Что такое динамический диапазон средства измерения
Что такое динамический диапазон, и какие бывают его разновидности?
Односигнальный динамический диапазон по блокированию, Динамический
диапазон по перекрёстным помехам, Динамический диапазон по интермоду-
ляции.
А поскольку в последнюю фразу без пол-литра не въедешь, приведу рисунок.
Рис.1
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.
В высокочастотной электронике это свойство может быть использовано для преобразования частот в устройствах, называемых «смеситель».
Ну вот мы медленно, но верно подобрались к определению понятия «динамический диапазон по интермодуляции«.
Рис.2
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.
Термин: Диапазон динамический
В измерительных системах под динамическим диапазоном (Dynamic Range) обычно понимают величину отношения наибольшего измеряемого сигнала к наименьшему в рассматриваемом канале измерения. Традиционно динамический диапазон выражают в децибелах.
Если прибор измеряет величину среднеквадратического значения (СКЗ) переменного сигнала (например, как вольтметр переменного тока), то динамический диапазон этого измерительного прибора равен отношению (в децибелах) величины СКЗ диапазона измерения к величине СКЗ минимального сигнала, который сможет почувствовать этот прибор. Особо подчеркнём, что именно «сможет почувствовать», а не «сможет измерить» с нормированной точностью.
Если прибор измеряет среднее значение постоянного сигнала (например, как вольтметр постоянного тока), то динамический диапазон этого измерительного прибора равен отношению (в децибелах) величины диапазона измерения прибора к величине минимального изменения сигнала, который сможет почувствовать этот прибор.
Данные о динамическом диапазоне сигнала крайне важны при выборе оборудования системы сбора данных, поскольку они влияют на выбор необходимой эффективной разрядности АЦП. Величина динамического диапазона сигнала сильно связана с физикой измеряемого процесса и с характеристиками датчика. Снизу динамический диапазон измеряемого полезного сигнала обычно ограничен шумом физического процесса, собственным шумом датчика, шумом (помехами по пути передачи сигнала). Сверху динамический диапазон ограничен максимально возможной энергией физического процесса, диапазоном измерения датчика, нелинейными цепями защиты от превышения сигнала.
Очевидно, что, если динамический диапазон сигнала больше динамического диапазона измерительного прибора (канала измерения), то это вызовет частичную потерю функции измерения прибора либо по причине зашкала, либо нечувствительности к малому сигналу (малому изменению сигнала, несущему полезную информацию).
В конкретных областях применения оценки динамического диапазона сигнала важны не только в широкой полосе частот, но и в рабочей полосе частот. Например, в звуковых измерительных трактах, главным образом, важны оценки динамического диапазона сигнала в полосе частот пропускания этих трактов, и частоты входного сигнала, не попадающие в полосу частот тракта, не должны учитываться при оценке динамического диапазона сигнала, прошедшего через тракт измерения (при условии того, что не попавшие частоты, при наличии в тракте нелинейных эффектов, не породили интермодуляционных частот в полосе пропускания тракта).
В технике известны устройства сжатия и расширения динамического диапазона сигнала, основанные на разных принципах, в зависимости от задачи и области применения.
Термин динамический диапазон используют также при анализе спектра сигнала. Например, динамический диапазон, свободный от паразитных спектральных составляющих SFDR (Spurious-Free Dynamic Range ), определяют как отношение уровня полезного узкополосного сигнала (несущей) к уровню наибольшей паразитной частотной составляющей (гармоники), выраженное в децибелах. Для линейных преобразователей, каналов измерения и AЦП, ЦАП характеристику SFDR снимают для синусоидального входного сигнала.
Что такое динамический диапазон средства измерения
Страница: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Динамический диапазон
Мы можем разложить это выражение в ряд:
Легко математически найти желаемый продукт смешения на промежуточной частоте:
Кроме того, генерируется другой член:
но когда мы обсуждали уравнение настройки, мы обнаружили, что хотим иметь частоту гетеродина выше ПЧ, поэтому частота ωLO + ω1 также всегда выше ПЧ.
Теперь добавим второй входной сигнал:
На этот раз можем получить математически:
Рисунок 6-1. Изменение уровней фундаментальных тонов в смесителе
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.
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:
Используя величины из выше проведенного обсуждения, получаем:
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.
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
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±10 d/20 ),
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
Рисунок 6-6. Динамический диапазон для максимальной погрешности 1.3 дБ
Рисунок 6-7. Погрешность отображаемой амплитуды сигнала из-за шума
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.
Рисунок 6-8. Дисплейный диапазон и диапазон измерений прибора серии PSA
Рисунок 6-9. Измерение мощности в смежном канале при помощи анализатора серии PSA
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
Динамический диапазон (в технике)
Динами́ческий диапазо́н — характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового давления и т. д.), представляющая логарифм отношения максимального и минимального возможных значений величины входного параметра устройства (системы). Минимальное значение обычно определяется уровнем собственных шумов или внешних помех в устройстве, а максимальное — перегрузочной способностью устройства. Понятие динамический диапазон используется не только в технике, но и в психофизиологии, например, динамический диапазон слышимости человека. В отдельных случаях понятие «динамический диапазон» используется и для выходного параметра (для акустических устройств).
Литература и документация
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Динамический диапазон (в технике)» в других словарях:
Динамический диапазон (техника) — У этого термина существуют и другие значения, см. Динамический диапазон. Динамический диапазон характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового… … Википедия
Чувствительность (технического объекта) — Чувствительность, сенситивность (от лат. sensus чувство, ощущение) количественная характеристика способности устройства реагировать определенным образом на внешнее воздействие, один из главных технических параметров для некоторых… … Википедия
Чувствительность (техника) — У этого термина существуют и другие значения, см. Чувствительность. Чувствительность способность объекта реагировать определённым образом на определённое малое воздействие, а также количественная характеристика этой способности[1].… … Википедия
ГОСТ Р 52016-2003: Приемники магистральной радиосвязи гектометрового-декаметрового диапазона волн. Параметры общие технические требования и методы измерений — Терминология ГОСТ Р 52016 2003: Приемники магистральной радиосвязи гектометрового декаметрового диапазона волн. Параметры общие технические требования и методы измерений оригинал документа: 3.1.1 автоматическая регулировка усиления: По ГОСТ 24375 … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Технические характеристики цифровых фотоаппаратов — Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей … Википедия
ГОСТ 24453-80: Измерения параметров и характеристик лазерного излучения. Термины, определения и буквенные обозначения величин — Терминология ГОСТ 24453 80: Измерения параметров и характеристик лазерного излучения. Термины, определения и буквенные обозначения величин оригинал документа: 121. Абсолютная спектральная характеристика чувствительности средства измерений… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Цветомузыка — У этого термина существуют и другие значения, см. Цветомузыка (значения). Цветомузыка (также светомузыка, англ. colour music, disco light, нем. Farblichtmusik, фр. musique des couleur) вид художественной деятельности, основанный на … Википедия
Светомузыка — (также цветомузыка) вид художественной деятельности, основанный на синтезе музыки и света. На жаргоне «светомузыкой» или «цветомузыкой» называют электронное устройство для построения световых картин, формирования цветовых зрительных… … Википедия
Аналого-цифровой преобразователь — Четырёхканальный аналого цифровой преобразователь Аналого цифровой преобразователь[1][2] … Википедия
Подмагничивание — (ток смещения) в магнитной записи сигнал (электрический ток), подаваемый на записывающую головку одновременно с записываемым (полезным) сигналом, с целью вывести магнитный слой ленты из нелинейной области. Возможно подмагничивание как… … Википедия
Динамический диапазон (техника)
Динами́ческий диапазо́н — характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового давления и т. д.), представляющая логарифм отношения максимального и минимального возможных значений величины входного параметра устройства (системы). Минимальное значение обычно определяется уровнем собственных шумов или внешних помех в устройстве, а максимальное — перегрузочной способностью устройства. Понятие динамический диапазон используется не только в технике, но и в психофизиологии, например, динамический диапазон слышимости человека. В отдельных случаях понятие «динамический диапазон» используется и для выходного параметра (для акустических устройств).
Литература и документация
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Динамический диапазон (техника)» в других словарях:
Динамический диапазон — Динамический диапазон: Динамический диапазон (техника) характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового давления, представляющая логарифм… … Википедия
Динамический — 21. Динамический расчет специальных инженерных сооружений и конструкций. Справочник проектировщика под ред. проф. Б.Г. Коренева, А.Ф. Смирнова. М. Стройиздат, 1986. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
диапазон — 3.9 диапазон (range): Диапазон между пределами, выраженными заявленными значениями нижнего и верхнего пределов. Примечание Термин «диапазон», как правило, используют в различных модификациях. Он может представлять собой различные характеристики,… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Связь (техника) — Связь в технике передача информации (сигналов) на расстояние. Содержание 1 История 2 Типы связи 3 Сигнал … Википедия
Сигнал (техника) — Сигнал в теории информации и связи называется материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений по системе связи. Сигналом может быть любой физический процесс, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемым… … Википедия
Чувствительность (техника) — У этого термина существуют и другие значения, см. Чувствительность. Чувствительность способность объекта реагировать определённым образом на определённое малое воздействие, а также количественная характеристика этой способности[1].… … Википедия
ГОСТ 18421-93: Аналоговая и аналого-цифровая вычислительная техника. Термины и определения — Терминология ГОСТ 18421 93: Аналоговая и аналого цифровая вычислительная техника. Термины и определения оригинал документа: 51 амплитудная характеристика (операционного усилителя): Зависимость установившегося значения выходного напряжения… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Цифровая звукозапись — Схема прохождения звука от источника через микрофон, АЦП, процессор, ЦАП, громкоговоритель и снова в звук Цифровой звук кодирование аналогового звукового сигнала в виде битовой последовательности. Простейшая форма кодирова … Википедия
Оптическая запись звука — Оптическая запись звука запись электрических колебаний звуковой частоты, осуществляемая фотографическим способом на движущейся светочувствительной киноплёнке. Оптическая фонограмма, фотографическая фонограмма одна или несколько… … Википедия
Требования — 5.2 Требования к вертикальной разметке 5.2.1 На поверхность столбиков, обращенную в сторону приближающихся транспортных средств, наносят вертикальную разметку по ГОСТ Р 51256 в виде полосы черного цвета (рисунки 9 и 10) и крепят световозвращатели … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации