиления для малых сигналов, пока мощность больших сигналов увеличивается. Двухтоновая компрессия применяется при измерении многих CW-сигналов, таких как сигналы боковой полосы и независимые сигналы. Порог компрессии этого метода обычно на несколько дБ ниже, чем таковой в методе CW. Этот метод используется фирмой Agilent Technologies для определения компрессии усиления анализаторов спектра.

Третий метод, называемый импульсной компрессией, измеряет изменение системного усиления узкого (широкополосного) радиочастотного импульса, когда мощность импульса увеличивается. Когда измеряются импульсы, мы часто используем полосу разрешения намного более узкую, чем полоса импульса, поэтому наш анализатор отображает уровень сигнала гораздо ниже пиковой мощности импульса. В результате, мы можем не знать о том, что полная мощность сигнала выше порога компрессии смесителя. Высокий порог улучшает отношение сигнал/шум для высокомощного ультра-узкого импульса или широко «чиркающего» импульса. Порог при этом примерно на 12 дБ выше, чем для двутоновой компрессии в анализаторах Agilent 8560EC. Тем не менее, поскольку различные механизмы влияют на CW, двутоновый и импульсно-компрессионный методы по-разному, любой компрессионный порог может быть ниже, чем какой-то другой.

Дисплейный диапазон и диапазон измерений
Есть два дополнительных диапазона, которые часто путают с динамическим диапазоном: дисплейный диапазон и измерительный диапазон. Дисплейный диапазон, часто называемый дисплейным динамическим диапазоном, относится к калиброванному амплитудному диапазону дисплея анализатора. Например, дисплей с десятью делениями будет, очевидно, иметь дисплейный диапазон 100 дБ, когда мы выбираем 10 дБ на деление. Это абсолютно верно для современных анализаторов с цифровой секцией ПЧ, например, приборов серии PSA. Это также верно и для серии ESA-E при использовании узких (от 10 до 300 Гц) полос разрешения. Однако, анализаторы спектра с аналоговой секцией ПЧ обычно калибруются лишь на первые 85 или 90 дБ вниз от опорного уровня. В этом случае нижняя линия сетки обозначает сигнал с нулевой амплитудой, поэтому нижняя часть дисплея представляет собой область диапазона от -85 или -90 дБ до минус бесконечности относительно опорного уровня.

Другой ограничивающий фактор, в случае анализаторов с аналоговой частью ПЧ — это диапазон логарифмического усилителя. Например, в приборах серии ESA-L используется 85-дБ логарифмический усилитель. Поэтому калибровка может быть проведена только для измерений до 85 дБ вниз от опорного уровня.
Вопрос состоит в том, можем ли мы в полной мере использовать дисплейный диапазон? Из проведенного выше обсуждения динамического диапазона мы знаем, что в общем случае ответ «да». На самом деле, динамический диапазон часто даже превосходит дисплейный диапазон или диапазон логарифмического усилителя. Чтобы перевести меньшие сигналы на калиброванную область дисплея, мы должны увеличить усиление ПЧ. Но при этом мы двигаем большие сигналы за верхний предел дисплея, выше опорного уровня. Некоторые анализаторы фирмы Agilent — например, приборы серии PSA, — позволяют провести измерения сигналов, вышедших за пределы опорного уровня, без изменения точности, с которой отображаются меньшие сигналы. Это показано на Рис. 6-8. Поэтому мы действительно можем пользоваться преимуществом полного динамического диапазона анализатора даже тогда, когда динамический диапазон превосходит дисплейный диапазон. На Рис. 6-8, несмотря на то, что опорный уровень изменился с -8 дБм до -53 дБм, и сигнал ушел далеко за верхний предел экрана, показания маркера не изменились.

Рисунок 6-8. Дисплейный диапазон и диапазон измерений прибора серии PSA

Измерительный диапазон есть отношение наибольшего сигнала к наименьшему сигналу, которые можно измерить в любых обстоятельствах. Верхний предел определяется максимально безопасным входным уровнем, +30 дБм (1 Ватт) для большинства анализаторов. У этих анализаторов есть входные аттенюаторы, которые могут устанавливаться до 60 или 70 дБ, так что мы можем уменьшать сигналы уровня +30 дБм до уровня, существенно более низкого, чем точка компрессии входного смесителя, и качественно измерять их. Отображаемый средний уровень собственных шумов устанавливает противоположный предел диапазона. В зависимости от минимальной полосы разрешения конкретного анализатора, уровень собственных шумов обычно лежит в диапазоне от -115 дБм до -170 дБм. Таким образом, измерительный диапазон может варьироваться в пределах от 145 дБ до 20 дБ. Конечно, мы не можем видеть сигнал -170 дБм, пока сигнал +30 дБм также присутствует на входе.

Измерение мощности в смежных каналах
TOI, SOI, 1-дБ подавление усиления и отображаемый средний уровень собственных шумов — все это классические меры показателей анализатора спектра. Однако, с неимоверным развитием цифровых систем связи, и другие меры динамического диапазона становятся не менее важными. Например, при измерении мощности смежных каналов, которое часто проводится для систем связи с CDMA основой, необходимо определить количество мощности сигнала, просачивающейся или «выплескивающейся» в смежные или посторонние каналы, расположенные до и после несущей. Пример такого измерения показан на Рис. 6-9.

Рисунок 6-9. Измерение мощности в смежном канале при помощи анализатора серии PSA

Обратите внимание на различия в амплитудах мощности несущей и смежных каналов. Одновременно может быть измерено до шести каналов с каждой стороны от несущей. Обычно нас интересует относительное различие между мощностью сигнала в главном канале и мощностью сигнала в смежном или постороннем канале. В зависимости от конкретного стандарта связи, эти измерения часто именуют тестами коэффициента мощности смежного канала или коэффициента утечки смежного канала. Поскольку сигналы с цифровой модуляцией, а также генерируемые ими искажения, по своей природе очень шумоподобны, производственные стандарты обычно определяют еще и полосу канала, по которой интегрируется мощность сигнала.
Чтобы точно измерить показатель мощности в смежных каналах у исследуемого устройства (например, усилителя мощности), показатель мощности в смежных каналах самого анализатора должен быть лучше, чем у ИУ. Поэтому коэффициент мощности смежного канала динамического диапазона анализатора спектра нынче является ключевым параметром для измерений цифровых систем связи.



1 см. Главу 7 Расширение частотного диапазона.
2 Более подробно о том, как построить собственные графики динамического диапазона, см. документ Agilent PSA Performance Spectrum Analyzer Series Product Note, Optimizing Dynamic Range for Distortion Measurements.
3 Многие анализаторы внутренне контролируют комбинированную установку входного аттенюатора и усиления по ПЧ, так что появление на входе смесителя сигнала, равного уровню сжатия, создает отражение от верхней линии масштабной сетки. Поэтому мы не можем нечаянно провести неправильные измерения.
* прим. ред. по сигнальному порту смесителя

Страница: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16


 

Основы радиолокации — Основные принципы радиолокации

Динамический диапазон приемника

точка
предельной
чувствительности

точка
начала
насыщения

Рисунок 1. Так называемая кривая калибровки приемника: выходной сигнал приемника (по оси Y) как функция от его входного сигнала (по оси Х). Разница между абсциссой точки, в которой начинается насыщение приемника, и абсциссой точки, соответствующей чувствительности приемника, есть динамический диапазон приемника в децибелах (здесь: 118 — 96 = 22 дБ)

точка
предельной
чувствительности

точка
начала
насыщения

Рисунок 1. Так называемая кривая калибровки приемника: выходной сигнал приемника (по оси Y) как функция от его входного сигнала (по оси Х). Разница между абсциссой точки, в которой начинается насыщение приемника, и абсциссой точки, соответствующей чувствительности приемника, есть динамический диапазон приемника в децибелах (здесь: 118 — 96 = 22 дБ).

Динамический диапазон приемника

Соотношение мощностей эхо-сигналов от близко расположенных объектов и эхо-сигналов от объектов, находящихся на очень больших расстояних от радиолокатора, может достигать 80 дБ. Обработка сигналов с такой большой разницей в мощности сопряжена со значительными трудностями. Особенно это относится к радиолокаторам, в которых принятые сигналы при обработке преобразовываются в цифровую форму.

Соотношение между максимальной и минимальной возможными мощностями сигналов, которые могут обрабатываться без перегрузки приемника, обозначают термином «динамический диапазон». Формула для определения этого параметра имеет вид:

D = Prmax   = значение максимальной мощности сигнала, не приводящее к перегрузке приемника.
 
= значение минимальной мощности сигнала, при которой на выходе приемника сигнал все еще наблюдается.
 
Prmin

Большинство параметров в уравнении дальности радиолокации остаются постоянными в течение периода следования зондирующих сигналов. Существенно могут изменяться только два параметра: эффективная поверхность цели σ и расстояние до цели. Следовательно, для оценки динамического диапазона можно использовать такие крайние значения мощности эхо-сигнала: максимальная мощность — от цели с максимальной эффективной поверхностью и находящейся на минимальной дальности; минимальная мощность — от цели с минимальной эффективной поверхностью и находящейся на максимальной дальности. При этом под минимальной дальностью понимается минимальная дальность действия радиолокатора.

Pr = Pt λ2 G2 σ = k · σ (2)
(4π)3 · R4 R4

Объединим относительно постоянные составляющие в постоянный коэффициент k и выразим через него значения максимальной и минимальной возможных мощностей принимаемого сигнала. Подставив полученные выражения в формулу для динамического диапазона и сократив одинаковые коэффициенты, получим:

D = Prmax = k · σmax / R4min = σmax · R4max (3)
Prmin k · σmin / R4max σmin · R4min

 

Используем полученную формулу для оценки требуемого динамического диапазона приемника конкретного радиолокатора с заданными характеристиками. В качестве примера рассмотрим радиолокатор управления воздушным движением ASR-E. Длительность зондирующего сигнала этого радиолокатора составляет 45 мкс (сигнал с внутриимпульсной модуляцией для зондирования больших дальностей), что соответствует минимальной дальности действия 6,75 км. Максимальная дальность действия для этого же сигнала определена в 60 морских миль, то есть около 110 км. Приемник должен обеспечивать прием сигналов от целей с эффективной поверхностью от 0,1 м² (сверхлегкий самолет) до 100 м² (большой транспортный самолет). При таких условиях рассчитаем требуемый динамический диапазон приемника:

D = 100 m² · (110 km)4 = 7 · 107 ≈ 78,5 dB
0,1 m² · (6,75 km)4

Таким образом, требуемый динамический диапазон приемника составляет 78,5 дБ. Это означает, что приемник должен быть способен обрабатывать как наименьшие возможные эхо-сигналы, так и эхо-сигналы, превышающие их по мощности в 70 миллионов раз.

Это не представляется возможным без применения нескольких специальных схем, осуществляющих так называемое сжатие динамического диапазона. Сдедует помнить, что возникающее при этом масштабирование амплитуды принимаемых сигналов должно быть учтено при дальнейшей обработке сигналов!

Что такое динамический диапазон и почему он важен?

Каждое музыкальное произведение имеет определенный динамический диапазон , означающий разницу между самыми громкими и самыми тихими пассажами. Звуковое оборудование также имеет характерный динамический диапазон, хотя в данном случае этот термин описывает границы того, на что способна эта часть оборудования.

В этой статье мы подробно рассмотрим концепцию, а также объясним, почему динамический диапазон так важен для получения удовольствия от прослушивания записанной музыки.

Удары

Динамика — это один из важнейших компонентов — наряду с мелодией, гармонией и ритмом — которые делают музыку приятной и привлекательной для прослушивания. Песня, которая имеет заметные различия в уровне громкости, почти всегда более увлекательна, чем та, которая остается практически неизменной от начала до конца.

Но если песня имеет слишком широкий динамический диапазон, вы не будете четко слышать тихие части, а громкие части будут неприятно громкими. И наоборот, если разница между громким и тихим звуком слишком мала, музыка будет звучать сдавленно и может даже утомлять ваши уши, особенно при прослушивании на высоких уровнях громкости.

Точно так же, как художник или фотограф сопоставляет свет и тень, музыкальный исполнитель, автор песен или продюсер создает аранжировки, которые различаются по громкости и интенсивности для создания драмы. Вариации могут быть тонкими, например, усиление инструментовки во втором куплете, или они могут быть более очевидными, например, секция разбивки (где большинство инструментов исчезает) после громкого припева.

На более детальном уровне динамика является важной частью музыкальной и вокальной техники. Например, когда барабанщик играет на барабане, он не бьет каждый бит с одинаковой громкостью. Если бы они это сделали, это звучало бы как пулемет, а не барабан. Изменения в динамике между каждым ударом — это то, что придает роллу ощущение и музыкальность. Точно так же певцы обычно переходят от более громкого к более тихому от раздела к разделу или даже от слова к слову.

Технические особенности

Динамический диапазон любой записи определяется как отношение самого громкого пика к самому тихому, выраженное в децибелах (дБ). Для контекста слуховая система человека имеет динамический диапазон около 90 дБ; человек со здоровым слухом может воспринимать все, от шепота (примерно 30 дБ) до взлетающего самолета (120 дБ). Обратите внимание, что шкала децибел является логарифмической, а не линейной, поэтому разница между 30 дБ и 120 дБ даже более значительна, чем кажется.

Воспроизводимые носители также имеют динамические диапазоны. Например, динамический диапазон 16-битного / 44,1 кГц компакт-диска составляет более 90 дБ — немного больше, чем диапазон человеческого слуха. 24-битный цифровой звук имеет теоретический динамический диапазон 144 дБ, но ни одна система воспроизведения не может сравниться с ним… да и вам бы этого не хотелось, учитывая, что 120 дБ SPL — это порог боли!

Звуковое оборудование, воспроизводящее музыку, также имеет динамический диапазон. Для такого оборудования, как приемники, громкоговорители и наушники, этот показатель рассчитывается как отношение между самым громким звуком, который может произвести устройство, и самым тихим звуком до того, как шум станет слышимым («минимальный уровень шума»). Чем больше его динамический диапазон, тем больше запас компонент будет иметь. Headroom — это диапазон выше среднего рабочего уровня до искажения.

Абсолютный предел цифрового аудио составляет 0 дБFS (полная шкала децибел). Вы можете думать о 0 dBFS как о непреодолимом потолке; Увеличение громкости сдавливает сигнал, создавая неприятные цифровые искажения, которые вы услышите, когда он будет преобразован обратно в аналоговый для воспроизведения.

Расчет искажений в аналоговом компоненте не так точен. Это потому, что если сигнал перегружает цепь, это не обязательно ухудшает качество звука, как это происходит с цифровым звуком. На самом деле, аналоговый звук часто звучит лучше, когда он слегка перегружен и создает насыщение. В конце концов, если вы продолжите увеличивать громкость, это приведет к достаточному искажению, чтобы ухудшить звук, но где это может быть, зависит от вашего мнения.

Когда дело доходит до характеристик звукового оборудования, динамический диапазон (сокращенно DNR) часто путают с отношением сигнал-шум (SNR). Хотя они похожи, они не рассчитываются одинаково. Как мы уже говорили, DNR измеряет соотношение между самым громким возможным пиком без искажений и самым тихим пиком до того, как будет слышен шум (обычно гул или шипение). Вместо этого SNR вычисляет разницу между стандартным рабочим уровнем устройства и минимальным уровнем шума. С обеими спецификациями, чем выше число, тем лучше.

Разница между DNR и SNR.
Динамический диапазон и музыкальный жанр

Вся музыка имеет некоторую степень колебаний уровня, но некоторые жанры имеют более широкий динамический диапазон, чем другие. Записанная поп-музыка, рок, R&B, хип-хоп и кантри обычно имеют относительно скромный динамический диапазон — обычно около 10 дБ, хотя бывают и исключения. Электронная танцевальная музыка (EDM), вероятно, имеет наименьший динамический диапазон — часто около 6 дБ — но компенсирует это, создавая контраст с почти бесконечным набором инструментальных цветов и текстур, поступающих от синтезаторов и сэмплеров.

На другом конце спектра находятся джаз и классическая музыка, у которых могут быть значительные различия между самой тихой и самой громкой частями. В джазе песни в быстром темпе обычно варьируются от громких пассажей, сыгранных на духовых и саксофонных инструментах, до тихих соло на фортепиано и басу. Даже в джазовых балладах динамический диапазон обычно относительно широк. Исследование динамического диапазона в различных музыкальных стилях , проведенное в 2016 году, показало, что динамический диапазон в джазе обычно колеблется от 13 дБ до 23 дБ.

Как группа, классические записи имеют самый широкий динамический диапазон среди всех жанров. То же исследование, упомянутое выше, показало, что записанная классическая музыка обычно имеет динамический диапазон от 20 до 32 дБ. Хотя это может показаться большим, это все же немного меньше, чем у живого выступления симфонического оркестра, которое может достигать 90 дБ.

Независимо от того, какую музыку вы предпочитаете, используйте высококачественные аудиокомпоненты, такие как Yamaha AVENTAGE 9.Ресивер 0044 поможет вам в полной мере ощутить динамический диапазон ваших любимых записей.

Ресивер Yamaha AVENTAGE RX-A8A.
Не трогайте этот набор

Звукоинженеры используют сжатие звука для управления динамическим диапазоном в процессе производства музыки. Компрессор уменьшает пики сигнала, тем самым уменьшая динамический диапазон и позволяя включить всю композицию без пиков, вызывающих искажения.

После удаления пиков песню можно сделать намного громче без искажений.

Одной из причин уменьшения динамического диапазона записанной музыки является то, что ее часто слушают в шумной обстановке, например, в машине. Автомобиль на шоссе может иметь уровень шума почти 70 дБА (дБА — это взвешенная шкала, которая учитывает, как люди слышат разные частоты при разной громкости). Если песня слишком сильно меняется от громкой до тихой, вам придется постоянно регулировать громкость автомобильной аудиосистемы. Во время тихих частей вам нужно будет включить его погромче, чтобы услышать его сквозь шум дороги и ветра, но тогда он будет неудобно громким во время более громких частей. Разумное использование сжатия решает проблему.

Громче против Громче

До появления потоковых сервисов для доставки музыки — когда компакт-диск все еще был доминирующим форматом — мир популярной музыки пережил так называемую «войну громкости ». Чтобы их музыка выделялась на радио или в клубной звуковой системе (по сравнению с другими треками, воспроизводимыми до и после), песни были обработаны с большим сжатием, чтобы получить их средний уровень как можно выше.

Непреднамеренным последствием стало то, что динамический диапазон этих записей стал меньше, музыка стала звучать сплющеннее, менее напористо и часто утомительно для ушей. В те дни песни нередко имели динамический диапазон от 4 до 6 дБ. Металлика 2008 9Альбом 0003 Death Magnetic был одним из самых сильно сжатых, а потому противоречивых релизов эпохи «войны за громкость».

На приведенном ниже снимке экрана показаны формы волны (записанные с TIDAL) для « In the Hall of the Mountain King » Эдварда Грига (область слева) и « My Apocalypse » Metallica из Death Magnetic (область справа). Обратите внимание, насколько шире динамический диапазон в «В зале горного короля».

Разница между большим и малым динамическим диапазоном.

К счастью, потоковые сервисы представили функцию под названием «Нормализация громкости», которая автоматически устанавливает потолок громкости песни; независимо от того, насколько громкой является запись, она будет автоматически отключена, чтобы она не превышала этот потолок. В результате при мастеринге для потоковой передачи инженерам больше не нужно уменьшать динамический диапазон, чтобы сделать песни громче. Это привело к расширению динамического диапазона в популярной музыке, который в настоящее время находится в диапазоне в среднем 10 дБ. Это все еще довольно узко, но ситуация улучшается, и, надеюсь, эпоха уничтожения музыки в основном закончилась.

 

Нажмите здесь для получения дополнительной информации о ресиверах Yamaha AVENTAGE.

Важность динамического диапазона и отношения сигнал-шум в спектрометрах

Иветт Мэттли

  • Производство
  • Поглощение
  • Спектрометры высокой чувствительности

Критерии эффективности спектрометра могут быть сложными для интерпретации, хотя общий словарь может помочь. В этом техническом совете мы рассмотрим два важных, но часто неправильно понимаемых термина: динамический диапазон и отношение сигнал/шум.

Спектроскопия — это сложный метод, требующий учета множества вариаций и нюансов, часто обрамленный терминологией, незнакомой пользователям или интерпретируемой по-разному. В связи с этим мы предлагаем некоторые практические определения динамического диапазона и отношения сигнал-шум (SNR), которые являются критериями, обычно упоминаемыми в качестве общих показателей производительности спектрометра.

Динамический диапазон

В спектроскопии динамический диапазон представляет собой отношение между максимальной и минимальной интенсивностью сигнала, которое может обнаружить спектрометр. Более конкретно, динамический диапазон представляет собой максимальный обнаруживаемый сигнал (т. е. близкий к насыщению), деленный на минимальный обнаруживаемый сигнал. Минимальный обнаруживаемый сигнал определяется как сигнал со средним значением, равным базовому шуму.

Для наших спектрометров Ocean Insight сообщает о динамическом диапазоне с точки зрения одного сбора данных, который определяется как кратчайшее время интегрирования, обеспечивающее максимально возможный динамический диапазон. Спецификация динамического диапазона системы в целом определяется как произведение отношения максимального и минимального сигнала при наибольшем времени интегрирования и отношения максимального и минимального времени интегрирования.

С практической точки зрения, пользователи могут воспользоваться преимуществами полного динамического диапазона нашего спектрометра, установив время интегрирования для своих эталонных измерений таким образом, чтобы пики спектра находились на уровне от 80% до 90% полной шкалы отсчетов.

Отношение сигнал-шум (SNR)

Отношение сигнал-шум (SNR) определяется как интенсивность сигнала, деленная на интенсивность шума при определенном уровне сигнала, что означает, что оно может варьироваться от измерения к измерению. Поскольку системный шум обычно увеличивается в зависимости от сигнала из-за фотонного шума, функция SNR представляет собой график зависимости отдельных значений SNR от сигнала, при котором они были получены. Значение SNR спектрометра, сообщаемое Ocean Insight, является максимально возможным значением SNR (полученным при насыщении детектора). Предполагается, что кривая отклика SNR для каждого пикселя одинакова.

Измерение отношения сигнал-шум выполняется следующим образом: широкополосный источник света выбирается таким образом, чтобы спектральный пик почти насыщался при наименьшем времени интегрирования или при времени интегрирования значительно ниже предела теплового шума (спектр также должен иметь область низких или низких частот). почти нулевой счет). Чтобы рассчитать SNR, сделайте 100 сканирований без света и рассчитайте среднее значение счета базовой линии для каждого пикселя, затем сделайте 100 сканирований со светом и рассчитайте среднее значение и стандартное отклонение выходного количества каждого пикселя. Тогда ОСШ определяется следующим уравнением:

SNR ρ  = (S – D)/σ ρ

где,

SNR = отношение сигнал/шум

S = средняя интенсивность образцов (со светом)

2 темнота (без света)

σ = стандартное отклонение образцов (со светом)

ρ = номер пикселя

Чтобы получить полный график SNR в зависимости от сигнала, нанесите расчетные значения SNR ρ  (шум) в зависимости от S ρ  – D ρ  (сигнал). Это будет охватывать широкий диапазон количества пиков (от темных до почти насыщенных). Поскольку все пиксели имеют одинаковую кривую отклика, данные для графика отношения сигнал-шум к сигналу могут быть получены из всех разных пикселей. Поскольку фотонный шум вносит наибольший вклад в шум при больших значениях сигнала, идеальный график должен иметь форму, аппроксимирующую y = √x.

SNR можно улучшить, используя различные типы усреднения сигнала. Для усреднения по времени SNR будет увеличиваться на квадратный корень из числа использованных спектральных сканирований. Например, отношение сигнал-шум 300:1 станет 3000:1 при усреднении 100 сканирований. Для пространственного усреднения (коробка) SNR будет увеличиваться на квадратный корень из числа усредняемых пикселей.

Несколько других способов улучшить SNR

  • Увеличение мощности источника света.
  • Используйте волокно большого диаметра для передачи света на образец, чтобы захватить больше света от источника.
  • Увеличьте время интегрирования детектора.
  • Ограничьте спектр входящей лампы только интересующим диапазоном длин волн, используя полный динамический диапазон детектора в той области, где это наиболее важно. Это особенно верно для краев спектра, которые часто страдают от более низкой интенсивности.

Хотя эти методы полезны для получения точных данных, они могут запутать при сравнении различных спектрометров. Например, Ocean Insight сообщает о своих значениях SNR без применения усреднения сигнала. Многие наши конкуренты используют усреднение сигнала для искусственного завышения значений отношения сигнал-шум на спектрометрах более низкого качества.

Понимание таких терминов, как динамический диапазон и отношение сигнал-шум, является лишь небольшой частью знакомства со всеми параметрами характеристик спектрометра и пониманием того, что характеристики спектрометра часто являются лишь отправной точкой при оценке ожидаемых характеристик системы.

Обзор спектрометров по динамическому диапазону и отношению сигнал/шум

Вот обзор спектрометров Ocean Insight по типу детектора, динамическому диапазону и ОСШ. Хотя эти критерии могут дать некоторое представление о пригодности конкретной модели спектрометра для применения, существует множество других факторов, влияющих на выбор спектрометра. Наши инженеры по применению могут дать рекомендации.

Связаться с инженером по применению

Спектрометр Тип Детектор Динамический диапазон СНР Пример
Применение
Пламя Общего назначения Линейная ПЗС-матрица (два варианта) 1300:1

250:1 (модель S)

300:1 (модель T)

Основные лабораторные измерения
Морской HDX Высокая чувствительность ПЗС-датчик изображения с утонением сзади 12000:1 400:1

Анализ плазмы

Применение при слабом освещении

Абсорбция жидкостей с высокой ОП

QE Pro Высокая чувствительность ПЗС-матрица с обратным утонением и охлаждением TE 85000:1 1000:1

Применение при слабом освещении, в том числе:

Флуоресценция

Анализ ДНК

Раман

Maya2000 Pro Высокая чувствительность ПЗС-датчик изображения с утонением сзади 15000:1 450:1

Флуоресценция при слабом освещении и Рамановская

Анализ растворов, твердых веществ и газов

СТС Микроспектрометры КМОП 4600:1 1500:1

Абсорбция низкой концентрации

Высокоинтенсивный лазерный анализ

Интеграция в другие устройства

НИРКвест+ БИК (900-2500 нм) Линейная матрица InGaAs (несколько вариантов) 15000:1 (версия 900–1700 нм) 13000:1 (версия 900–1700 нм)

Датчик влажности

Анализ углеводородов

Идентификация полимера

Пламя-NIR+ БИК (900-1700 нм) Неохлаждаемая линейная матрица InGaAs 6000:1 6000:1

Анализ состава пищевых продуктов

Переработка пластмасс

Фармацевтический контроль качества

Океан FX Высокая скорость КМОП 5000:1 290:1

Мерцание в освещении

Высокоскоростные процессы

HR Высокое разрешение Линейная ПЗС-матрица 2000:1 250:1

Лазерная характеристика

Анализ линии выбросов

Вас может заинтересовать.

..

Предварительно настроенная серия QE Pro

Доступны опции

Спектрометры высокой чувствительности

Цена от 13 361,00 €

Предварительно сконфигурированный спектрометр Ocean FX VIS-NIR

Доступны опции

Предварительно сконфигурированный спектрометр Ocean FX VIS-NIR (350–1000 нм)

Цены от 4 246,00 €

Подпишитесь на наш блог

Получайте обновления от нашей команды, когда мы делимся примечаниями по применению, обзорами клиентов, образовательными инструментами, инструкциями по спектроскопии и многим другим.

Зарегистрироваться сейчас

Понимание динамического диапазона | Микроволны и РЧ

Скачать эту статью в формате . PDF
Этот тип файла включает в себя графику и схемы высокого разрешения, если это применимо.

Динамический диапазон является ключевым параметром электронных систем, но его часто трудно сравнивать на уровне компонентов при разработке системы с оптимальными характеристиками. это спецификация, которая часто определяется на верхнем пределе концептуальным параметром, известным как точка пересечения третьего порядка (TOi). Чтобы полностью понять пределы динамического диапазона приемника или радиочастотных/микроволновых компонентов, образующих систему, может быть полезно понять различные элементы, составляющие динамический диапазон.

Обычно выражается в децибелах (дБ). Динамический диапазон представляет собой отношение самого высокого уровня сигнала, который цепь, компонент или система может выдержать, в дБ относительно 1 мВт мощности (дБм) к самому низкому уровню сигнала, который он может выдержать (в дБм). Для определения сигнала самого высокого уровня можно использовать несколько параметров, таких как точка сжатия 1 дБ, а также точка TOi. Например, точка компрессии 1 дБ для усилителя — это место, где линейность компонента начинает ухудшаться. В линейных условиях увеличение входной мощности на 1 дБ приведет к увеличению выходной мощности на 1 дБ. Когда увеличение на выходе на 1 дБ меньше, чем увеличение на входе, говорят, что это точка сжатия усилителя на 1 дБ.

Точно так же микшеры обычно характеризуются динамическим диапазоном, который имеет точку сжатия 1 дБ на одном конце и коэффициент шума микшера на другом конце. Для пассивных микшеров тепловой шум или коэффициент шума примерно одинаковы, поэтому динамический диапазон микшера обычно определяется точкой сжатия 1 дБ. выше этого уровня микшер имеет тенденцию генерировать неприемлемые уровни интермодуляционных искажений, которые могут скрывать сигналы низкого уровня.

Общее эмпирическое правило для пассивных ВЧ смесителей заключается в том, что точка сжатия 1 дБ возникает при амплитуде, которая примерно на 5–10 дБ меньше мощности гетеродина, подаваемой на смеситель. многие поставщики пассивных ВЧ-смесителей маркируют свою продукцию различными рабочими уровнями, такими как смесители низкого, среднего или высокого уровня, в зависимости от мощности гетеродина, необходимой для работы. Определения того, что такое микшер низкого или высокого уровня, могут варьироваться в зависимости от отрасли, но обычно для определения микшера низкого уровня используется уровень гетеродина около +7 дБм, в то время как уровни гетеродина +10 и +14 дБм обычно используются. используется для микшеров среднего и высокого уровня соответственно.

Например, известный поставщик смесителей Mini-Circuits предлагает смесители с уровнями гетеродина в диапазоне от +3 дБм до +17 дБм. в целом, следуя эмпирическому правилу, приведенному выше, микшеры с более высоким уровнем возбуждения гетеродина будут давать более высокую точку компрессии на 1 дБ и, таким образом, более высокий динамический диапазон приемника.

Когда смесители сравниваются по точке пересечения, важно стандартизировать точки пересечения на входе или выходе для сравнения. в любом случае высокая точка пересечения означает микшер, который будет обеспечивать высокий динамический диапазон, поскольку он может обрабатывать более высокие уровни сигнала, прежде чем возникнут интермодуляционные искажения, которые затемняют полезный сигнал.

Там, где сжатие 1 дБ является фактической рабочей точкой, TOi приемника, микшера или усилителя является математическим понятием. он связывает нелинейные произведения нелинейного члена третьего порядка разложения в ряд Тейлора с линейным выходным сигналом компонента, такого как смеситель или усилитель. в некоторых случаях линейность компонента также может быть определена его точкой пересечения второго порядка, в которой используются члены второго порядка разложения в ряд Тейлора, хотя TOi является гораздо более полезным параметром, поскольку он относится к уровням сигнала блокиратора или глушителя. которые падают близко к интересующему нас фундаментальному сигналу. Поскольку он близок к полезному сигналу, его трудно или невозможно удалить фильтрацией без ослабления полезного сигнала.

Точки пересечения могут быть определены как функция гармоник с использованием однотональных тестовых сигналов ( рис. 1 ) или интермодуляционных составляющих с использованием двухтональных тестовых сигналов. Уровни гармоник измеряются в дБн, или в децибелах уровень гармоник ниже полезного несущего сигнала, в то время как интермодуляционные искажения обычно даются в единицах дБ относительно 1 мВт мощности или дБм. Важно отметить, что два типа точек пересечения будут различаться по уровню, поэтому при сравнении динамических диапазонов различных компонентов, устройств или систем можно использовать только сходные типы точек пересечения.

В приемнике динамический диапазон простирается от его точки TOI на конце высокого уровня до чувствительности на конце низкого уровня. TOI является результатом эффектов насыщения и искажения сигнала, в то время как на чувствительность влияют тепловые шумы рабочей среды и коэффициент шума приемника, уровни паразитных сигналов, гармоники и фазовый шум. Динамический диапазон приемника сильно зависит от микшеров и усилителей в системе, но также может быть ограничен как активными, так и пассивными фильтрами в сигнальной цепи.

Схема автоматической регулировки усиления (АРУ) на входе приемника может помочь избежать насыщения сигнала и генерации паразитных сигналов. В испытательном оборудовании, похожем на измерительный приемник с экраном дисплея, таком как анализатор спектра, отображаемый средний уровень шума (DANL) обычно используется для обозначения нижней границы динамического диапазона.

Чувствительность иногда может ввести в заблуждение. Чувствительность приемника может пострадать, например, при наличии сильных сигналов. При сравнении приемников приемники с повышенной чувствительностью могут хуже справляться с сигналами низкого уровня, чем менее чувствительные приемники, когда находятся вблизи сигналов высокого уровня. Как правило, при сравнении необходимо учитывать динамический диапазон, поскольку приемник с плохой чувствительностью, но отличным динамическим диапазоном может обрабатывать сигналы низкого уровня без ухудшения интермодуляционных искажений лучше, чем приемник с высокой чувствительностью, но худшими характеристиками динамического диапазона.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *