Một máy phát đạt chuẩn về công suất, về mặt nạ phổ và về ACLR vẫn có thể trượt chứng nhận vì một vạch phổ đơn độc ở cách sóng mang 3,7 GHz. Vạch đó có thể là hài bậc ba, có thể là sản phẩm trộn giữa dao động nội và xung nhịp bộ xử lý, và cũng có thể không tồn tại — chỉ là spur do chính máy phân tích sinh ra. Vì vậy tìm tín hiệu giả là bài toán hai nửa: nửa quy trình quét cho hết dải, và nửa phán đoán vạch nào có thật.
Bài viết đi qua cách phân loại tín hiệu giả theo cơ chế sinh ra, hai phép thử tách spur của máy khỏi spur của thiết bị cần đo, cấu trúc bảng dải quét, và cách đặt ngưỡng phát hiện.
Tín hiệu giả sinh ra từ đâu: bốn cơ chế
Méo hài. Mọi tầng khuếch đại phi tuyến đều sinh ra bội số nguyên của tần số cơ bản. Đặc điểm nhận dạng của méo hài rất rõ: tần số nằm đúng ở 2f, 3f, 4f, và mức thay đổi theo mức đầu vào với tỉ lệ dốc hơn tín hiệu chính — hài bậc hai thay đổi 2 dB khi cơ bản thay đổi 1 dB, hài bậc ba thay đổi 3 dB.
Sản phẩm trộn. Trong mọi máy có tầng đổi tần, các tổ hợp m·fRF ± n·fLO đều xuất hiện ở mức nào đó. Chúng không nằm ở vị trí “đẹp” như hài nên khó đoán trước, và mức của chúng phụ thuộc mạnh vào mức tín hiệu tại bộ trộn.
Rò xung nhịp số. Xung nhịp bộ xử lý, xung nhịp bộ chuyển đổi và tần số chuyển mạch của nguồn xung là các nguồn phát dải hẹp mạnh, ghép vào đường RF qua nguồn cấp hoặc bức xạ trong hộp máy. Đặc điểm: tần số cố định, không dịch khi đổi tần số phát.
Tín hiệu giả nội tại của chính máy phân tích. Đây là nhóm bị bỏ sót nhiều nhất và là nguyên nhân của phần lớn báo động giả trong một chiến dịch spurious search.
Máy phân tích tín hiệu tự sinh spur ở mức nào
Trước khi tin bất kỳ vạch nào, cần biết sàn thật của thiết bị đo. Cả máy phân tích tín hiệu EXA Keysight N9010B và máy phân tích tín hiệu UXA Keysight N9042B đều đặc tả đáp ứng dư ở mức −100 dBm khi đầu vào được đấu tải và suy hao đặt 0 dB, trong dải 200 kHz đến 8,4 GHz ở chế độ quét. Đây là các vạch xuất hiện ngay cả khi không có tín hiệu vào — chúng là sản phẩm nội bộ của bộ tổng hợp tần số và của các xung nhịp bên trong máy.
Ngoài đáp ứng dư còn có ba nhóm nữa, đều đặc tả theo mức trộn (mixer level), định nghĩa bằng mức đầu vào trừ suy hao đầu vào:
- Đáp ứng ảnh. Trên N9042B, đáp ứng ảnh trong dải 10 MHz đến 26,5 GHz ở tần số kích thích f+45 MHz là −80 dBc với mức trộn −10 dBm.
- Spur do đầu vào sinh ra. Ở N9042B, spur bậc một cách sóng mang trên 10 MHz với sóng mang dưới 26,5 GHz là −80 dBc + 20·log(N), trong đó N là hệ số nhân của dao động nội. Ở N9010B, con số tương ứng là −68 dBc + 20·log(N).
- Spur liên quan tới dao động nội. Ở N9042B, dải cách sóng mang từ 200 Hz tới 10 MHz cho −68 dBc + 20·log(N).
Số hạng 20·log(N) là chi tiết đáng nhớ nhất: càng lên dải tần cao, hệ số nhân dao động nội càng lớn và spur nội tại càng xấu đi theo đúng quy luật đó. Đặt ngưỡng cố định cho toàn dải vì thế sẽ quá chặt ở tần thấp và quá lỏng ở tần cao.
Một cảnh báo cuối: cả hai máy đều ghi chú rằng dưới tác động môi trường mạnh — từ trường khoảng 0,38 Gauss rms hoặc rung khoảng 0,21 g rms — mức spur danh định xấu đi tới khoảng −40 dBc. Nghĩa là một máy phân tích đặt cạnh biến áp lớn hoặc trên sàn rung sẽ tự sinh spur cao hơn đặc tả hàng chục dB.
Hai phép thử tách spur của máy khỏi spur của DUT
Đây là kỹ năng quyết định năng suất của cả chiến dịch đo. Hai phép thử dưới đây rẻ, nhanh và gần như luôn cho câu trả lời dứt khoát.
Phép thử 1 — đổi suy hao đầu vào. Tăng suy hao thêm 10 dB. Vì mức trộn bằng mức vào trừ suy hao, spur do máy tự sinh phụ thuộc mức trộn nên sẽ thay đổi mức tương đối so với sóng mang; spur thật của thiết bị cần đo suy giảm đúng 10 dB giống mọi thứ khác, nên mức tương đối của nó giữ nguyên. Vạch nào “lặn” nhanh hơn 10 dB là spur nội tại.
Phép thử 2 — dịch nhẹ tần số tín hiệu vào. Datasheet của cả hai máy ghi rõ đặc tính này: với sản phẩm trộn bậc một, tần số hiển thị dịch cùng tốc độ với tín hiệu vào; với bậc cao hơn, tần số hiển thị dịch nhanh hơn tín hiệu vào. Do đó chỉ cần dịch tần số phát đi 1 MHz rồi quan sát: vạch dịch đúng 1 MHz là spur bậc một hoặc spur thật; vạch dịch 2 MHz, 3 MHz là sản phẩm bậc cao; vạch đứng yên là nguồn phát độc lập — xung nhịp số hoặc nhiễu môi trường.
Thực hành tốt là chạy cả hai phép thử cho mọi vạch vượt ngưỡng và chỉ ghi vào báo cáo những vạch qua được cả hai — tốn vài phút mỗi vạch nhưng rẻ hơn nhiều so với một vòng thiết kế lại vô ích.
Bảng dải quét: cách spurious search tự động hoạt động
Quét tay từ vài kHz tới vài chục GHz với độ phân giải đủ nhỏ là bất khả thi về thời gian. Giải pháp công nghiệp là phép đo spurious emissions dựa trên bảng dải quét (range table).
Trên máy phân tích tín hiệu X-Series, người dùng khai báo tối đa 20 dải tần, mỗi dải có bộ tham số riêng: tần số đầu và cuối, băng thông phân giải và băng thông video, bộ tách sóng, ngưỡng phát hiện, peak excursion và giới hạn biên độ. Mỗi dải còn cho phép dùng đồng thời hai bộ tách sóng, tiện khi cùng một dải cần vừa đo đỉnh vừa đo trung bình theo hai giới hạn khác nhau.
Máy quét lần lượt từng dải đã bật, so mọi đỉnh tìm được với ngưỡng phát hiện và peak excursion của dải đó, rồi gom kết quả vào một bảng spur kèm phán định đạt/không đạt. Một công việc thủ công kéo dài buổi sáng trở thành chuỗi đo lặp lại được và có hồ sơ.
Vì sao phải chia dải thay vì quét một mạch? Vì băng thông phân giải hợp lý thay đổi theo dải: dải gần sóng mang cần băng thông hẹp để tách spur khỏi sóng mang, còn dải xa có thể dùng băng thông rộng để rút ngắn thời gian quét — thời gian quét tỉ lệ nghịch với bình phương băng thông phân giải trong chế độ quét truyền thống, nên chia dải đúng cách rút ngắn tổng thời gian hàng chục lần. Với đo phát xạ theo CISPR, việc chia dải còn là bắt buộc theo tiêu chuẩn: CISPR 16-1-1 quy định băng A từ 9 tới 150 kHz dùng băng thông 200 Hz, băng B từ 150 kHz tới 30 MHz dùng 9 kHz, còn băng C từ 30 tới 300 MHz và băng D từ 300 tới 1000 MHz dùng 120 kHz. Chi tiết về bộ tách sóng và chế độ quét theo tiêu chuẩn nằm ở bài máy thu đo EMI: kiến trúc và chế độ quét theo CISPR 16.
Ngưỡng phát hiện và peak excursion: đặt thế nào cho đúng
Hai tham số này quyết định phép đo tìm ra bao nhiêu vạch, và đặt sai chúng là nguyên nhân phổ biến nhất của kết quả vô dụng.
Ngưỡng phát hiện là mức tuyệt đối mà một đỉnh phải vượt qua mới được xem xét. Nó bị kẹp giữa hai ràng buộc: phải nằm đủ cao trên nền nhiễu hiển thị của dải để không đếm nhiễu thành spur, và phải nằm đủ thấp dưới giới hạn tiêu chuẩn để không bỏ sót spur sát ngưỡng. Thực hành thường đặt thấp hơn giới hạn khoảng 6 tới 10 dB — khoảng lùi này cũng chính là biên an toàn cho bất định của phép đo. Nếu nền nhiễu hiển thị của dải không cách giới hạn đủ xa để chừa khoảng lùi đó, kết luận là phải cải thiện độ nhạy trước — hạ suy hao, bật tiền khuếch đại, thu hẹp băng thông phân giải — chứ không phải nới ngưỡng.
Peak excursion là mức nhô lên tối thiểu so với hai phía để một đỉnh được coi là đỉnh riêng biệt. Đặt quá nhỏ thì một spur có đỉnh gợn sóng bị đếm thành nhiều spur, làm bảng kết quả đầy vạch trùng. Đặt quá lớn thì hai spur sát nhau bị gộp thành một và mất một mục trong báo cáo. Giá trị khởi đầu hợp lý là vài dB và nên hiệu chỉnh sau một lần quét thử: nhìn bảng kết quả, nếu thấy nhiều mục cùng tần số thì tăng, nếu thấy vạch trên màn hình mà không có trong bảng thì giảm.
Một lưu ý về bộ tách sóng: dùng tách sóng đỉnh cho vòng quét sàng lọc để không bỏ sót, rồi đo lại các vạch nghi ngờ bằng tách sóng phù hợp với tiêu chuẩn — trung bình, RMS hoặc tựa đỉnh — ở chế độ span bằng không. Dùng thẳng tách sóng tựa đỉnh cho vòng sàng lọc là cách chắc chắn để kéo dài thời gian đo lên nhiều lần mà không thu được thêm thông tin.
Chọn máy phân tích cho bài toán tìm tín hiệu giả
Ba trục quyết định, theo thứ tự quan trọng:
Trục 1 — dải tần phải phủ hết bậc hài cần kiểm. Kiểm tới hài bậc năm của một máy phát 5,9 GHz nghĩa là máy phân tích phải với tới gần 30 GHz — ràng buộc cứng, không đánh đổi được. N9010B có cấu hình từ 10 Hz tới 3,6 / 7,0 / 13,6 / 26,5 / 32 / 44 GHz; N9042B khởi điểm từ 2 Hz, lên tới 50 GHz và mở rộng được tới 110 GHz khi ghép bộ mở rộng tần số.
Trục 2 — sàn spur nội tại và độ nhạy. Nếu giới hạn tiêu chuẩn nằm gần đáp ứng dư của máy thì phép đo không có biên. N9042B đạt mức nhiễu hiển thị trung bình −174 dBm ở 2 GHz khi bật tiền khuếch đại và mở rộng nền nhiễu, còn N9010B đạt −172 dBm ở cùng điều kiện.
Trục 3 — tốc độ quét. Với chiến dịch quét dải rộng lặp lại hằng ngày trong dây chuyền, các tuỳ chọn quét nhanh là yếu tố quyết định thông lượng. Máy phân tích tín hiệu MXA Keysight N9020B nằm giữa hai lựa chọn trên và thường là điểm cân bằng hợp lý cho phòng thử nghiệm đa mục đích.
Ở cả ba trục, con số trên nhãn chỉ đúng khi máy còn trong chu kỳ hiệu chuẩn: máy trôi khỏi đặc tả sẽ tự sinh spur cao hơn công bố và mọi phán định đạt/không đạt đều mất giá trị. Bài quản lý phổ tần: giám sát, ghi tín hiệu và phân loại phát xạ bàn tiếp bước sau — khi một phát xạ lạ đã được xác nhận là có thật và cần truy ra nguồn.
Kết luận
Tìm tín hiệu giả là quy trình bốn bước: biết sàn spur nội tại của chính máy phân tích trước khi tin bất kỳ vạch nào; chia dải trong bảng dải quét để mỗi dải có băng thông phân giải và bộ tách sóng phù hợp; đặt ngưỡng phát hiện thấp hơn giới hạn 6 tới 10 dB và hiệu chỉnh peak excursion sau một lần quét thử; và chạy hai phép thử — đổi suy hao, dịch tần số vào — cho mọi vạch trước khi ghi vào báo cáo. Bước cuối cùng là bước phân biệt một báo cáo dùng được với một danh sách vạch phổ vô nghĩa.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích tín hiệu, máy thu đo EMI và máy phát tín hiệu RF. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình hệ đo spurious hoặc đặt lịch hiệu chuẩn.
