נתח ספקטרום, או נתח אותות, הוא כלי מדידה בסיסי וחיוני עבור כל מהנדס RF, כלי שיש בו צורך בכל שלביו של מחזור חיי המוצר. ברמה הבסיסית ביותר ניתן לתאר את נתח הספקטרום כמד מתח סלקטיבי-לתדר ומגיב-לשיאים המכויל להציג את ערך ה-RMS של גל סינוס (ערך ממוצע הריבועים, או הערך האפקטיבי של גל הסינוס). הביצועים של הנתח, הדיוק שלו ומהירותו חשובים כדי לאפשר למהנדסי מו”פ למטב את התכנונים ואת הייצור שלהם מתוך מטרה לשפר את יעילות המוצר ואיכותו.

1. לשם מה נדרשת מדידת ספקטרום?

לתחום התדרים יש עצמת מדידה משלו. ממד מדידה זה מועיל במיוחד כשרוצים לקבוע את התוכן ההרמוני של אות נתון. באיור 1 ניתן לראות את צורת הגל של אות מורכב במימד הזמן מצד שמאל ובמימד התדרים בצד ימין. הייצוג של תחום הזמן מראה רק שהגל איננו גל סינוסואידלי טהור, אך אינו מספק הסבר נוסף מדוע זה קורה. בתחום התדרים אנחנו רואים שצורת הגל מורכבת משני גלי סינוס עם משרעת (אמפליטודה) ותדר תואמים.

תחום התדר חשוב במיוחד עבור מי שעוסקים בתקשורת אלחוטית כדי להעריך ביצועים של התקנים, מערכות ואותות במטרה להבטיח עמידה במפרטים של תכונות עיקריות כמו ליניאריות, עיוות, רעש ופליטות שווא (spurious emissions).

איור 1, הקשר בין תחום הזמן לבין תחום התדר

2. נתח ספקטרום לעומת נתח אותות

השימוש העיקרי בנתח ספקטרום הוא למדוד ולהציג משרעת לעומת תדר של אותות RF ומיקרוגל, ידועים ובלתי ידועים. עם התפתחותם של הטכנולוגיה הדיגיטלית ועיבוד האותות, נתחי הספקטרום המודרניים מצוידים ביותר ויותר יכולות. הדיגיטציה של האותות מאפשרת לשמר את הפאזה (מופע) כמו גם את המשרעת כפי שהן ולכלול אותן כחלק מהמידע המוצג. המונח “נתח אתות” משמש בדרך כלל כדי לדבר על מכשיר שיש לו ארכיטקטורה של נתח ספקטרום וחלק דיגיטלי לגמרי של תדר ביניים (IF (תדר) אשר מעבד אותות ככמויות של וקטורים מורכבים, מה שמאפשר פעולות בריבוי תחומים כדוגמת ניתוח אפנון דיגיטלי ולכידת זמן.

איור 2, תרשים מלבנים של נתח ספקטרום קלסי

3. מבט אל האי-ודאות

בבואכם לבחור נתח ספקטרום עליכם לדעת האם הנתח מכסה את טווח התדר והמשרעת של האות שאותם תרצו למדוד. בנוסף יהיה עליכם להסתמך על מפרטי הדיוק של נתח הספקטרום כדי לדעת עד כמה הוא טוב בביצוע המדידות הללו. רוב נתחי הספקטרום מספקים מפרטים גם על הדיוק המוחלט (אבסולוטי) שהם מציעים וגם על הדיוק היחסי.

 

איור 3, מדידה מוחלטת לעומת מדידה יחסית

באיור 3 ניתן לראות את ההבחנה בין מדידות מוחלטות למדידות יחסיות, כאשר כל אחת מהן מתבצעת עם סמן (marker) יחיד ועם סמני דלתא. לדוגמה, מדידת התדר או רמת ההספק של גל נושא (השיא השמאלי) היא מדידה מוחלטת (אבסולוטית). מדידת המשרעת של העיוות ההרמוני השני (שיא ימני), יחסית לגל הנושא, היא מדידה יחסית.

דיוק משרעת

לכל נתחי הספקטרום המודרניים יש מקור כיול מובנה המספק אות ייחוס ידוע של תדר ומשרעת מוגדרים. מדידה יחסית של משרעת היא למעשה מדידה שמתבצעת ביחס לאות הייחוס הזה. כדי לתרגם את הכיול המוחלט למשרעות ותדרים אחרים אנחנו מסתמכים על הדיוק היחסי של הנתח. טווח הערכים בטבלה 1 מייצג את מפרטי דיוק המשרעת של מגוון נתחי ספקטרום.

רבים מנתחי הספקטרום משתמשים באות ייחוס של 50 מגהרץ. בתדר הזה דיוק המשרעת המוחלט המוגדר הוא טוב במיוחד. לדוגמה, נתחי האות עתירי הביצועים מסדרה X של קיסייט מספקים את דיוק המשרעת המוחלט הטוב ביותר של ± 0.24 dB בתדר הייחוס.

כשאנחנו מבצעים מדידות יחסיות על אות נכנס, הערכים המוחלטים אינם ממלאים תפקיד. לדוגמה, אנחנו מתעניינים רק באופן שבו ההרמוניה שונה במשרעת בהשוואה לבסיס. תרחיש המקרה הגרוע יהיה כאשר הבסיס מתרחש בנקודה הגבוהה ביותר על תגובת התדר, ואילו ההרמוניה בנקודה הנמוכה ביותר שלה. אם המפרט של תגובת התדר היחסית הוא ± 0.5 dB, אי הוודאות הכולל יהיה פי שניים מהערך הזה, או ± 1.0 dB.

טבלה 1. ערכים מייצגים של אי ודאות במשרעת של כמה נתחים נפוצים

ערכי אי ודאות של משרעת  (± dB)
יחסי
אי ודאות במיתוג של מנחת RF	0.18 to 0.7
תגובת תדר	0.38 to 2.5
דיוק רמת ייחוס (מנחת IF/ שינוי הגבר)	0.0 to 0.7
אי ודאות במיתוג רוחב הפס של הרזולוציה	0.03 to 1.0
איכות קנה מידה בתצוגה	0.07 to 1.15
מוחלט
דיוק של המכייל	0.24 to 0.34

דיוק תדר

אי ודאות של תדר מוחלט מתוארת לעתים קרובות במפרט של דיוק קריאת תדר ומתייחסת לתדר המרכזי, לתדר ההתחלה לתדר העצירה ולתדר הסמן. דיוק טווח התדירויות נכנס לתמונה כאשר מבצעים מדידות יחסיות.

תוכלו לחשב דיוק תדר מהסכום של מקורות השגיאות, שאותו ניתן למצוא בגיליון הנתונים של הנתח. מקורות השגיאות כוללים שגיאת ייחוס תדר, שגיאת טווח תדירויות, ושגיאת תדר מרכזי של ה-RBW (רוחב הפס של הרזולוציה). נתחים מודרניים יכולים למדוד תדרים עם רמת דיוק של < 0.1%, הרמה האידיאלית עבור יישומי תקשורת אלחוטיים.

4. כיצד ניתן לששפר את דיוק המדידה?

לפני שמתחילים עם כל מדידה שהיא, ניתן לבחון אותה כדי לבדוק אם ישנן בקרות כלשהן –  כמו הגדרת נתח RF, רוחב פס רזולוציה או רמת הייחוס – שאותן ניתן להשאיר ללא שינוי. זה יאפשר לנו להסיר מהדרך כל אי ודאות שיכולה להתקשר עם שינוי של הבקרות הללו. בנוסף אנחנו יכולים גם להחליף אי ודאות אחת באחרת, לדוגמה, דיוק רמת ייחוס כנגד איכות תצוגה, וכך להשתמש באופן מכוון באי-ודאות שמעניקה לנו דיוק טוב יותר. להלן כמה עצות לגבי הנהלים הטובים ביותר למדידות ספקטרום מדויקות:

רשת אספקת אותות

תמיד כדאי לתת את הדעת למרכיבים של החיבור בין הנתח לבין המכשיר הנבדק (DUT), לרבות האורך, הסוג והאיכות של הכבלים והמחברים. רשת אספקת אותות המחברת את המכשיר הנבדק לנתח, כפי שמוצג באיור 4, עלולה לפגוע באות שבודקים או לשנות אותו. את ההשפעות הלא רצויות הללו ניתן להסיר אם משתמשים בפונקציה של תיקון משרעת המובנית בנתח, בשילוב עם מקור אות ומד הספק. התהליך הזה מעביר את מישור הייחוס של המדידה מהפאנל הקדמי של הנתח אל המכשיר הנבדק. תוכלו לשמור את ערכי התיקון של שילובים שונים של כבלים ומתאמים.

איור 4, לאיכותו של החיבור בין הנתח לבין המכשיר הנבדק (DUT) יכולה להיות השפעה משמעותית על דיוק המדידה ועל יכולת השחזור (חזרה על המדידה), שגדלה ביחד עם התדר.

טיפול מחברים

טיפול מחברים כולל מומנט פיתול נאות מבטיח מינימום הפסד, התאמת עכבה טובה ויכולת שחזור, במיוחד בתדרים הגבוהים יותר.

 נחתים   לשיפור ההתאמה

על סמך משוואת האי-ודאות של האי-התאמה, שיפור של ההתאמה או של מקדם ההחזר של המקור או של הנתח יפחית האי-ודאות של ההתאמה. אם הדבר אפשרי, יש להימנע מלהגדיר את מנחת הכניסה של הנתח ל-0 dB שכן הגדרה כזו תספק את המקרה הגרוע ביותר של האי-התאמה. כדי להשיג את דיוק המשרעת הטוב ביותר השתמשו במנחת כניסה של 10 dB או גדול יותר.

הגדלת הרגישות לאותות ברמה נמוכה

כדי למדוד אותות ברמה נמוכה תוכלו לשפר את הרגישות של הנתח באמצעות צמצום ניחות הכניסה, צמצום רוחב הפס של הרזולוציה, ושימוש בקדם-מגבר. הטכניקות הללו מנמיכות את ה-DANL (רמת הרעש הממוצע המוצגת), מפרידות אותות קטנים מהרעש ומאפשרות מדידות מדויקות. השתמשו בקדם-מגבר עם רעש נמוך והגבר גבוה כדי להשיג רגישות מירבית.

אות מאופנן

כדי למדוד אותות מאופננים חשוב להגדיר את רוחב הפס של הרזולוציה כך שיהיה רחב מספיק כדי לכלול את פסי הצד, שאם לא כן, ההספק הנמדד לא יהיה מדויק אלא אם ביצענו מדידת הספק פס משולבת. שילוב ההספק מנקודות מרובות, הנמדד עם רוחב פס רזולוציה צר, יהיה פעמים רבות הטכניקה המעשית ביותר עבור אותות מאופננים דיגיטלית בפס רחב שהמרווחים ביניהם קטנים.

דיוק תדר

התדר של הסמן שאותו מציינים הוא פונקציה של כיול התדר על התצוגה, מיקומו של הסמן על התצוגה, ומספר נקודות התצוגה שנבחרו. הצרת הטווח ורוחב הפס של הרזולוציה יצמצמו את ההשפעות הללו ויעזרו להציב את הסמן בשיא של התגובה.

מהירות סריקה

מהירויות הסריקה (sweep) יהיו בדרך כלל ביחס ישיר לריבוע רוחב הפס של הרזולוציה. הגדרה רחבה יותר תוליד סריקה מהירה יותר על פני הטווח הנתון בהשוואה להגדרה צרה יותר.

דיוק הכייל

השתמשו בכייל מדויק יותר או בכזה הקרוב לתדר שאותו רוצים לבדוק, אם קיים כזה, במקום בכייל המובנה.

זמן חימום

מועיל לדעת כיצד הייחוס בנתח שלנו מתנהג בתנאים של חימום קצר, עבור מקרים שבהם יש צורך במדידה מהירה. לדוגמה, הנתח מסדרה X של קיסייט מצריך 5 דקות של חימום כדי לעמוד במפרטים שפורסמו.

מסקנות

לערוך מדידות זה לא מספיק – עליכם לערוך מדידות מדויקות. אף מכשיר מדידה בעולם לא יכול למדוד ערך מוחלט שכן המדידה תמיד תכלול אי ודאות כלשהי. ככל שאי הודאות קטנה, כך המכשיר מוצלח יותר. הכרה בקיומה של אי ודאות והיכולת לכמת אותה יהיו חלק חשוב מאוד בתהליך המדידה. שלבו נהלי מדידה טובים עם תכונות טובות של נתח כדי למתן את ההשפעה של שגיאות ולקצר את זמן הבדיקה.