ツートンテスト
スペクトラムアナライザ - 通常は2トーンテストの測定機器として使用されます

ツートーンテストは、電子部品やシステム、特に無線システムの相互変調歪みをテストする手段です。このテストでは、異なる周波数（トーン）の2つの正弦波信号を同時に部品またはシステムに注入します。相互変調歪みは通常、アンプなどの能動部品で発生しますが、ケーブルコネクタなどの受動部品でも、特に高出力時に発生することがあります。

2トーン試験における測定は、一般的には、被試験デバイス（DUT）の出力をスペクトラムアナライザで調べることで行われます。スペクトラムアナライザでは、相互変調成分を直接観測できます。しかし、システム全体を扱う場合には、相互変調の影響を観測する場合もあります。例えば、レーダーシステムでは、相互変調の結果として誤ったターゲットが生成される可能性があります。

根拠

電子デバイスは、入力に単一周波数を印加し、出力における応答を測定することで試験できます。デバイスに非線形性がある場合、出力に高調波歪みが発生します。この種の歪みは、印加信号周波数の整数倍と、デバイス出力に存在する元の周波数で構成されます。相互変調歪みは、異なる周波数の出力を生成する可能性があります。相互変調によって生成される新しい周波数は、注入された周波数とその高調波の和と差です。相互変調の影響はシングルトーン試験では検出できませんが、周波数とレベルによっては高調波歪みと同等、あるいはそれ以上に望ましくない場合があります。[1]

ツートーンテストは、無線受信機の識別能力、つまり周波数の近い送信信号を区別する受信機の能力を判断するためにも使用できます。[2]

試験

ツートーン試験のための一般的な試験設定

部品試験

増幅器などの回路部品は、図に示すようなテスト セットアップを使用して 2 トーン法を使用してテストできます。 2 つの異なる周波数 F1 と F2 に設定された 2 つの信号発生器が、サーキュレータを介して電力結合器に送られます。結合器は、一方の発生器からの信号がもう一方の発生器の出力に送られるのを防ぐために、十分な絶縁を備えている必要があります。これが起こると、発生器の内部回路の非線形部分で相互変調が発生する可能性があります。結果として生じる相互変調積によって、テストに誤った結果が生じます。サーキュレータは、発生器間の絶縁をさらに強化し、テスト対象デバイス (DUT) と発生器から反射される可能性のある信号間の絶縁を提供します。サーキュレータの 1 つのポートは抵抗負荷に接続されているため、アイソレータとして機能します。 発生器の出力にローパス フィルタを配置して、高調波歪みを除去することもできます。これらの高調波によって、DUT で予期しない相互変調積が発生し、誤った結果が生じる可能性があります。 DUTの出力はスペクトルアナライザに送られ 、そこで結果が観測されます。このとき、信号を機器が処理できるレベルまで下げるための減衰器が使用される場合もあります。 [3]

受動部品

ケーブル、コネクタ、アンテナなどの受動部品は、一般的に線形であることが期待されるため、相互変調を生じにくい。しかし、特に高出力時には、金属-金属接合部であるはずの箇所に金属-半導体接合が形成されることで、様々な要因によって非線形性が生じる可能性がある。これらの要因には、腐食、表面酸化、汚れ、そして機械的接触が完全に確立されていないことなどが含まれる。一部の受動材料は本質的に非線形である。これには、フェライト、鉄系金属、炭素繊維複合材料などが含まれる。[4]

相互変調歪みは、携帯電話セルラーネットワークの基地局において特に難しい問題です。これらの基地局は、近接した周波数で複数の送信を処理する必要があり、これらの送信が互いに影響を及ぼさないようにする必要があります。一般的な仕様では、40 dbmの送信がある場合、相互変調積は-125 dBmを超えてはならないとされています。これは、信号対相互変調比が165 dBという非常に厳しい仕様に相当します。これを達成するには、材料と部品を慎重に選択し、設置とメンテナンスを高い水準で行う必要があります。同様に、これらの部品の2トーンテストは、このような低レベルの相互変調積がテスト装置内で偶発的に簡単に生成される可能性があるため、細心の注意と精度で実行する必要があります。[5]

受動部品の相互変調歪みを測定するための国際規格IEC 62037「受動RFおよびマイクロ波デバイス、相互変調レベル測定」があります。この規格に準拠した試験を行うことで、異なるメーカーの仕様を同一条件下で実施し、相互比較することが可能になります。[6] 軍隊は通常、独自の試験規格を使用します。例えば、米国の調達契約ではMIL-STD-461が規定されている場合があります。[7]

受信機試験

直接注入法を用いた2トーン受信機試験[8]
オフエア法を用いた2トーン受信機テスト[9]

図は、マイクロ波周波数で受信機を試験するのに適した試験装置を示している。2つの信号発生器F1とF2は、方向性結合器を用いて逆方向に結合されている。つまり、2つの信号発生器は、それぞれ通常は結合出力ポートと送信出力ポートに接続される。結合された信号は、通常は入力ポートに現れる。単純な加算回路ではなく方向性結合器を使用する利点は、方向性結合器が2つの信号発生器間の絶縁を実現することである。コンポーネント試験と同様に、信号発生器の出力に別の信号が注入されると、信号発生器内で相互変調歪みが生じる可能性がある。コンポーネント試験と同様に、試験装置にはアイソレータが含まれている。[10]

アンテナが取り外し可能な場合は、合成されたテスト信号を受信機に直接注入することができます。従来の構成で接続された第2の方向性結合器は、入力信号をスペクトラムアナライザに供給するために使用できます。これにより、入力信号に相互変調成分が含まれていないことを確認できます。例えば、受信機がアクティブアンテナを使用しているためにテスト信号を直接注入できない場合は、テスト信号は受信機自身の送信アンテナから送信されます。スペクトラムアナライザへの供給は、受信アンテナを入力に接続することで可能です。後者の方法によるテストは、テスト信号が世界中に放送されるのを避けるため、通常、無響室で行われます。 [11]

相互変調歪みの影響は、受信機の性質と用途によって異なります。音声を受信する機器の場合、干渉信号として現れ、目的の放送局の音声が聞き取れなくなる可能性があります。レーダー受信機の場合、ターゲットの誤検出として現れることがあります。[12]

送信機の試験

音声や音楽の送信用に設計された送信機の場合、オーディオ帯域内の 2 つの周波数を送信機の通常の入力に注入することができます。送信機の出力は、相互変調積を調べるためにスペクトル アナライザで調べることができます。この種類のエンドツーエンドのテストでは、オーディオ ステージからミキシングおよびIF アンプ、最終的なRF パワー アンプまで、送信機のすべての部分の非線形性をテストします。同様に、データを渡すために使用される送信機には、データ ストリームのベースバンド内で 2 つの周波数を注入できます。場合によっては、送信機にアクセス可能な入力がないことがあります。たとえば、レーダー送信機は入力を取りません。レーダー信号を生成する回路は送信機内部にあります。このような場合、トーンはデバイスの内部のどこかで注入するか、アンプやその他のステージを個別のコンポーネントとしてテストする必要があります。[13]送信機の出力にダミー負荷を接続することで、実際に送信機が電波を飛ばしてしまうのを防ぐことができます。また、方向性結合器と減衰器を組み合わせてスペクトルアナライザーに信号を供給することもできます。 [ 14 ]

2つのトーン間の周波数間隔は、送信機の試験において重要な意味を持つ。この間隔によって、相互変調積が帯域内か帯域外かが決まる。つまり、送信機が動作するように設計された帯域内で発生するかどうかが決まる。帯域内相互変調は送信機の動作に干渉するため問題となる。しかし、帯域外相互変調はさらに大きな問題となる可能性がある。ほとんどの国では、電気通信当局が事業者に特定の周波数の使用許可を与えている。帯域外信号は事実上完全に抑制する必要がある。しかし、必要な信号と不要な信号間の周波数差が大きいため、帯域外相互変調積はフィルターで比較的簡単に除去できる。[15]

2つのトーンが1つのトーンよりもより現実的なテストを提供するのと同様に、マルチトーンテストは実際の信号の挙動をさらに正確にシミュレートするために使用できます。その考え方は、実際の信号の帯域幅全体に、同様の周波数電力密度を持つトーンを拡散させることです。正確な結果を得るには、トーン間の位相関係を考慮することが重要です。トーンが同期した位相関係にあることは、誤った結果をもたらす可能性があるため、通常は望ましくありません。このため、マルチトーンテストでは、ランダムな位相を持つトーンを生成することがしばしば試みられます。[16]

参考文献

  1. ^ ペドロ＆カルヴァリョ、25～26ページ
  2. ^ 航空電子工学部、p. 5-7.7
  3. ^
    • 張ら、 62ページ
    • ペドロ＆カルヴァリョ、39～42ページ
  4. ^ ポザール、519ページ
  5. ^ ポザール、519ページ
  6. ^ リンクハート、272ページ
  7. ^ 航空電子工学部、p. 5-7.1
  8. ^ 航空電子工学部、p. 5-7.1
  9. ^ 航空電子工学部、pp. 5-7.1–5-7.2
  10. ^ 航空電子工学部、p. 5-7.1
  11. ^ 航空電子工学部、pp. 5-7.1–5-7.2
  12. ^ 航空電子工学部、p. 5-7.9
  13. ^ ガンヌーシら。、156–157ページ
  14. ^ カー、224～226ページ
  15. ^ ペドロ＆カルヴァリョ、39ページ
  16. ^ ガンヌーシら。、157–158ページ

参考文献

  • 航空電子工学部、電子戦およびレーダーシステム工学ハンドブック第4版、海軍航空戦センター兵器部、2013年10月、NACWD技術出版8347
  • Carr, Joseph J., Practical Radio Frequency Test and Measurement , Newnes, 1999 ISBN 0750671610。
  • リンクハート、ダグラス・K.著『マイクロ波サーキュレーターの設計』、アーテックハウス、2014年ISBN 1608075834。
  • ペドロ、ホセ・カルロス、カルヴァーリョ、ヌーノ・ボルジェス、『マイクロ波および無線回路における相互変調歪み』、アーテックハウス、2003年ISBN 1580536913。
  • ポザール、デビッド・M.著『マイクロ波工学』、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ、2011年ISBN 0470631554。
  • ラルフ・ルーダースドルファー著『広帯域無線送信機の動作モデリングとプリディストーション』、John Wiley & Sons、2015年ISBN 1118406273。
  • 張雪軍、ラーソン・ローレンス・E.、アスベック・ピーター著『線形RFアウトフェージング電力増幅器の設計』、アーテックハウス、2003年ISBN 1580536123。
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