T ăn g ích Tần số T ăn g ích T ăn g ích T ăn g ích T ăn g ích Thời gian, nS Thời gian, nS Tần số Góc phƣơng vị ƒ1 ƒ2 ƒn
Tạo số liệu miền thời gian
Thời gian, nS T ăn g ích Áp dụng thuật toán lọc phần mềm
Chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số Lƣu trữ số liệu thô
tần số và góc khác nhau
Dùng chƣơng trình máy tính để tạo số liệu miền thời gian tại mỗi góc
Chọn bộ lọc phần mềm để loại bỏ đa đƣờng
Biến đổi số liệu đã đƣợc lọc trở lại miền tần số
Vẽ số liệu đã lọc
Chọn dạng đồ thị lối ra (theo góc, tần số, thời gian)
2.3. Hiệu suất và các yêu cầu về dữ liệu của bộ lọc phần mềm [3].
Khả năng một bộ lọc phần mềm có thể làm tăng độ chính xác dữ liệu đo bị ảnh hƣởng bởi ba thông số sau:
1. Số các tần số đo ứng với mỗi góc (hay số gia tần số). 2. Độ rộng dải đo.
3. Sự phân tách giữa các đáp ứng mong muốn và các đáp ứng không mong muốn. Mỗi hệ số này kết hợp với nhau theo nhiều cách khác nhau đều có ảnh hƣởng đến hiệu suất của bộ lọc phần mềm, độ chính xác của dữ liệu và thời gian đo. Thông số quan trọng đầu tiên cần nắm đƣợc trong bộ lọc phần mềm là ảnh hƣởng của dải alias-free (độ phân chia thời gian cực đại giữa hai đáp ứng).
2.3.1. Dải Alias-Free.
Khi thiết kế một anten đo kiểm sử dụng bộ lọc phần mềm, điều quan trọng là đạt đƣợc dải alias-free cần thiết với dữ liệu đo đƣợc. Dải alias-free là độ phân chia thời gian lớn nhất có đƣợc giữa hai đáp ứng mà vẫn có thể định vị các đáp ứng rõ ràng. Dải alias- free quá nhỏ có thể làm xuất hiện các đáp ứng không mong muốn tại cùng vị trí miền thời gian với đáp ứng anten mong muốn. Dải alias-free đƣợc tính toán nhƣ sau:
Trong các phép đo anten, 1nS theo thời gian tương ứng với 1 foot (0.3048m) theo khoảng cách. Ví dụ, nếu di chuyển dải anten về phía dưới 5 feet, vị trí miền thời gian của đáp ứng AUT chuyển dịch dải dưới khoảng 5nS.
Lí do:
Sóng điện từ truyền 3x105km/s 0,3m tương đương 10-9s(1ns).
Việc thu thập dữ liệu để có dải alias-free đủ lớn là rất quan trọng. Thu thập quá nhiều tần số để có dải alias lớn một cách không cần thiết làm tăng thời gian đo. Sử dụng bộ lọc phần mềm trong trƣờng hợp dải alias-free không đủ lớn có thể phá hỏng dữ liệu mẫu đƣợc lọc.
Số tần số đo - 1 Băng thông (GHz) Dải Alias (nS) =
Ví dụ về việc xây dựng dải Alias-Free thích hợp:
Trong ví dụ này, giả sử rằng dải đo là loại chiếu xạ trực tiếp, nghĩa là đáp ứng đầu tiên từ hệ thống phải là đáp ứng mong muốn của AUT (là tuyến truyền ngắn nhất). Ta cũng cần xác định tuyến truyền dài nhất ứng với đáp ứng đa đường cuối cùng. Nếu đây là phép đo trong nhà thì đáp ứng này có thể đến từ bức tường phía sau. Nếu khoảng cách bức tường phía sau đến AUT là 15 feet, đường truyền sẽ dài thêm 15 feet từ AUT đến tường cộng với 15 feet từ tường trở lại AUT, hay tổng độ dài đường truyền là 30 feet. Điều này nghĩa là số tần số quét nên được chọn sao cho dải alias-free ít nhất là 30 nS, vì thế sẽ chọn dải alias-free là 50 nS. Nếu đo một AUT với độ rộng dải tần trên 2 GHz thì số điểm tần số cần đo sẽ được tính như sau :
Vì thế, số tần số đo là 101.
Hình 2.3. Dải Alias-Free (theo mét).
Số tần số đo - 1 2 GHz 50 (nS) = 801 tần số 401 tần số 201 tần số 101 tần số 51 tần số 0.1 1 10 100 Băng tần (GHz) D ải Alias -Free (m) 1000 100 10 1 0.1
Hình 2.4. Dải Alias-Free (theo feet).
Với dải cụ thể, ta thƣờng biểu diễn một dải đo của các phát đáp đa đƣờng có thể có sau đó xác định phát đáp quan trọng cuối cùng mà có thể phá hủy dữ liệu mẫu. Các đáp ứng đa đƣờng có thể thay đổi độ ảnh hƣởng đáng kể khi AUT quay. Điều này đặc biệt đúng với các anten có độ tăng ích cao.
Một phƣơng pháp khác để xác định dải alias-free tối thiểu là dựa vào đồ thị giữa độ tăng ích và tần số. Nếu tồn tại ít nhất một chu kỳ đầy đủ của gợn sóng sẽ có dải alias-free tối thiểu để thực hiện việc lọc.
Hình 2.3 và 2.4 cho phép xác định nhanh chóng số tần số đo tối thiểu với dải alias- free và độ rộng dải đo cho trƣớc.
2.3.2. Thời gian tăng và giảm của bộ lọc.
Thời gian tăng và giảm của bộ lọc đƣợc xác định thông qua 2 hệ số: • “Hình dạng” bộ lọc đƣợc chọn. • Độ rộng dải đo. 0.1 1 10 100 Băng tần (GHz) D ải Alias -Free ( feet ) 10000 1000 1 100 10 1 801 tần số 401 tần số 201 tần số 101 tần số 51 tần số
Hình 2.5. Thời gian tăng và giảm của bộ lọc đạt giá trị nhỏ nhất khi sử dụng bộ lọc ‘Normal’
Bảng 2.1 cho phép xác định thời gian tăng và giảm của mỗi dạng bộ lọc trong Agilent 8510 và 8530.
Độ rộng dải 100 MHz cho phép thời gian tăng/ giảm bộ lọc 12 foot
Độ rộng dải 100 MHz cho phép thời gian tăng/ giảm bộ lọc 3.7 m 1000 100 10 1 0.1 1 10 100 1000 1 Mét Độ rộng dải đo, MHz 1000 100 10 0 Mức búp sóng bên Độ rộng dải tại các điểm -6dB Thời gian tăng/giảm từ 0dB tới dải cấm Dải cấm
Mấp mô dải thông
-6dB Kết thúc lọc -6dB
Bắt đầu lọc
Hình 2.5 minh họa bằng đồ thị mối liên hệ giữa thời gian tăng/giảm của bộ lọc (giữa điểm 0 dB và dải cấm của bộ lọc (the gate stopband)) và độ rộng dải đo. Lƣu ý, dựa vào giới hạn tuyệt đối về thời gian tăng/giảm của bộ lọc sẽ không làm tăng lỗi trong quá trình thiết lập bộ lọc hoặc dịch chuyển AUT trong quá trình quay.
Từ bảng 2.1 và hình 2.5 có 3 mối quan hệ quan trọng:
1. Khi tăng độ rộng dải đo, bộ lọc phần mềm có khả năng lọc bỏ tốt hơn các đáp ứng không mong muốn gần với đáp ứng AUT mong muốn.
2. Bộ lọc càng hẹp thì thời gian tăng/giảm của bộ lọc càng nhanh (với điều kiện tất cả các thông số khác là nhƣ nhau). Tuy nhiên, việc lựa chọn bộ lọc hẹp hơn gây ra gợn sóng nhiều hơn và làm giảm khả năng loại bỏ dải cấm.
3. Bộ lọc rộng hơn làm gợn sóng miền thời gian giảm nhƣng việc loại bỏ dải cấm lại lớn hơn.
Đây là một số quy tắc cho việc lựa chọn bộ lọc phần mềm: 1. Bắt đầu với bộ lọc „Normal‟.
2. Nếu đáp ứng không mong muốn rất gần với đáp ứng của AUT và không lớn hơn nhiều so với đáp ứng AUT thì sử dụng bộ lọc „Minimum‟.
3. Nếu đáp ứng không mong muốn cách xa AUT thì sử dụng bộ lọc „Normal‟. 4. Nếu đáp ứng không mong muốn vẫn ảnh hƣởng đến độ chính xác dữ liệu với bộ lọc „Normal‟, sử dụng bộ lọc „Wide‟ hoặc „Maximum‟.
2.4. Giới hạn áp dụng của bộ lọc phần mềm.
Bảng 2.1. Các đặc tính bộ lọc phần mềm miền thời gian. BW: là độ rộng dải đo theo GHz. Các kết quả có đơn vị là nS. BW: là độ rộng dải đo theo GHz. Các kết quả có đơn vị là nS. Dạng bộ lọc Độ rộng bộ lọc min (các điểm -6 dB) Thời gian tăng/giảm từ 0 dB đến -6 dB Thời gian tăng/giảm từ 0 dB đến dải cấm Mấp mô dải thông Mức búp bên dải cấm lớn nhất
Minimum 1.2/BW 0.6/BW 1.2/BW 0.40 dB -24 dB Normal 2.8/BW 1.4/BW 2.8/BW 0.04 dB -45 dB Wide 8.0/BW 4.0/BW 8.0/BW 0.02 dB -52 dB Maximum 22.4/BW 11.2/BW 22.4/BW 0.01 dB -80 dB
Bộ lọc phần mềm chỉ đơn giản là bộ lọc số. Dữ liệu đƣợc lấy mẫu thông qua các số gia tần số hữu hạn với độ rộng dải hữu hạn vì vậy việc xử lý dữ liệu gây một số lỗi trong dữ liệu đo đƣợc. Thông thƣờng, lỗi cộng vào này là rất nhỏ so với các lỗi về đo đạc (nhỏ hơn 0.05 dB). Tuy nhiên, trong một số trƣờng hợp cần phải xem xét kỹ lỗi này thông qua việc phân tích để đảm bảo lỗi do bộ lọc phần mềm gây ra có thể chấp nhận đƣợc.
2.4.1. Dữ liệu tại các biên của dải.
Với ứng dụng của bộ lọc phần mềm, dữ liệu tại các biên của dải có độ chính xác nhỏ hơn dữ liệu tại các vị trí trung tâm của tần số quét. Nguyên tắc chủ đạo là không sử dụng dữ liệu mẫu từ thành phần tần số cao hơn x% và thấp hơn x% của dải tần, ở đó „x‟ đƣợc xác định trong bảng 2 dƣới đây.
Bảng 2.2. Dữ liệu tại biên của dải không nên sử dụng khi dùng bộ lọc phần mềm sử dụng khi dùng bộ lọc phần mềm Dạng bộ lọc (x):% tần số quét không nên sử dụng Minimum Normal Wide Maximum 1% 5% 10% 20%
Tỷ lệ phần trăm này đƣợc ƣớc lƣợng dựa trên kinh nghiệm sử dụng các dạng bộ lọc phần mềm khác nhau. Nhìn chung, sai lệch dữ liệu sẽ ít hơn tại các biên của dải nếu nó nằm trong khoảng tần số quét. Nếu dữ liệu miền tần số biến thiên đáng kể theo độ rộng dải thông đo có thể gây lỗi lớn hơn tại các cạnh của dải trong các ứng dụng của bộ lọc phần mềm.
Khi thực hiện phép đo, nên “quét tràn” các tần số đo mong muốn một chút để dữ liệu bị lỗi nằm ngoài dải mà ta cần quan tâm. Tuy nhiên khi đo các tần số nằm ngoài dải thông VSWR việc hiển thị miền thời gian có thể là không đáng tin cậy.
2.4.2. Anten đo/ anten chuẩn không cố định.
Khi sử dụng bộ lọc phần mềm, chuẩn máy đo hoặc đo kiểm một anten có tâm pha dịch chuyển theo tần số có thể gây khó khăn. Nếu tâm pha của anten chuẩn hoặc anten cần đo chuyển dịch đáng kể, đáp ứng miền thời gian của anten có thể chuyển dịch ra ngoài bộ lọc phần mềm tại một vài tần số và/ hoặc góc.
Xét một ví dụ: Chuẩn độ tăng ích đƣợc sử dụng để chuẩn máy đo dải là LPDA (Log Periodic Dipole Array) 0.2 đến 1.1GHz. Anten cần đo là anten loa đối ngẫu (dual- ridged horn). Khi các phép toán chuẩn máy thực hiện chuẩn hóa dữ liệu đo bằng dữ liệu chuẩn độ lợi, tâm pha của loa xuất hiện và dịch chuyển ra xa anten nguồn rất nhiều, vƣợt quá yêu cầu đối với loại anten này. Đó là do tâm pha của LPDA chuyển dịch về phía nguồn khi tăng tần số. Khi sử dụng việc phân chia tinh vi hơn để đơn giản hóa anten đo bởi anten chuẩn, „mặt phẳng tham chiếu‟ đƣợc thiết lập bởi LPDA chuyển dịch về phía nguồn. Điều này làm đáp ứng anten loa chuyển dịch ra xa anten nguồn, thậm chí mặc dù trên thực tế nó chỉ dịch chuyển với khoảng cách rất nhỏ. Nếu ngƣời dùng đặt một bộ lọc rất hẹp so với đáp ứng anten loa, phép đo động có thể làm cho đáp ứng tần số anten vƣợt ra ngoài bộ lọc ở một vài tần số và góc.
Có 2 kỹ thuật cần quan tâm khi chuẩn máy đo hoặc đo đạc anten là các tâm pha của nó dịch chuyển với khoảng cách đáng kể ngang qua dải đo:
1. Kết hợp việc chuyển dịch tâm pha của chuẩn độ lợi trong bảng độ lợi chuẩn.
2. Thiết lập bộ lọc phần mềm đủ rộng để cho phép việc dịch chuyển tâm pha theo tần số và góc. Nếu biết trƣớc rằng tâm pha của anten cần đo dịch chuyển theo tần số, thiết lập bộ lọc phần mềm đủ rộng để toàn bộ đáp ứng của anten cần đo nằm trong dải thông của bộ lọc tại mọi tần số và góc.
2.4.3. Anten đo phi tuyến.
Khi sử dụng bộ lọc phần mềm, các anten đo có kết hợp với vật liệu từ tính hoặc với các thiết bị tích cực thì yêu cầu độ suy giảm riêng. Bộ lọc phần mềm xử lý dựa vào tính chất tuyến tính của cả chuẩn độ lợi và dữ liệu anten đo. Nếu một trong số các phép đo là phi tuyến, ứng dụng của bộ lọc phần mềm có thể làm dữ liệu bị sai lệch rất lớn.
Sau đây là một số hệ số có tính quyết định cần phải quan tâm khi đo đạc với các anten phi tuyến:
• Đảm bảo tất cả các thiết bị tích cực kết nối với anten duy trì tốt điểm nén 1dB. • Đảm bảo bất kỳ thiết bị dịch tần nào sử dụng cho AUT không bị ảnh hƣởng bởi các hình ảnh không mong muốn và các đáp ứng giả, đó là rò LO-RF, méo hòa âm và chồng phổ gây ra những tín hiệu không mong muốn trong IF đầu tiên của máy thu.
• Đảm bảo bất kỳ thiết bị T/R, circulator, và các bộ cách ly hoạt động tốt trong suốt quá trình đo tại tất cả các tần số đo.
2.5. So sánh giữa bộ lọc phần mềm và bộ lọc phần cứng.
Bộ lọc phần cứng đƣa ra một phƣơng pháp khác trong việc lọc bỏ các đáp ứng dải không mong muốn khi đo đồ thị bức xạ anten.
Bộ lọc phần cứng hoạt động bằng cách phát một xung ở phía anten phát. Khi anten cần đo thu đƣợc xung này, một cổng thu (chuyển mạch) đƣợc mở trong khoảng thời gian ngắn để lấy chỉ năng lƣợng từ anten phát. Năng lƣợng phản xạ đất hoặc từ các đƣờng không mong muốn khác sẽ bị loại bỏ bởi một cổng đóng. Một khối định thời trung tâm điều khiển việc mở và đóng các chuyển mạch truyền và nhận.
Thông thƣờng, hàng trăm xung đƣợc gửi đi cho mỗi điểm dữ liệu. Các xung này đƣợc tích hợp trong máy thu, và sau đó đƣợc lọc vì thế chỉ tần số sóng mang (mà đó là tần số đo) đƣợc đo bởi tầng dò cuối cùng của máy thu.
Có một số ƣu điểm và nhƣợc điểm nổi bật của bộ lọc phần cứng so với bộ lọc phần mềm. Một số điểm khác biệt quan trọng sẽ đƣợc thảo luận dƣới đây.
Bộ lọc phần cứng cho phép lọc các mẫu khi thực hiện việc đo tại các tần số cách nhau một khoảng tùy ý
Với bộ lọc phần cứng, có thể đo một hoặc nhiều tần số cách nhau một khoảng tùy ý trong khi vẫn lợi dụng đƣợc ƣu điểm của bộ lọc. Để thực hiện đƣợc điều này cần có các điều kiện về dải và thiết bị, cải thiện đáng kể thời gian đo so với bộ lọc phần mềm.
Bộ lọc phần cứng vẫn yêu cầu độ rộng dải anten nguồn và anten cần đo
Thậm chí với một tần số đơn, khi bộ lọc phần cứng thực hiện phép đo lọc thì anten đo và anten nguồn dải vẫn phải có đủ độ rộng dải thông vật lý (cả độ rộng dải của mẫu và VSWR) để hỗ trợ chủ yếu độ rộng xung truyền. Nghĩa là, anten nguồn và anten đo phải có độ rộng dải ít nhất 50 đến 100 MHz so với điều kiện hoạt động chuẩn.
Để giảm bớt hạn chế này, sử dụng độ rộng xung truyền mở rộng và cho phép anten cần đo “ring-down” trƣớc khi lấy mẫu với cổng nhận. Sử dụng kỹ thuật này làm giảm khả năng của bộ lọc phần cứng trong việc lọc bỏ các đáp ứng gần kề và các đáp ứng dải không mong muốn.
Khi thiết lập bộ lọc phần cứng sai sẽ không thể sửa được dữ liệu đã thu thập
Bộ lọc phần mềm là một kỹ thuật hậu xử lý tín hiệu đo. Nó cho phép sử dụng nhiều loại bộ lọc phần mềm mà không ảnh hƣởng đến dữ liệu nguồn. Bộ lọc phần cứng thì khác. Với bộ lọc phần cứng, máy thu thu thập chỉ dữ liệu đƣợc lọc. Nếu lắp đặt bộ lọc phần cứng sai, dữ liệu không thể tái tạo lại đƣợc mà phải thực hiện thu thập lại. Vì thế,