SlideShare a Scribd company logo

Rigol RF basics_knowledge_applications

NIHON DENKEI SINGAPORE, profile picture
NIHON DENKEI SINGAPORE

This document serves as a comprehensive guide to understanding radio frequency (RF) signals, covering concepts such as time and frequency domains, measurement instrumentation, and the electromagnetic spectrum. It introduces various instruments, including oscilloscopes and spectrum analyzers, and explains their roles in analyzing RF signals and performing common tests related to communication devices. Additionally, it discusses the significance of electromagnetic interference (EMI) and regulatory considerations for using specific frequency bands.

Education
1 of 122
Download to read offline
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
RF Basics Technology Guide
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  0   Contents   1 Introduction   Time  vs.  Frequency  domain   Superposition     2  The  Electromagnetic  Spectrum     3 Frequency  Measurement  Instrumentation   The  Oscilloscope   Real-­‐Time  Spectrum  Analyzers   The  Swept  Superheterodyne  Receiver   Attenuator   Preamplifier   Preselection/Lo  Pass  Filter   Mixer   Local  Oscillator  (LO)   The  IF  Filter   The  Analog-­‐to-­‐Digital  Converter  (ADC)   Resolution  Bandwidth  (RBW)  Filter   The  Details  of  a  Sweep   The  Envelope  Detector   Video  Bandwidth  (VBW)   Noise   Sweep  Speed   The  Vector  Network  Analyzer     4  Spectrum  Monitoring  with  Real-­‐time  analysis     Real  Time  Capture  and  Analysis     Probability  of  Intercept     Visualizations              
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  1   5  Common  Component  Tests     The  Tracking  Generator     Testing  Filters     Cable/Connector  Loss     VSWR  of  an  Antenna     6 Common  Transmitter  Tests   Output  Power   Transmission  Band   AM  Transmission  Test   FM  Deviation   Harmonics  and  Spurs     7 Common  Receiver  Tests   The  Speaker  (Optional)   Audio  Amplifier  (Optional)   Detector/Demodulator   Selection  and  the  IF  Stages   IF  Amplification   Local  Oscillator  (LO)   Frequency  Conversion/Mixer   Selection/RF  Stage   Antennas,  Cabling,  and  Adapters     8 Electromagnetic  Interference  (EMI)   Compliance  vs.  Pre-­‐compliance   Measuring  Radiated  EMI/Near-­‐Field   Near-­‐Field  Probing  Setup   Tips   Measuring  Conducted  EMI   Conducted  Emission  Measurement  Setup   Test  Procedure   Immunity  Testing     Radiated  Susceptibility   Additional  Testing  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  2     Chapter  1:  Introduction   Radio  frequency  (RF)  waves  are  fascinating  natural  phenomena  that  have  allowed  humanity  to  create  tools  to   communicate  over  vast  distances,  observe  other  worlds,  and  gain  a  deeper  understanding  of  our  own  planet.   They  are  also  ubiquitous  here  on  Earth.  We  are  surrounded  by  RF  waves  created  by  human  technology,  like   the  signals  produced  by  radio  and  television  stations  and  mobile  phones,  as  well  as  signals  emitted  by  natural   sources  like  pulsars  and  supernovae  scattered  throughout  the  universe.   We  created  this  document  to  explain  the  basics  of  RF  signals,  help  you  understand  the  time  and  frequency   domains,  and  introduce  common  RF  measurement  instrumentation  and  measurement  techniques.  We  hope   you  find  this  information  helpful.       Time  vs.  Frequency  Domain   Events  are  often  measured  with  respect  to  time.  The  average  speed  of  a  car,  for  example,  can  be  calculated  by   dividing  the  distance  traveled  by  the  time  it  takes  to  travel  that  distance.  Time  domain  measurements—those   events  measured  with  respect  to  time—are  very  useful  to  our  understanding  of  the  physical  world  and  can  be   critical  to  building  something  that  operates  as  intended.   In  electronics,  time  domain  measurements  are  extremely  common.  The  point  in  time  at  which  a  certain  event   occurs  can  be  key  to  the  success  or  failure  of  a  design.  Unfortunately,  humans  don’t  have  the  ability  to  observe   some  elements  of  our  world.  Obviously,  electrons  are  extremely  useful,  but  they’re  notoriously  small  and  hard   to  catch.  However,  we  have  been  able  to  build  tools  that  can  help  us  observe  electrons  as  they  do  their  work.   The  oscilloscope  is  one  of  these  tools.  In  fact,  oscilloscopes  are  among  the  most  common  tools  used  to  perform   time  domain  measurements.  In  essence,  an  oscilloscope  plots  a  graph  of  the  voltage  at  its  input  with  respect  to   time.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  3     Figure  1-­‐1:  Oscilloscope  display  showing  two  waveforms.  The  display’s  horizontal  axis  shows  time;  the  vertical     axis  shows  amplitude.  The  upper  waveform  is  sinusoidal  and  the  lower  waveform  is  a  square  wave.     Note  that  they  contain  elements  that  repeat  with  respect  to  time.       An  oscilloscope  can  show  when  events  occur,  measure  the  amplitude  of  the  event,  and  measure  the  time   between  events.     When  discussing  time-­‐varying  events,  we  often  use  terms  from  basic  wave  theory.  Let’s  take  a  look  at  a   common  wave  function—the  sine  wave—and  describe  these  basic  elements  in  more  detail.   The  sinusoidal  (sine)  wave  is  a  time-­‐varying  waveform  with  smooth  transitions  that  occurs  quite  frequently  in   electronics.     The  sine  wave  is  mathematically  represented  by  this  equation:   y(t)  =  A*sin(2πf  +j)   Where  y(t)  =  A  is  the  amplitude,  f  is  the  frequency  of  oscillations  (cycles)  that  occur  per  unit  of  time,  and  j  is   the  phase,  specifies  (in  radians)  where  in  its  cycle  the  oscillation  is  at  t  =  0.  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  4   The  period  of  a  time-­‐varying  signal  is  the  smallest  amount  of  time  that  defines  a  fundamental  repeating   element  of  the  waveform.  Figure  1-­‐2  shows  a  sinusoidal  waveform  illustrating  the  amplitude  and  one  period  of   the  waveform.       Figure  1-­‐2:  Sinusoidal  waveform  with  common  waveform  terminology.       The  frequency  is  the  number  of  such  periods  that  occur  during  a  specific  amount  of  time.     Time  and  frequency  are  linked  by  this  equation:     f  =  1/T   Where  f  is  the  frequency  in  Hertz  (Hz)  and  T  is  the  waveform  period  in  seconds.  Hertz  is  a  secondary  unit  that   represents  the  inverse  of  the  waveform  period  (1/s).     Let’s  look  at  the  voltage  that  comes  from  a  wall  outlet.  In  the  United  States,  if  we  measured  the  voltage  from  a   wall  outlet  with  an  oscilloscope,  we  would  see  that  it  has  an  amplitude  of  approximately  110V  and  a  period  of   16.67ms.  That  means  that  every  16.67ms,  the  voltage  values  repeat.     Now,  what  is  the  frequency  of  the  voltage  from  a  wall  outlet  in  the  United  States?   f  =  1/T  =  1/16.67ms  =  60Hz  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  5   As  you  can  see,  a  waveform  can  be  described  by  its  characteristics  in  both  the  time  and  frequency  domains.     Superposition   Learning  the  basics  of  periodic  waveforms  like  the  sine  wave  offers  extremely  powerful  tools  for  explaining  and   understanding  more  complicated  waveforms.   Figure  1-­‐2  showed  a  single  sine  waveform.  Figure  1-­‐3  illustrates  what  happens  when  we  source  a  5V  sine  wave   into  an  oscilloscope:     Figure  1-­‐3:  An  oscilloscope  displaying  a  sine  wave  with  a  frequency  of  10MHz.       You  can  see  that  the  frequency  is  10MHz.            
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  6   Now,  let's  source  a  20MHz  sine  wave  at  the  same  time  and  compare  the  two  (Figure  1-­‐4).     Figure  1-­‐4:  An  oscilloscope  display  of  one  sine  wave  with  a  frequency  of  10MHz  (yellow)  and  another  with     a  frequency    of  20MHz  (light  blue).     So,  we  have  a  10MHz  sine  wave  and  a  20MHz  sine  wave.  What  happens  when  we  add  these  sine  waves   together?      The  waveform  changes.         Figure  1-­‐5:  An  oscilloscope  displaying  a  sine  wave  with  a  frequency  of  10MHz  (yellow)  and  a  wave  that     combines  a  10MHz  and  a  20MHz  sine  wave  (blue).      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  7   This  is  known  as  the  superposition  principle.  You  can  add  sine  waves  together  and  the  resultant  wave  can  have   a  drastically  different  shape  than  the  original  waveforms.  To  put  it  another  way,  any  waveform  can  be   constructed  by  the  addition  of  simple  sine  waves.     Now,  let’s  discuss  some  basic  terms.  The  fundamental  frequency  of  the  new  waveform  is  the  lowest  repeated   frequency.  In  this  case,  the  fundamental  frequency  of  the  waveform  is  10MHz.     The  second  harmonic  is  a  waveform  with  a  frequency  that  is  twice  the  fundamental.  In  this  case,  the  second   harmonic  is  20MHz  (2*10MHz).  You  can  continue  on  in  this  way  to  create  any  waveform.     Let's  take  a  look  at  a  special  case.  If  you  continue  to  add  odd  harmonics  (1,  3,  5,  7,  9,  etc.),  you  will  build  a   square  wave.  The  lower  waveform  in  Figure  1-­‐6  was  built  using  odd  harmonics.       Figure  1-­‐6:  An  oscilloscope  display  showing  a  sine  wave  with  a  frequency  of  10MHz  (yellow)  and  a  square     waveform  with    a  frequency  of  10MHz  (light  blue).       Note  that  the  waveform  is  starting  to  look  more  “square,”  but  the  frequency  of  the  main  shape  is  still  at   10MHz.   What  would  these  waveforms  look  like  in  the  frequency  domain?  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  8   A  spectrum  analyzer  is  an  instrument  that  displays  the  amplitude  vs.  frequency  for  input  signals.     If  we  source  a  10MHz  sine  wave  into  a  spectrum  analyzer,  the  display  looks  like  Figure  1-­‐7.     Figure  1-­‐7:  A  10MHz  sine  wave  displayed  on  a  spectrum  analyzer.  Note  the  peak  at  10MHz.       Now,  let's  look  at  the  square  waveform  on  a  spectrum  analyzer  (Figure  1-­‐8).     Figure  1-­‐8:  10MHz  square  wave  displayed  on  a  spectrum  analyzer.  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  9     You  can  see  the  fundamental  frequency  at  10MHz;  the  third  (3*10MHz  =  30MHz),  fifth  (5*10MHz  =  50MHz),   and  seventh  (7*10MHz  =  70MHz)  harmonics  are  also  shown.     By  visualizing  the  signal  in  frequency  domain,  it’s  easy  to  see  what  frequencies  we  are  sourcing,  as  well  as  the   power  distribution  for  each  frequency.  Spectral  analysis  is  critical  in  designing  and  troubleshooting   communications  circuits,  radio/broadcast,  transmitters/receivers,  as  well  as  Electromagnetic  Compliance  (EMC)   measurements.     The  following  chapters  will  offer  an  overview  of  spectrum  analyzer  design  and  techniques  for  using  these   instruments  properly.   Some  of  the  most  significant  contributions  to  our  understanding  of  waves  come  from  a  French  mathematician,   Jean-­‐Baptiste  Joseph  Fourier  (1768–1830).  Fourier  was  investigating  a  solution  to  modeling  the  transfer  of  heat   across  a  metal  plate.  As  part  of  his  work,  he  created  a  method  of  adding  simple  sine  waves  to  create  a  more   complicated  waveform.  His  “Fourier  Transform”  has  been  used  to  solve  many  complex  physical  problems  in   thermodynamics  and  electronics.  It  also  provides  a  way  to  convert  signals  captured  in  the  time  domain  into  the   frequency  domain.  This  concept  has  had  far-­‐reaching  effects  in  electronics,  communications,  and  the  physical   sciences.  The  superposition  principle  discussed  earlier  in  this  chapter  is  based  on  Fourier's  initial  research.                    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  10     Chapter  2:  The  Electromagnetic  Spectrum    Now  that  we  have  introduced  the  time  and  frequency  domains,  let’s  take  a  closer  look  at  electromagnetic   radiation  and  the  electromagnetic  spectrum.     Electromagnetic  radiation  is  a  form  of  energy  that  is  carried  by  synchronized  oscillating  electric  and  magnetic   fields.  It  is  unique  in  that  its  actions  can  be  explained  by  theories  that  are  based  on  both  waves  and  particles.   Electromagnetic  radiation  also  travels  without  a  medium.  Waves  on  the  ocean  require  water  in  order  to  exist;   sound  waves  require  air  to  propagate.  Although  neither  of  these  waves  can  travel  through  a  vacuum,   electromagnetic  waves  can.  In  fact,  they  travel  through  the  vacuum  of  space  at  the  speed  of  light.     Recall  that  a  wave  can  be  described  by  its  frequency  of  oscillation.  Electromagnetic  waves  are  no  different   and  they  cover  quite  a  broad  range  of  frequencies.  In  fact,  nature  has  no  known  physical  limits  on  maximum   and  minimum  frequencies.     Frequencies  are  grouped  into  bands  based  on  similarities  in  their  physical  traits  or  specific  applications.  Some   frequency  bands  travel  through  the  Earth’s  atmosphere  with  less  loss;  others  are  more  useful  for  a  particular   application  and  are  “set  aside”  for  experimentation.  Some  bands  have  more  than  one  official  user.     Two  common  frequency  bands  to  note  are  light  and  radio.     Visible  light  is  defined  as  electromagnetic  radiation  with  wavelengths  from  400nm  to  700nm  (1nm  is  1¥10-­‐ 9 m).  This  is  equivalent  to  frequencies  from  5¥1014   Hz  to  1¥1015   Hz,  although  wavelengths  are  traditionally   used  when  discussing  light.  Humans  can  see  electromagnetic  radiation  with  wavelengths  (or  frequencies)  in   this  band.     The  radio  frequency  (RF)  band  of  electromagnetic  waves  has  frequencies  from  8.3kHz  (104  Hz)  to  300GHz   (1011   Hz).              
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  11   Figure  2-­‐1  illustrates  the  full  electromagnetic  spectrum  and  the  RF  band.      Figure  2-­‐1:  The  full  electromagnetic  spectrum  and  the  RF  band.       The  RF  band  is  useful  for  many  industries  and  applications,  including  direct  audio  communications   (mobile  phones,  mobile  radios,  FM  radios),  device  communications  (wireless  keyboards,  Wi-­‐Fi  hotspots,  game   controllers),  and  interplanetary  research  (like  the  giant  radio  telescope  at  the  Arecibo  Observatory  in  Puerto   Rico).     Within  the  RF  band,  specific  frequencies  are  dedicated  to  communication  and  broadcast  that  are  open   to  anyone  with  the  ability  to  transmit.  The  Citizens  Band  (CB)  as  well  as  Industrial,  Science,  and  Medical  band   (ISM)  are  examples  of  unlicensed  communications  bands.     Others,  like  FM  radio,  are  licensed  channels  that  are  specifically  allocated  or  rented  by  individuals  or   corporations  for  a  particular  use.  The  national  government  and  the  channel  licensee  monitor  licensed   broadcast  channels  very  closely  in  order  to  ensure  that  the  broadcasts  adhere  to  certain  content  and  physical   transmission  criteria.  In  the  United  States,  the  Federal  Communications  Commission  (FCC)  regulates  the  RF   spectrum.     Electromagnetic  interference  (EMI)  is  another  important  aspect  of  the  RF  story.  Devices  designed  to   transmit  and  receive  RF  signals  are  classified  as  intentional  radiators.  Examples  include  FM  radios,  Wi-­‐Fi  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  12   routers,  and  wireless  keyboards.  However,  other  devices  that  are  not  specifically  intended  to  create  RF  signals   are  classified  as  unintentional  radiators;  they  represent  the  primary  source  of  EMI.     EMI  is  RF  noise.  An  unintentional  radiator  creates  RF  radiation  that  is  not  intended  to  communicate,   control,  or  deliver  any  relevant  information.  Therefore,  unintentional  radiators  are  RF  noise  sources.  Some   designs  exhibit  less  noise  than  others.  But,  just  imagine  if  every  electronic  device  emitted  a  large  amount  of   RF  noise!  What  if  your  radio-­‐controlled  car  interfered  with  the  radar  at  a  nearby  airport?   In  order  to  control  and  maintain  a  safe  operating  environment,  governments  regulate  the  amount  of   acceptable  EMI  that  a  design  or  product  can  produce.  Products  that  exceed  the  limits  set  forth  by  the   regulations  can  lead  to  heavy  financial  penalties  for  offending  individuals  or  companies.     When  performing  experiments  and  development  with  RF,  it  is  very  important  to  understand  the   requirements  of  working  within  a  specific  frequency  band.  If  you  are  working  within  a  licensed  or  restricted   band,  make  sure  to  research  how  to  do  that  safely  and  work  within  the  regulations  for  that  band.     Our  previous  discussions  on  the  time/frequency  domains  and  the  electromagnetic  spectrum  have   provided  a  base  for  our  knowledge  of  RF.  In  the  following  sections,  we  will  introduce  basic  RF  measurement   instrumentation  and  techniques,  with  a  focus  on  typical  RF  component  tests,  broadcast/radio  monitoring,  and   EMI.                    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  13   Chapter  3:  Frequency  Measurement  Instrumentation   Chapters  1  and  2  offered  details  about  waves,  frequency,  RF,  and  the  electromagnetic  spectrum.  Chapter  3   highlights  common  instrumentation  used  to  measure  signals  in  the  time  and  frequency  domains,  and  delves   deeper  into  the  inner  workings  of  spectrum  analyzers.       The  Oscilloscope   In  many  cases,  looking  at  a  signal  in  the  time  domain  can  provide  indications  about  the  performance  of  a   particular  design.  It  can  tell  you  how  quickly  a  signal  achieves  its  maximum  voltage  (rise  time)  or  its  lowest   (fall  time),  how  two  signals  compare  with  one  another  vs.  time,  or  the  duration  of  a  signal.  All  of  these   measurements  are  ideally  measured  in  the  time  domain.     The  oscilloscope,  introduced  in  chapter  1,  measures  voltage  with  respect  to  time,  then  displays  the  graph  of   voltage  (amplitude)  vs.  time  (Figure  3-­‐1).     Figure  3-­‐1:  Oscilloscope  display  showing  two  waveforms.  The  horizontal  axis  of  the  display  shows  time;  the  vertical   axis  displays  amplitude.  The  upper  waveform  is  sinusoidal  and  the  lower  waveform  is  a  square  wave.  Note  that  they   contain  elements  that  repeat  over  time.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  14     Figure  3-­‐2:  A  modern  digital  oscilloscope.     Early  oscilloscopes  were  strictly  analog  in  nature  and  used  a  cathode  ray  tube  (CRT)  as  a  display.  Much  like  an   analog  television  set,  these  scopes  would  “draw”  the  incoming  signal  on  the  display.  This  was  extremely   helpful  in  visualizing  the  input  signal  but  made  it  difficult  to  perform  any  direct  measurements;  the  only  way   to  save  data  was  to  take  a  picture  of  the  display  of  the  oscilloscope.   The  advancement  of  digital  technology  led  to  fully  digital  oscilloscopes  (Figure  3-­‐2).  With  the  raw  voltage  and   time  data  digitized,  the  data  could  be  saved  and  used  to  perform  calculations  directly  within  the  scope  itself.   Modern  oscilloscopes  can  now  directly  calculate  rise  time,  duty  cycle,  maximum  voltage,  and  more.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  15      Figure  3-­‐3:  Oscilloscope  display  showing  all  measurements  for  a  1MHz  square  wave  input.       Some  digital  scopes  can  also  display  the  amplitude  of  the  incoming  signal  vs.  frequency  by  using  Fast  Fourier   Transform  (FFT)  calculations.  The  FFT  function  of  oscilloscopes  can  be  useful  in  identifying  the  fundamental   frequency,  as  shown  in  Figure  3-­‐4.       Figure  3-­‐4:  Oscilloscope  display  showing  an  FFT  of  a  1MHz  square  wave  input.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  16     So,  with  a  scope,  we  can  read  the  phase  information  (in  the  time  domain)  and  gather  basic  amplitude  and   frequency  information  in  the  frequency  domain  by  using  FFTs.  Unfortunately,  oscilloscopes  tend  to  have  a   much  higher  noise  floor  than  traditional  frequency  measurement  instrumentation  like  spectrum  analyzers.   This  can  make  looking  for  small  amplitude  elements,  like  higher  ordered  harmonics,  difficult  if  not  impossible.     They  are  also  “wideband”  instruments,  which  means  that  they  detect  a  wide  range  of  frequencies  at  the  same   time.  This  raises  the  noise  floor  and  does  not  provide  for  an  easy  way  to  differentiate  between  signals  that   could  have  frequencies  that  are  close  together.       Real-­‐Time  Spectrum  Analyzers   Real-­‐time  spectrum  analyzers  are  similar  to  oscilloscopes  in  that  they  first  collect  data  in  the  time  domain,   then  calculate  the  frequency  using  FFT  algorithms.  In  this  way,  they  can  collect  a  large  number  of  data  points   over  a  broad  range  of  frequencies,  calculate  the  amplitude  vs.  frequency,  and  display  them  quickly  in  the   frequency  domain.  They  differ  from  oscilloscopes  in  that  they  tend  to  offer  lower  noise  floors,  as  well  as   special  filtering  that  can  differentiate  between  signals  that  are  close  together.     Real-­‐time  spectrum  analyzers  are  very  useful  in  capturing  fast-­‐changing  signals,  especially  when  working  with   digital  communications.  They  generally  can  capture  transients  and  fast  signals  more  quickly  than  a  swept   spectrum  analyzer,  but  they  also  have  a  higher  noise  floor  and  price  tag.     Although  real-­‐time  systems  are  gaining  in  popularity,  they  are  still  significantly  outnumbered  by  the  swept   analyzer  design.  The  remainder  of  this  section  will  explore  the  inner  workings  of  the  most  popular  method  of   frequency  measurement,  the  swept  spectrum  analyzer.       The  Swept  Superheterodyne  Receiver   Spectrum  analyzers  based  on  swept  superheterodyne  designs  are  very  popular,  due  in  part  to  their  low  noise,   ease  of  use,  and  ability  to  differentiate  between  signals  that  have  very  close  frequencies.     In  basic  terms,  the  swept  superheterodyne  is  almost  identical  to  a  radio  receiver.  Both  can  be  set  to  a   particular  frequency  range  and  filter  out  other  frequencies  (like  tuning  to  particular  radio  station)  and  then   observe  the  incoming  signal.  Unlike  a  radio,  which  is  tuned  to  a  particular  frequency  and  then  the  signal  is  fed  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  17   to  a  speaker,  an  analyzer  is  not  set  to  a  fixed  frequency.  Instead,  the  analyzer  sweeps  across  frequencies  in   steps,  like  moving  the  radio  to  a  new  channel,  and  then  plots  the  signal  amplitude  on  a  display.     In  simple  terms,  this  design  takes  an  unknown  signal  (an  input  or  RFIN  signal)  and  mixes  (combines)  it  with  a   sweeping  signal,  or  swept  Local  Oscillator  (LO),  to  create  a  signal  that  is  a  combination  of  both.  The  LO  is   swept  from  a  start  frequency  to  a  stop  frequency  in  discrete  steps.  Each  step  in  the  sweep  defines  a   frequency  “bin”  on  the  spectrum  analyzer  display.  At  each  bin,  the  power  is  measured.  If  the  unknown  signal   has  a  frequency  component  within  the  bin,  the  display  will  place  a  data  point  at  the  equivalent  amplitude  of   the  unknown  signal.  After  the  sweep  is  completed,  the  resulting  display  will  represent  one  scan  across  the   span  defined  by  the  start  and  stop  values  of  the  instrument.  The  following  sections  will  examine  how  each   circuit  element  is  used  to  create  this  output.     First,  let’s  look  back  at  a  little  electrical  engineering  history.  The  term  superheterodyne  is  short  for  supersonic   heterodyne.  The  basic  design  was  created  by  Edwin  Armstrong,  an  American  electrical  engineer,  in  1918.   Supersonic  refers  to  waves  with  frequencies  higher  than  those  within  the  range  of  human  hearing  (31Hz  to   21kHz).  Heterodyne  is  a  contraction  of  the  Greek  words  hetero-­‐,  which  means  “different”  and  –dyne,  which   means  “power.”     Figure  3-­‐5  illustrates  a  basic  design  for  a  modern  superheterodyne  receiver  used  in  a  spectrum  analyzer.     Figure  3-­‐5:  A  modern  superheterodyne  receiver  used  in  a  spectrum  analyzer.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  18   Let's  take  a  look  at  each  of  the  elements  as  a  signal  passes  through  each  of  them.       Attenuator   The  input  RF  signal  is  connected  to  the  spectrum  analyzer’s  RF  input  where  it  enters  the  attenuator  circuit.   The  attenuator  is  used  to  decrease  the  amount  of  power  delivered  to  the  circuit  elements  that  follow  it.  This   protects  the  sensitive  electronics  that  follow  and  decreases  the  effects  of  spurs  and  modulation  effects  in  the   mixer.  In  many  cases,  a  design  can  incorporate  an  integrated  attenuator  that  can  be  controlled  by  settings  on   the  analyzer.  External  attenuators  that  have  fixed  or  variable  attenuation  can  also  be  used.       Preamplifier   The  preamplifier  (PA)  is  a  low  noise  amplifier  that  increases  the  input  signal  amplitude  (Figure  3-­‐6).  It  can   increase  the  signal-­‐to-­‐noise  ratio  and  helps  increase  the  measurement  sensitivity  to  low  power  elements  in   the  input  signal.  It  is  also  usually  controlled  by  the  spectrum  analyzer.       Figure  3-­‐6:  The  effect  of  a  n  attenuator  and  a  preamplifier  on  an  input  signal.     Preselection/Lo  Pass  Filter   The  preselection  filter  is  a  bandpass  filter  that  only  allows  certain  frequencies  to  reach  circuit  elements.   Unwanted  signals  are  rejected  to  prevent  them  from  causing  measurement  errors.  Preselection  filters  may  or  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  19   may  not  be  included  in  a  particular  design.  Although  they  add  complexity  and  cost,  they  do  reduce  the   likelihood  of  false  peaks  in  the  scanned  spectra.   A  low-­‐pass  filter  typically  prevents  frequencies  that  exceed  the  maximum  operating  frequency  from  entering   the  circuit.  This  stops  them  from  entering  the  next  stage  of  the  circuit,  where  they  could  be  more  difficult  to   remove.  A  DC  block  is  also  included  in  the  RF  input  circuit.  This  element  blocks  out  any  DC  components  of  the   input  that  can  cause  overloading  or  damage  to  the  remaining  circuit  elements.       Mixer   A  mixer  is  a  three-­‐port  circuit  element  that  takes  two  input  signals  and  creates  an  output  signal  that  is  a   combination  of  both  the  RFIN  and  LO.  In  this  design,  the  mixer  multiplies  the  unknown  input  signal  (frequency   =  fsig)  with  the  known  local  oscillator  (frequency  =  fLO).     The  resultant  output  (Figure  3-­‐7)  is  composed  of  the  original  RF  signal  (fsig),  the  local  oscillator  signal  (fLO),  and   both  the  sum  and  difference  of  the  RF  and  LO  inputs  (fLO  -­‐  fsig  and  fLO  +  fsig,  respectively),  and  the  sum  and   difference  of  higher  harmonics,  such  as  (2fLO  -­‐  fsig/2fsig  -­‐  fLO  and  2fLO  +  fsig/2fsig  +  fLO).     Figure  3-­‐7:  The  input  signal  (fsig)  is  mixed  with  the  local  oscillator  signal  (fLO).  The  result  is  the  IFout,  which     includes  the  fundamental  mixed  products.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  20   The  output  frequency  from  the  mixer  is  known  as  the  intermediate  frequency  (IF).   The  IFout  components  that  include  only  the  difference  between  the  LO  and  the  input  frequencies  (fLO  -­‐  fsig)  are   known  as  the  downconverted  signal.     The  IFout  components  that  include  only  the  sum  between  the  LO  and  the  input  frequencies  (fLO  +  fsig)  are   known  as  the  upconverted  signal.     Let’s  consider  an  example:   If  RFIN  is  100MHz  and  LO  is  2GHz,  what  are  the  values  of  the  downconverted  and  upconverted  IF   outputs?   Downconverted  signals  are  calculated  by  subtracting  the  fsig  components  from  the  intermediate  frequency  as   shown  here:   IF(down)  =  fLO  -­‐  fsig     fLO  =  2GHz  =  2E+9  Hz   fsig  =  10MHz  =  10E+6  Hz   IF(down)  =  (2E+9  Hz)  -­‐  (10E+6  Hz)  =  1.99E+9  Hz  =  1.99GHz     and,   IF(up)  =  fLO  +  fsig     IF(up)  =  (2E+9  Hz)  +  (10E+6  Hz)  =  2.01E+9  Hz  =  2.01GHz     In  reality,  multiple  mixer  stages  can  be  used  in  series  to  provide  the  right  balance  of  resolution  and   operational  frequency  range.  Narrow  bandwidth  filters  are  needed  to  provide  fine  frequency  resolution,  but   we  want  the  filter  to  operate  over  a  large  range  of  frequencies.  These  two  requirements  often  seem  to  be  at   odds  because  narrow  bandpass  filters  are  not  effective  over  large  frequency  ranges  and  adding  filters   increases  the  cost  and  complexity  of  a  design.     By  adding  multiple  IF  stages,  it’s  possible  to  maximize  the  frequency  resolution  and  extend  the  operating   range.  Multistage  IF  sections  can  upconvert  (step  up)  or  downconvert  (step  down)  the  fLO  to  a  different  range,   where  they  can  be  filtered  to  remove  unwanted  frequencies  at  each  step  as  shown  in  Figure  3-­‐8.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  21     Figure  3-­‐8:  A  diagram  of  a  triple  conversion  IF  stage.     The  use  of  multiple  mixing  stages  allows  the  instrument  to  have  superior  sensitivity,  good  frequency  stability,   and  high  frequency  selectivity.  This  allows  the  instrument  to  have  a  wide  operating  frequency  range  and  the   ability  to  differentiate  signals  that  have  frequencies  that  are  close  together.       Local  Oscillator  (LO)   Local  oscillators  (LOs)  are  an  integral  part  of  the  mixer  network.  An  LO  is  a  circuit  element  that  provides  a   signal  at  a  known  frequency  and  amplitude.  An  LO  can  be  made  up  of  different  designs  and  materials,  but  its   main  purpose  is  to  provide  a  stable  frequency  reference  that  can  be  used  to  compare  unknown  RF  from  the   input  stages.     Many  designs  (Figure  3-­‐9)  incorporate  a  swept  LO  as  the  first  stage  (1st  LO).  A  swept  LO  uses  a  Voltage   Controlled  Oscillator  (VCO).  As  the  voltage  to  a  VCO  is  increased,  the  output  frequency  also  increases.  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  22      Figure  3-­‐9:Example  of  a  swept  Voltage  Controlled  Oscillator  (VCO)     The  sweep  function  is  also  tied  to  the  instrument  display.  As  the  LO  steps  from  the  start  to  the  stop   frequency,  the  frequency  step,  or  “bin”  of  the  display  is  also  stepped.  This  synchronization  ensures  that  the  IF   and  the  displayed  values  for  each  frequency  “bin”  are  matched.     The  local  oscillator  frequency  is  based  on  a  reference  oscillator  within  the  circuit.  This  reference  oscillator  is   generally  a  crystal  oscillator,  like  quartz,  that  vibrates  at  a  known  frequency.  A  perfect  reference  oscillator   would  have  an  infinitely  accurate  output  frequency  that  would  not  change  with  aging  or  temperature.  It   would  have  no  “spectral  width”  and  would  be  a  straight  line  at  the  oscillator  frequency,  as  shown  in  Figure  3-­‐ 10.     Figure  3-­‐10:  Example  of  a  perfect  oscillator  output.  Note  there  is  only  one  single  frequency     with  no  width.          
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  23   Unfortunately,  the  vibrations  (and  therefore  the  output  frequency)  for  oscillators  are  effected  by   environmental  conditions  like  aging,  temperature,  and  humidity.  This  leads  to  phase  noise.   Phase  noise  represents  the  change  in  the  phase  of  an  oscillators  output  signal  over  time.  On  a  spectrum   analyzer,  phase  noise  shows  up  as  a  widening  of  the  occupied  frequencies  of  an  input.  This  widening  can  be   described  as  a  wedge  or  “skirt”  near  the  bottom  of  measurement  as  highlighted  in  the  box  in  Figure  3-­‐11.       Figure  3-­‐11:  A  real  oscillator  measurement  showing  the  phase  noise  that  is  due  to  thermal  fluctuations     in  the  circuit  elements.     Phase  noise  effectively  increases  the  noise  floor  and  can  increase  the  difficulty  of  observing  small  signals  close   to  an  input  frequency  by  effectively  covering  the  signals  that  you  are  seeking.  Low  phase  noise  can  help   increase  the  low-­‐level  signal  observation  near  measured  input  frequencies.     The  yellow  trace  in  Figure  3-­‐11  is  a  100MHz  RF  input.  The  purple  line  is  the  noise  floor  of  the  analyzer  with   identical  measurement  settings.  Note  the  rise  in  the  noise  floor  approaching  the  center  frequency  of  the   100MHz  input.  This  phase  noise  is  coming  from  either  the  source  or  the  analyzer,  whichever  is  greater.     Phase  noise  can  be  minimized  by  selecting  quality  reference  oscillator  materials  as  well  as  environmental   control.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  24   Temperature  Compensated  Crystal  Oscillators  (TCXO),  Microcontrolled  Crystal  Oscillators  (MCXO),  and  Oven   Controlled  Crystal  Oscillators  (OCXO)  are  some  common  designs  that  can  be  incorporated  to  help  limit  the   phase  noise  of  a  particular  design.       The  IF  Filter   The  IF  filter  follows  immediately  after  the  mixer.  It  filters  out  the  fsig,  fLO,  and  leaves  either  the  upconverted   (fLO  +  fsig)  or  downconverted  signal  (fLO  -­‐  fsig),  as  shown  in  Figure  3-­‐12.       Figure  3-­‐12:  Output  of  the  IF  stage  after  the  IF  filter.     Now,  a  known  signal  (fLO)  has  been  subtracted  from  the  original  signal  of  an  unknown  frequency  to  create  the   IF.  Because  we  know  the  frequency  of  the  fLO,  we  could  apply  a  filter  with  a  known  center  frequency  and   known  bandwidth  to  the  IF  and  measure  the  output.  If  the  IF  does  not  exist  in  that  frequency  range,  we  could   step  to  another  filter  (with  a  different  center  frequency)  and  check  again.  With  enough  filters,  we  could   continue  to  step  through  center  frequencies  and  look  for  the  IF.  Once  we  find  the  center  frequency  of  the  IF,   we  can  subtract  the  original  fLO  and  the  result  would  be  our  previously  unknown  fsig.   In  practice,  designing  analog  filter  networks  with  enough  range  and  performance  to  cover  giga-­‐hertz  of   frequency  ranges  can  be  difficult  and  expensive.  In  the  past,  fully  analog  designs  were  the  only  available  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  25   option.  They  worked  very  well  over  their  intended  ranges,  but  there  are  disadvantages  to  a  fully  analog   system.     Most  modern  designs  incorporate  a  different  strategy  to  isolate  the  unknown  signal.  They  use  a  final  IF  stage   with  a  fixed  center  frequency  and  the  LO  is  swept.  The  next  section  covers  how  this  swept  design  eases  the   design  burdens  and  increases  functionality  of  spectrum  analyzer  design.       The  Analog-­‐to-­‐Digital  Converter  (ADC)   The  first  few  generations  of  spectrum  analyzers  used  analog  components  throughout  their  design,  with  the   readout  being  an  analog  cathode  ray  tube  (CRT)  display.  Wider  operating  ranges  and  smaller  bandpass  filters   required  more  components.  Due  to  the  nature  of  the  available  analog  components,  a  fully  analog  spectrum   analyzer  was  substantial  in  size,  weight,  and  cost.     Some  older  spectrum  analyzers  could  be  as  large  as  24”  ¥  24”  ¥  24”  in  size,  weigh  over  40  pounds,  and  cost   more  than  $40,000.  Today,  many  of  the  filters  and  other  components  have  been  replaced  by  digital  signal   processors  (DSPs),  which  can  successfully  model  the  characteristics  of  their  analog  counterparts.  The   integration  of  digital  components  has  simplified  the  design  and  decreased  the  size,  weight,  and  cost.  A   modern  spectrum  analyzer  a  bit  bigger  than  a  shoebox  and  weighing  less  than  10  pounds  can  be  purchased   for  less  than  $10,000.  There  are  even  USB-­‐controlled  instruments  that  are  as  small  as  a  pack  of  playing  cards   for  a  few  hundred  dollars.     Now,  back  to  our  original  discussion.  The  unknown  signal  has  been  converted  to  create  the  IF  (intermediate   frequency).  The  IF  signal  is  then  sent  to  an  analog-­‐to-­‐digital  converter  (ADC).  The  ADC  creates  a  digital  output   that  is  proportional  to  the  analog  input.     Once  the  signal  has  been  converted  to  a  digital  signal,  it  can  be  easily  manipulated.  We  can  apply  different   mathematical  algorithms  to  help  isolate  the  unknown  signal.          
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  26   Resolution  Bandwidth  (RBW)  Filter   Following  the  ADC  is  the  resolution  bandwidth  (RBW)  filter.  The  purpose  of  the  RBW  filter  is  to  isolate  the  IF   and  reject  any  out-­‐of-­‐band  signals.  It  can  be  implemented  as  the  final  stage  of  the  IF  filter,  or  further  down   the  signal  chain,  depending  on  the  design.     The  RBW  filter  is  a  bandpass  filter  that  allows  frequencies  within  its  envelope  to  pass  through  the  filter  but   rejects  frequencies  outside  of  the  envelope.  The  RBW  filter  commonly  implements  a  Gaussian  shape,  as   shown  in  Figure  3-­‐13.     Figure  3-­‐13:  Typical  Gaussian  RBW  filter  shape.     A  bandpass  filter  has  a  center  frequency  and  a  bandwidth.  Typically,  the  bandwidth  is  given  at  the  filter’s  3dB   point.  The  3dB  point  is  the  amplitude  at  which  the  area  of  the  curve  is  split  in  half.  Fifty  percent  lies  above  the   3dB  point,  and  50  percent  lies  below  the  3dB  point.     The  bandwidth  is  defined  as  the  frequency  difference  (f2  -­‐  f1)  at  the  3dB  point.     The  Gaussian  filter  shape  is  used  because  it  offers  the  greatest  degree  of  phase  linearity  balanced  with  good   selectivity.  Selectivity  is  a  measure  of  how  well  a  filter  rejects  signals  that  are  near  the  operating  frequency   range  of  the  filter.  Other  filter  shapes  (flat  top,  for  example)  have  better  selectivity,  so  they  can  reject  out-­‐of-­‐ band  signals  more  precisely,  but  they  do  not  have  good  phase  linearity,  which  can  cause  undesirable  effects   like  ringing  that  cannot  be  filtered  out  easily.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  27   Although  very  popular,  there  are  also  other  filter  types  that  can  be  implemented  using  analog,  digital,  or  a   combination  of  both  in  a  hybrid  design.     Digital  filters  can  be  designed  to  have  better  selectivity  than  analog  filters  (Figure  3-­‐14).     Figure  3-­‐14:  Analog  (black)  vs.  digital  (blue)  filter  shapes.  Note  that  digital     filters  can  achieve  higher  directivity  than  analog  filters.       Digital  filters  also  offer  other  advantages.  For  example,  many  electromagnetic  compliance  (EMC)  tests   typically  use  a  6dB  Gaussian  filter.  This  filter  bandwidth  is  defined  at  the  6dB  point,  where  approximately  75   percent  of  the  area  of  the  filter  is  higher  than  the  6dB  point.  This  type  of  filter  has  a  more  desirable  response   to  impulse  and  short  duration  burst  RF  signals,  which  can  be  a  major  contributor  to  electromagnetic   interference  (EMI).        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  28     Figure  3-­‐15:  Block  diagram  of  a  swept  superheterodyne  design  showing  the  location  of  the  final  stage  of     filtering  and  detector  (RBW,  Envelope,  and  VBW).     Figure  3-­‐16  shows  a  screen  shot  from  a  swept  spectrum  analyzer.  The  input  signals  are  40MHz  and  40.1MHz   sine  waves.       Figure  3-­‐16:  Two  input  signals  scanned  with  RBWs  of  1MHz  (yellow),  100kHz  (purple),  and  10kHz  (blue).   The  yellow  trace  was  captured  using  an  RBW  of  1MHz.  The  purple  trace  was  at  an  RBW  of  100kHz,  and  the  light   blue  trace  was  at  10kHz.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  29     Because  the  signals  are  only  separated  by  100kHz,  the  RBW  of  1MHz  shows  just  a  single  bump  because  the   RBW  is  greater  than  the  input  signal.  This  shape  is  characteristic  of  the  swept  IF  frequency  tracing  out  the   envelope  filter  that  follows  the  RBW  filter.   As  the  RBW  decreases,  we  get  higher  frequency  resolution  and  lower  noise  floor,  as  you  can  see  in  the  purple   (RBW  =  100kHz)  and  blue  (RBW  =  10kHz)  traces.     The  Details  of  a  Sweep   As  mentioned  earlier,  we  could  implement  a  design  that  uses  a  filter  for  each  frequency  step  of  interest.  This   approach  might  be  acceptable  for  analyzing  a  few  hundred  kilohertz  of  range,  but  it  would  be  difficult  and   expensive  if  it  had  to  work  over  a  larger  frequency  range.  For  example,  if  we  wanted  to  have  the  100Hz  of   frequency  resolution  over  100MHz  of  operating  range,  that  would  require  a  million  filters,  which  would  not   be  very  practical  to  implement  in  hardware.     As  an  alternative,  the  swept  superheterodyne  resolution  bandwidth  filter  (RBW)  has  a  fixed  center  frequency   that  does  not  change  and  also  incorporates  a  user-­‐defined  range  of  bandwidths  that  provide  resolution   selectivity.  This  allows  the  designer  to  use  a  filter  with  better  performance  and  a  wider  operating  range  to   maximize  the  usefulness  of  the  analyzer.  Instead,  the  LO  is  swept  across  a  frequency  range  in  steps  that  are   synchronized  with  the  display  steps.  The  actual  sweep  range  frequencies  for  the  1st  LO  (swept  LO  stage)  are   typically  not  the  same  as  the  sweep  range  on  the  display.  The  LO  sweep  range  is  selected  to  be  out  of  the   measurement  range  of  the  instrument  to  help  minimize  noise  and  harmonics  from  the  RF  input.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  30   Let’s  consider  an  example  where  an  analyzer  is  configured  to  sweep  from  a  start  frequency  of  1GHz  to   1.5GHz.  The  RBW  is  fixed  at  500MHz,  and  the  LO  sweeps  from  500MHz  to  1GHz  as  shown  in  Figure  3-­‐17.     At  the  first  step  in  the  sweep,  the  RFIN  is  1GHz,  LO  is  500MHz,  and  the  resultant  IF  is  500MHz.       Figure  3-­‐17:  Block  diagram  showing  the  unknown  inputs,  LO,  and  the  IF  output.  Note  the  RBW  filter  at  a  fixed  frequency   (green).    Note:  The  LO  sweep  spans  the  same  frequency  range  as  the  display  range  on  the  analyzer.          
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  31   The  LO  continues  to  sweep  with  the  display.  When  the  LO  is  at  750MHz,  the  IF  has  signals  present  near  the   RBW/IF  filter  center  wavelength,  as  shown  in  Figure  3-­‐18.      Figure  3-­‐18:The  unknown  RF  input  signals  are  mixed  with  the  LO  to  create  the  IF.  The  IF  is  then  compared  with  the  RBW  filter.     This  process  continues  through  the  entire  scan  range.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  32   Figures  3-­‐19  and  3-­‐20  show  the  same  steps,  as  well  as  the  actual  displayed  spectrum  on  the  analyzer.     Note:  In  frequency  bins  where  there  are  no  RFIN  signals,  the  display  shows  the  noise  floor  of  the  analyzer.      Figure  3-­‐19:  The  displayed  spectrum  as  the  analyzer  scans  across  the  operating  frequency  range.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  33     Figure  3-­‐20:  A  completed  sweep  showing  the  RBW  filter’s  effect  on  the  displayed  data  (green).     Narrower  RBW  bandwidths  provide  higher  frequency  resolution  and  a  lower  noise  floor,  but  they  increase  the   sweep  time  for  a  given  span  because  they  increase  the  number  of  steps  required  to  cover  that  span.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  34   The  Envelope  Detector   Immediately  following  the  Resolution  Bandwidth  filter  (RBW)  is  an  envelope  detector,  which  measures  the   voltage  envelope  of  the  time-­‐based  input  IF.   If  the  IF  is  a  single  frequency  sine  wave,  the  output  will  be  a  single  DC  voltage.  This  is  the  situation  when  the  IF   is  simply  the  LO,  with  no  mixed  frequencies  present.   If  the  IF  is  comprised  of  multiple  frequencies,  which  is  the  case  if  there  are  mixing  products  in  the  IF  (fLO  -­‐  fsig   or  fLO  +  fsig),  then  the  output  voltage  will  match  the  envelope  of  the  IF  in  time,  as  shown  in  Figure  3-­‐21.     Figure  3-­‐21:The  intermediate  frequency  after  the  envelope  detector.     Now,  let's  look  at  how  the  sweeping  LO,  RBW  filter,  and  envelope  work  together  to  convert  the  signal  from   the  time  domain  to  the  frequency  domain.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  35   Figure  3-­‐22  shows  an  example  of  an  unknown  signal  (fs)  as  it  is  mixed  with  three  steps  (flo1,  flo2,  and  flo3)  of  a   sweeping  LO.       Figure  3-­‐22:  An  unknown  signal  is  mixed  with  three  LO  steps  showing  how  the  data  from  the  envelope  detector  data  is   selected  for  display.       The  envelope  detector  returns  the  voltage  value  of  each  of  steps  (flo1,  flo2,  and  flo3)  in  this  sweep.  At  each  step   in  the  LO,  the  amplitude  (voltage)  is  plotted  vs.  the  step  frequency.     Many  analyzers  have  a  number  of  detectors  available  that  allow  selecting  the  voltage  values  that  are   displayed  from  each  frequency  bin  that  has  been  collected.     Figure  3-­‐23  shows  the  video  voltage  of  a  signal  for  two  frequency  bins,  f0  and  f1.  The  top  plot  shows  the   video  voltage  (green  trace)  of  this  incoming  signal  with  respect  to  time.  The  bottom  plot  shows  the  value  that   each  detector  selection  would  report  to  the  display.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  36     Figure  3-­‐23:The  video  voltage  is  selected  based  on  the  detector  type.  This  diagram  shows  the  data  displayed  based  on     a  Positive  Peak,  Sample,  and  Negative  Peak  detector  selection  for  a  given  input  signal.     The  positive  peak  detector  displays  the  maximum  amplitude  value  in  each  bin.  It  is  useful  for  sinusoidal   inputs,  but  it  is  not  recommended  for  noise  because  it  will  not  show  the  true  random  nature  of  a  noise   source.     The  negative  peak  detector  displays  the  minimum  amplitude  value  in  each  bin.     The  sample  detector  will  select  a  random  value  from  the  video  voltage.  It  is  most  useful  for  observing  noise.     The  normal  or  “rose-­‐and-­‐fell”  detector  will  select  either  the  positive  or  negative  peak  values,  depending  on   the  trend  within  that  bin.  If  the  signal  both  rose  and  fell  within  that  bin,  it  will  assume  that  the  input  is  noise   and  will  alternate  between  positive  and  negative  peaks  to  provide  a  more  appropriate  response  to  the  input.   If  it  rose  within  the  bin,  it  will  select  positive;  if  it  fell,  negative.  It  is  most  useful  for  noise  and  sinusoidal   signals.   There  can  also  be  averaging  detectors,  such  as  RMS  average,  voltage  average,  and  Quasi-­‐Peak  average   detectors.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  37   The  RMS  detector  reports  the  root-­‐mean-­‐square  (RMS)  value  of  the  incoming  signals.  It  is  useful  when   measuring  the  power  of  communication  and  other  complex  signals.   The  voltage  average  reports  the  average,  or  mean,  voltage  of  the  bin.  It  can  be  helpful  for  electromagnetic   interference  (EMI)  measurements.   Some  specialized  analyzers  also  come  with  a  Quasi-­‐Peak  (QP)  detector,  which  provides  a  special  weighted   average  of  the  data  in  each  bin  and  is  specifically  used  for  electromagnetic  compliance  (EMC)  testing.  It   should  be  noted  that  the  QP  detector  has  a  fixed  integration  time  that  is  significantly  longer  than  the  standard   detector  types.  It  will  increase  sweep  time  considerably.        Figure  3-­‐24:  Suggested  detectors  for  specific  applications.          
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  38   Video  Bandwidth  (VBW)   The  Video  Bandwidth  (VBW)  filter  is  a  low  pass  filter  that  is  applied  to  each  frequency  bin  before  sending  the   appropriate  amplitude  value  to  the  display.  It  effectively  averages  (smoothes)  the  signal  and  can  be  used  to   minimize  the  effects  of  noise  on  the  displayed  trace.  It  is  especially  useful  when  dealing  with  low  power   signals  that  are  close  to  the  noise  floor  of  the  instrument.   Figures  3-­‐25  and  3-­‐26  compare  a  20MHz  sine  wave  input  captured  at  a  VBW  of  100kHz  and  1kHz   respectively.  Note  how  the  VBW  smoothes  the  trace  and  makes  it  easier  to  see  the  true  signal.      Figure  3-­‐25:  20MHz  input  on  a  spectrum  analyzer  with  VBW  set  to  100kHz.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  39     Figure  3-­‐26:  Identical  20MHz  signal  with  the  VBW  decreased  to  1kHz.  Note  smoothing  of  the  trace.   Note  that  decreasing  the  VBW  setting  can  increase  the  sweep  time.     Many  analyzers  also  provide  the  ability  to  average  a  number  of  traces  when  using  an  Averaging  Detector  like   RMS  or  Voltage.     Averaging  traces  has  a  similar  effect  to  lowering  the  VBW  setting,  as  shown  in  Figures  3-­‐27  and  3-­‐28,  but  this   technique  can  require  successive  scans,  which  can  lead  to  a  longer  total  test  time.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  40      Figure  3-­‐27:  A  20MHz  input  signal  with  no  averaging  applied.         Figure  3-­‐28:  A  20MHz  input  signal  with  100  averages  applied.  Note  that  the  noise  on  the  trace    has  decreased   significantly.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  41   Noise   When  making  measurements,  it’s  important  to  limit  the  error  and  decrease  the  effects  of  unwanted  signals  in   order  to  get  the  most  accurate  representation  possible.  Some  sources  of  noise  are  part  of  the  instrument   itself  (internal);  others  are  external.  This  discussion  will  address  only  internal  noise  sources.     One  of  the  main  sources  of  noise  is  thermal  effects  in  the  circuit  elements  within  the  instrument.  Essentially,   temperature  is  a  measure  of  the  average  kinetic  energy  of  a  system.  On  a  molecular  level,  higher   temperatures  lead  to  higher  average  kinetic  energy  due  to  an  increase  in  molecular  vibrations.  These   vibrations  create  electrical  potentials  (voltage)  that  can  effect  measurements.       Thermal  (also  known  as  Johnson)  noise  is  defined  by  this  equation:   Pn  =  kTB   Where  Pn  =  Noise  power  in  watts   k  =  Boltzmann's  Constant  (1.38¥10-­‐23  joule/°K)   T  =  Absolute  temperature,  °K   B  =  Bandwidth  in  Hz   Let's  look  at  two  examples.     What  is  the  noise  power  of  a  system  with  T  =  293°K  (equivalent  to  room  temperature  of  20°C  or  68°F)   and  a  measurement  bandwidth  of  1MHz  (1¥10+6  Hz)?   Pn1  =  1.38¥10-­‐23  joule/°K  *  293°K  *  1¥10+6HZ  =  4¥10-­‐15  watts   Let’s  say  we  cut  the  bandwidth  by  10:  B  =  100kHz  (1¥10+5)   Pn2  =  1.38¥10-­‐23  joule/°K  *  293°K  *  1¥10+6Hz  =  4¥10-­‐16  watts   Now,  what  if  we  compared  these  two  powers  in  dB?   The  equation  for  power  in  dB  is  Lp  =  10  log10  (P/Po)dB.   Using  the  results  from  our  experiment,  the  result  is:   Lp  =  10  log10  (Pn1/Pn2)dB  =  10  log10  (4×10-­‐15  watts/4×10-­‐16  watts)  =  10dB   As  you  can  see,  the  bandwidth  of  the  measurement  directly  affects  the  thermal  noise  that  can  influence  the   measurement.  In  order  to  increase  sensitivity  (synonymous  with  decreasing  noise),  we  can  l  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  42   The  Displayed  Average  Noise  Level  (DANL)  of  a  spectrum  analyzer  is  a  term  that  describes  the  expected  noise   level  of  the  analyzer  and  it  determines  the  lowest  signal  level  that  can  be  measured  by  the  instrument.     The  DANL  represents  the  noise  floor  of  the  instrument.  The  DANL  value  is  heavily  influenced  by  the  frequency   span  of  the  measurement,  RBW,  VBW,  preamplifiers,  and  detector  settings  but  can  also  be  affected  by  factors   such  as  the  number  of  trace  averages  being  used.     It’s  possible  to  lower  the  DANL  quickly  by  decreasing  the  RBW  setting.  Decreasing  the  RBW  by  10  times  will   decrease  the  DANL  by  10dB  as  shown  in  Figure  3-­‐29.       Figure  3-­‐29:  Noise  floor  differences  on  an  analyzer  with  three  RBW  settings.  RBW=  1MHz  (yellow),  100kHz  (purple)  and   10kHz  (blue).     In  this  experiment,  there  was  no  input  signal  to  the  analyzer,  just  the  noise  floor  of  the  instrument.  The   yellow  trace  represents  a  scan  from  9kHz  to  1.5GHz  with  an  RBW  of  1MHz.  The  purple  trace  was  acquired   using  an  RBW  of  100kHz  and  the  light  blue  trace  used  an  RBW  of  10kHz.  Note  that  each  decade  (10)  decrease   in  RBW  resulted  in  a  10dB  drop  in  the  DANL.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  43   Sweep  Speed   Decreasing  the  RBW  has  a  dramatic  effect  on  the  noise  floor,  but  it  also  increases  the  time  that  it  takes  for  the   instrument  to  scan  over  a  specific  frequency  span.  That’s  because  by  decreasing  the  bandwidth  of  each  step,   we  increase  the  number  of  steps  we  must  perform  to  cover  that  span.     The  sweep  speed  is  determined  by  the  span,  RBW,  and  detector  settings.  Many  analyzers  will  have  default   settings  that  will  automatically  set  the  sweep  time  to  provide  the  best  balance  between  sweep  speed  and   amplitude  accuracy.  Short  sweep  times  could  be  too  fast  for  the  IF  stage  to  respond  to  the  input  and  result  in   additional  measurement  error.     The  first  sweep  (Figure  3-­‐30)  is  a  scan  of  a  20MHz  sine  wave  with  an  amplitude  of  -­‐10dBm.  The  automatic   settings  were  used  on  the  instrument  and  the  resultant  sweep  time  was  101.10ms.   The  second  sweep  (Figure  3-­‐31)  is  a  scan  of  exactly  the  same  input  signal  but  with  a  different  sweep  time.  It   was  forced  to  10ms.  Note  that  the  amplitude  error  increased  significantly  and  the  spectral  profile  is  quite   different.  The  analyzer  actually  indicates  that  the  sweep  time  is  too  fast  for  the  settings  with  an  UNCAL  label   in  the  top  portion  of  the  display.        Figure  3-­‐30:  20MHz  sine  input  collected  using  the  automatic  settings  on  the  analyzer.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  44     Figure  3-­‐31:  The  same  20MHz  sine  input,  but  this  time,  the  sweep  speed  was  increased  manually.  Note  that  the   instrument  is  notifying  the  user  of  UNCAl  and  there  are  amplitude  and  frequency  errors  due  to  the  increased   sweep  speed.     To  ensure  the  greatest  accuracy,  use  the  instrument’s  recommended  automatic  settings.       The  Vector  Network  Analyzer   The  swept  superheterodyne  design  described  previously  captures  amplitude  and  frequency  information.   These  measurements  are  also  known  as  scalar  measurements  because  they  do  not  capture  phase  information   for  the  incoming  signal.  Instruments  that  capture  amplitude  vs.  frequency  are  therefore  known  as  Scalar   Network  Analyzers.     A  host  of  applications  require  capturing  the  incoming  signal  phase  information  in  addition  to  the  amplitude   and  frequency.  This  is  especially  important  for  proper  demodulation  of  digital  communications  and  for   characterizing  components  used  in  digital  systems.  The  Vector  Network  Analyzer  (VNA)  is  widely  used  for   these  applications.     The  VNA  is  based  on  a  swept  superheterodyne  design.  The  main  difference  is  that  the  VNA  uses  an  extra   stage  in  the  signal  path  that  collects  and  stores  phase  information  for  the  incoming  signal.     VNAs  are  useful  for  measuring  the  performance  of  RF  components,  commonly  called  the  scattering  or  S-­‐ parameters,  as  well  as  measuring  the  performance  of  digital  communications  signals.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  45   Chapter  4:  Spectrum  Monitoring  with  Real-­‐Time  Analysis   Today’s  RF  engineer  is  confronted  with  the  challenge  of  how  to  transport  ever  increasing  amounts  of  data   across  local  and  wide  area  networks.  For  IoT  applications  the  most  common  way  is  to  use  wireless  transmission   of  data  via  common  standards  like  Bluetooth,  Wi-­‐Fi  or  Zigbee.    Wireless  transmission  works  with  digitized  data   which  is  then  modulated  to  an  RF  carrier  via  complex  modulation  schemes.  These  signals  than  vary  rapidly  in   frequency  to  to  deal  with  the  congestion  of  the  unlicensed  ISM  Band  spectrum.    These  factors  combine  to   generate  very  fast  and  dynamic  signal  change  over  time  and  frequency  band.    Since  a  traditional  swept   spectrum  analyzer  measures  power  at  just  one  frequency  at  a  time  even  the  fastest  sweeping  analyzer  leaves   blind  time  where  transient  and  hopping  signals  can  be  missed.     For  example  while  a  fast  changing  frequency  hopping  signal  like  Bluetooth  can  be  measured  with  SA  it  is   severely  limited.    One  trace  can  be  set  to  maximum  hold.  A  second  trace  can  be  set  to  clear  write.  With  one   sweep  it  is  not  possible  to  capture  all  signal  components.    Multiple  sweeps  are  necessary  to  build  up  an  image   of  the  spectrum  (see  figure  2).    So  while  you  have  built  up  a  view  of  the  spectrum  over  time  not  all  frequency   components  are  visible,  there  is  no  time  information  available  and  it  is  not  possible  to  detect  that  this  signal  is  a   frequency  hopping  spread  spectrum  signal.   Sweep  point  after  600  µsec.     Lost  information  at  same  time   Figure  1:  Sweep  result  of  spectrum  analyzer  with  blind  time  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  46         Certain  signals  which  are  only  randomly  available  and  very  fast  may  never  be  detected.      Additionally,   Frequency,  Span  and  RBW  have  a  direct  influence  to  sweep  time  on  a  swept  spectrum  analyzer.    So  if  a  finer   frequency  resolution  is  required,  then  RBW  needs  to  be  decreased.  This  results  in  a  lower  sweep  time  making   the  capture  of  those  fast  changing  signals  even  less  likely.         Real-­‐  Time  Capture  and  Analysis   Real  Time  spectrum  analyzers  capture  data  across  the  entire  real-­‐time  span  then  uses  an  FFT  (Fast  Fourier   Transform)  to  display  power  over  the  entire  span.    Since  all  frequency  components  are  calculated  from  the   same  data  capture  it  is  simple  to  see  the  transient  signals  that  are  occurring  and  since  it  is  captured  in  time  it   possible  to  quickly  visualize  signal  behavior  over  time.    But  the  calculation  is  accomplished  differently  different   than  a  scope  based  FFT.  In  a  scope  based  FFT  calculation  time  is  required  between  FFT  acquisitions  to  create   Figure  2:  Bluetooth  signals  are  only  visible  via  max  hold  function  with  SA  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  47   and  Display  the  FFT.  This  creates  an  acquisition  GAP  and  some    parts  of    the  signal  will  be  lost  (see  figure  3,   below).    This  means  a  standard  scope  based  FFT    also  can’t  be  used  for  measurement  of  pulsed  signals  because,   as  with  swept  analyzers  signals  can  be  missed  in  the  gaps  between  FFT  acquisition.                       In  real  time  analysis  multiple  FFT  acquisitions  and  calculations  are  performed  in  parallel  and  overlapping.    The   Real-­‐time  analyzer  contains  additional  processing  capability  to  handle  this  additional  workload  to  capture,   calculate  and  display  the  results  results  in  real-­‐time.    The  result  is  that  time  acquisition  of  different  FFT  blocks  is   Gap  Free  (see  figure  4  below)  and  performance  will  be  not  be  affected  by  choosing  using  different  RBW   settings.   Gap  free  FFT  example  in  real  time  operation:               FFT   FFT   FFT   t   A   Calculation   Calculation   Calculation   Figure  4:  FFT  in  Real  time  spectrum  analyzer  without  gaps   FFT   Lost   FFT   Lost   FFT   Lost   Calculation   Calculation   Calculation   t   A   Figure  3:  FFT  with  gaps  in  between  based  on  slow  calculation  process  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  48     A  fixed  number  of  1024  samples  are  used  for  one  FFT  time  acquisition.  Each  FFT  calculation  is  using  a  window   function.  Windowing  is  important  to  define  a  discrete  number  of  time  points  for  calculation.  Size  of  window  can   be  varied  and  is  not  fixed  in  time  domain.  A  variation  of  window  size  will  have  a  direct  influence  of  real  time   resolution  bandwidth  [RBW]  or  the  other  way  around:  with  changing  the  RBW,  size  of  window  will  be  changed.     The  position  of  a  time  signal  like  a  pulse  needs  to  be  in  the  center  of  FFT  window  to  transform  it  correctly  into   frequency  range.  In  case  that  a  pulse  is  in  between  two  FFT  events,  then  amplitude  is  suppressed  by  filter  side   loops  and  is  no  longer  correct  (see  figure  6).           An  overlapping  process  of  FFT  events  will  be  used  in  Real-­‐time  analyzers  to  avoid  losing  signal  information.   Overlapping  has  the  effect  that  more  spectrums  are  available  over  a  time  period  and  time  resolution  is  higher.   Smaller  events  can  be  measured  (see  figure  7)  and  signal  suppression  of  single  FFT  acquisition  occurred  due   windowing  is  eliminated  with  overlapping.       t   A   FFT  1   FFT  2   Figure  5:  Amplitude  is  wrong  if  signal  is  located  in  between  of  two  FFT  blocks     t   A   FFT  1   FFT  3   FFT  2   FFT  4   FFT  5   Figure  6:  Overlapping  process  in  real  time  spectrum  analyzer  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  49   In  other  words,  overlapping  process  of  FFT  events  has  a  direct  influence  of  smallest  pulse  width  which  can  be  measured   with  a  real  time  spectrum  analyzer.  The  RT-­‐SA  RSA5000  is  working  with  a  FFT  rate  of  146.484  FFT/sec.  which  results  into  a   calculation  speed  (Tcalc)  of  6,82  µsec.:   𝑇!"#! = 1 𝐹𝐹𝑇  𝑅𝑎𝑡𝑒 =   1 146.484   𝐹𝐹𝑇 𝑠𝑒𝑐. = 6,82  µμ𝑠𝑒𝑐.   Depending  on  real  time  span  there  are  4  different  sample  rates  available.  The  maximum  sample  rate  is  51,2   MSa/sec.  With  that  sample  rate  and  the  fixed  number  of  samples  (NFix  =  1024),  used  for  one  FFT  acquisition,  the   duration  can  be  calculated  as  follow:     𝑇!"# = 𝑁!"# 𝑆𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒  𝑅𝑎𝑡𝑒 = 1024  𝑆𝑎.∗   1 51,2 𝑀𝑆𝑎. 𝑠𝑒𝑐. = 20  µμ𝑠𝑒𝑐.   An  overlap  of  FFT  frames  is  not  possible  during  calculation  progress.  Therefore  the  overlapping  time  of  FFT   frames  can  be  calculated  with  that  formula:   𝑇!"#$%&' =  𝑇!"#  –  𝑇!"#!   For  example  with  sample  rate  of  51,2  MSa./sec.  the  overlap  time  is  13,18  µsec  or  65,86%  which  results  into   NOverlap  =  674  sample  points.     Probability  of  Intercept  [POI]   POI  specify  the  smallest  pulse  duration  which  can  be  measured  with  100  %  amplitude  accuracy.  Furthermore   POI  defines  the  minimum  pulse  width  where  each  pulse  will  be  captured  (see  figure  8).  The  smallest  100%  POI   of  the  RIGOL  RSA5000  is  7.45  µsec.            
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  50                               POI  calculation  depends  on  FFT  rate,  chosen  RBW  and  adjusted  Span.  The  principle  of  POI  is  described  with  a   span  of  40  MHz  (=51,2  MSa/sec.)  and  RBW  of  3.21  MHz  (Kaiser  Window)  in  figure  10.  Due  to  calculation  time,   second  FFT  acquisition  starts  after  6.82  µsec.  Window  size  is  depending  of  RBW  in  real  time  mode:     𝑇!"#$%& =   1 𝑅𝐵𝑊   Start  position  of  first  FFT  acquisition  and  End  position  of  second  FFT  acquisition  defines  POI  time  value                   Figure  7:  Measurement  of  a  pulse  of  7.45  µsec.  (period:  1  sec.)  with  amplitude  of  -­‐35  dBm.  Each  pulse  is  captured   with  correct  amplitude.     𝟏 𝑹𝑩𝑾∗   FFT  1  (20  µsec.)   FFT  2  (20  µsec.)   7,45  µsec.   6,82  µsec.   9,68  µsec.   t   A   17,13  µsec.   Figure  8:  Example  with  RT-­‐Span  of  40  MHz,  sample  rate  of  51.2  MSa/s   and  RBW  of  3.21  MHz  (Kaiser  Filter)  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  51       POI  can  also  be  calculated  as  follow:     𝑇!"# =   (𝑁!"#$%& +  𝑁!"# − 1) − 𝑁!"#$%&' 𝑆𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒  𝑟𝑎𝑡𝑒 =   32 + 1024 − 1 − 674   51,2   𝑀𝑆𝑎 𝑠𝑒𝑐. = 7,45  µμ𝑠𝑒𝑐.   With  that  POI  and  speed  it  is  now  possible  to  measure  a  Bluetooth  signal  with  the  RT-­‐SA  mode  of  RSA5000   series.  Usage  of  maximum  hold  is  no  longer  needed.  It  is  possible  to  set  6  different  RBW  settings  in  RT-­‐SA  mode   and  speed  is  not  affected.       Real-­‐time  Visualization:   Since  Real-­‐time  analysis  adds  the  dimension  of  time  to  the  acquisition  the  user  can  choose  from  multiple  rich   data  views  helping  to  quickly  debug  their  designs     • Normal  Trace  Analysis     • Density  Analysis   • Spectrogram     • Power  vs  Time     In  Normal  Mode  the  trace  information  of  current  time  is  visible.  It  looks  like  a  trace  of  a  SA  but  due  to  the  real     time  sweep  more  information  is  visible  at  the  same  time  compare  to  SA.  Normal  trace  analysis  is  a  2D   measurement  (power  over  frequency).          
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  52     Normal  Mode  Display           With  Density  Analysis  it  is  possible  to  analyze  the  repetition  rate  of  a  signal.  Density  Mode  puts  data  into  a   color  map  based  on  the  probability  of  that  frequency  (from  blue  =  0%  to  red  =  100%,  see  figure  8).  As  more   often  the  signal  hits  a  single  pixel  point  (power  vs  frequency)  within  a  certain  time  it  increases  the  probability   and  changes  the  color  of  this  pixel.  For  example  a  constant  wave  [CW]  signal  would  be  visible  in  red  color.  A   very  short  single  signal  event  would  be  visible  in  blue  color.  The  color  percentage  can  be  calculated  as  follow:     𝑛 = 𝑇!!"# 𝑇!"#$%&' ∗ 100%     Density  View  is  particularly  useful  for  identifying  superimposed  signals  and  separating  signals  that  share  the   same  frequency  and  for  seeing  time  varying  and  frequency  hopping  signals.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  53   Density  Mode  Display       In  normal  and  density  mode  it  is  possible  to  activate  a  Spectogram  measurement.  Spectrogram  is  a  waterfall   displaying  frequency  over  time  allowing  users  to  measure  out  duration  of  pulses  (like  for  Bluetooth  signals),  to   clearly  view  frequency  changes  over  time  and  to  identify  interference.    A  spectrogram  also  works  with  a  color   scheme  for  signal  level  (DANL:  0%  =  blue,  Reference  level:  100%  =  red).  Density  in  combination  with   spectrogram  is  a  4D  measurement  (power  over  frequency  over  repetition  rate  and  power  over  time,  see  figure   12  with  a  Bluetooth  example).                
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  54   Spectogram  Display                             In  Power  vs  Time  (PvT)  mode  it  is  possible  to  display  the  time  domain  of  a  signal  within  adjusted  real  time   bandwidth.  The  acquisition  time  can  be  changed  in  this  measurement.  The  Power  vs  Time  analysis  is  displayed   for  the  used  real  time  bandwidth  and  not  to  RBW  like  in  SA  with  zero-­‐span  configuration.  Signal  bursts  of   modulated  signals  and  pulses  can  be  displayed  to  measure  duty  cycle  and  amplitude  of  a  pulse  or  to  display   pulse  trains  over  certain  time.  PvT  can  be  used  in  combination  of  normal  trace  analysis  (frequency  spectrum)   and  spectrogram  (see  figure  13).     Comparing  the  measurement  result  of  Bluetooth  signal  in  figure  12  and  figure  13  and  the  result  of  traditional   swept  spectrum  analyzer  (figure  2)  shows  the  engineer  has  much  more  information  available  with  Real-­‐time.   Within  the  adjusted  real  time  bandwidth  all  frequency  components  can  be  measured.  Time  information  can  be   displayed  in  parallel  of  spectrum  measurement,  it  is  visible  that  this  signal  is  a  frequency  hopping  spread   spectrum  signal  and  the  length  of  data  block  can  be  analyzed.  The  Power  vs  Time  is  no  longer  depended  on   RBW  bandwidth  like  in  SA  and  frequency  domain  and  time  domain  can  be  displayed  in  one  time.       Figure  9:  Bluetooth  signal  measured  with  density  spectrogram  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  55   PvT  Display                                         Figure  10:  normal  trace  vs  spectrogram  vs  PvT  of  a  Bluetooth  signal  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  56   Chapter  5:  Common  Component  Tests   Now  that  we  have  a  basic  understanding  of  the  instrumentation  used  for  measuring  RF,  let’s  take  a  closer  look   at  measuring  the  performance  of  some  common  RF  components  using  a  spectrum  analyzer.     The  Tracking  Generator     Many  component-­‐level  tests  require  an  RF  source  to  deliver  a  signal  to  the  device-­‐under-­‐test  (DUT)  with  a   known  amplitude  and  frequency.  When  testing  an  RF  filter,  for  example,  the  idea  would  be  to  deliver  a  series  of   known  amplitudes  at  specific  frequencies  to  see  where  the  filter  is  most  effective.  It  would  be  possible  to   synchronize  an  external  RF  source  with  the  sweep  of  a  spectrum  analyzer  to  perform  this  test,  but  many   spectrum  analyzers  are  available  with  a  tracking  generator  that  can  simplify  this  type  of  testing.     A  tracking  generator  is  an  extension  of  the  sweep  circuit.  It  is  a  programmable  RF  source  with  the  ability  to   synchronize  the  output  frequency  with  the  sweep  steps  of  the  spectrum  analyzer.  In  this  way,  the  source  and   measurement  frequencies  are  locked.  If  measuring  from  1MHz  to  100MHz  on  the  spectrum  analyzer,  the   tracking  generator  outputs  a  continuous  sine  wave  with  a  frequency  that  will  sweep  from  1MHz  to  100MHz  in   full  synchronization  with  the  measurement.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  57   Figure  4-­‐1:  Example  of  a  spectrum  analyzer  with  tracking  generator  sweeping  a  DUT.   Testing  Filters   A  filter  is  a  useful  component  in  many  designs.  The  primary  goals  of  a  filter  are  to  remove  unwanted   frequencies  and  to  enhance  desired  frequencies  from  an  input  signal.     Here  are  some  commonly  used  filters:     Low  pass:   Allows  frequencies  lower  than  a  certain  value  to  pass  through,  and  rejects  higher  frequencies.  This   can  be  used  to  remove  high  frequency  noise  from  a  signal.       High  pass:   Allows  frequencies  higher  than  a  certain  value  to  pass  through,  and  rejects  lower  frequencies.  This   can  be  used  to  remove  low  frequency  components  from  the  input  signal.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  58     Bandpass:   Allows  a  certain  frequency  range,  or  band,  to  pass  through  the  filter  and  rejects  those  frequencies   that  are  outside  of  the  operating  frequency  band.  This  type  of  filter  will  allow  a  band  of  frequencies   to  pass  through  the  filter  with  little  to  no  changes  while  drastically  lessening  the  amplitude  of   signals  having  frequencies  outside  of  the  operating  band.       Notch:     Rejects  those  frequencies  that  are  inside  of  the  operating  frequency  band  and  rejects  those  within   the  operating  band  of  the  filter.  This  type  of  filter  will  allow  all  frequencies  outside  of  the  operating   band  to  pass  through  the  filter  with  little  to  no  changes  while  drastically  lessening  the  amplitude  of  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  59   signals  having  frequencies  inside  of  the  operating  band.  This  is  the  exact  opposite  of  a  bandpass   filter.     In  all  cases,  testing  a  filter  provides  information  about  its  quality,  such  as  how  well  it  decreases  unwanted   signals  and  how  well  it  allows  wanted  signals  through.   Testing  a  filter  using  a  spectrum  analyzer  has  a  number  of  common  steps.   Required  Hardware:   • Spectrum  analyzer  with  tracking  generator   • Cabling  and  adapters  to  connect  to  the  filter   • Filter  to  test   Test  Steps:   • Normalize  the  trace  (optional)   Many  elements  in  an  RF  signal  path  can  have  nonlinear  characteristics.  In  many  cases,  these  nonlinear   effects  on  the  base  measurements  can  be  minimized  by  normalizing  the  instrument.  Normalization  is   the  process  of  mathematically  removing  the  effects  of  cabling,  adapters,  and  connections  that  could  add   unnecessary  error  to  the  characterization  of  the  filter.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  60   1. Connect  the  tracking  generator  output  to  the  RF  input  using  the  same  cabling  that  will  be  used  to   test  the  device.  Any  element,  like  an  adapter,  used  during  normalization  should  also  be  used  during   device  measurement  because  any  changes  to  the  RF  signal  path  could  affect  the  accuracy  of  the   measurement.   NOTE:  Clean  the  surfaces  of  the  adapters  and  input  with  a  lint-­‐free  cloth  or  swab  and  electronics   contact  cleaner  to  prevent  damage  and  ensure  repeatability.   2. Enable  the  tracking  generator.   3. Store  the  reference  trace.     4. Enable  the  normalization.  Now,  the  displayed  trace  will  more  accurately  represent  the  filter  by   removing  cable  and  adapter  losses.       • Measure  the  filter   1. Connect  the  tracking  generator  output  to  the  filter  input  using  the  appropriate  cabling  and   connectors.     2. Connect  the  filter  output  to  the  instrument  RF  input.     NOTE:  Clean  the  surfaces  of  the  adapters  and  input  with  a  lint-­‐free  cloth  or  swab  and  electronics   contact  cleaner  to  prevent  damage  and  ensure  repeatability.       Figure  4-­‐2:  Front  panel  of  a  spectrum  analyzer  equipped  with  a  tracking     generator.  This  view  shows  connections  to  the  RF  output  of  the  tracking     generator  and  the  RF  input  of  the  analyzer.  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  61     3. Configure  the  stop,  start  frequency  for  the  span  of  interest.     4. Set  the  tracking  generator  amplitude.     NOTE:  If  the  instrument  is  equipped  with  a  preamplifier,  enabling  it  can  lower  the  displayed  noise   floor.       5. Enable  the  tracking  generator.  Note  the  small  bump  in  Figure  4-­‐3.     Figure  4-­‐3:  A  bandpass  filter  trace.       Adjust  the  amplitude,  start,  and  stop  frequency  to  zoom  in  on  the  trace.       Some  analyzers  have  a  convenient  auto-­‐scale  feature  that  can  automatically  configure  the  analyzer  to  display  a   full  view  of  the  area  of  interest  on  the  trace.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  62     Figure  4-­‐4:  After  Auto.     NOTE:  Some  analyzers  also  have  markers.  These  are  cursors  that  can  show  the  frequency  and  amplitude  of   specific  points  on  the  trace,  as  well  as  the  ability  to  measure  bandwidth  at  a  particular  dB  level.        Figure  4-­‐5:  3dB  bandwidth  measurement  of  a  bandpass  filter.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  63   Cable/Connector  Loss   Cables  and  connectors  can  have  a  dramatic  effect  on  the  accuracy  and  validity  of  measurements  on  additional   components.  They  also  wear  with  time  and  use.  This  wear  can  show  up  as  an  increase  in  attenuation  over   particular  frequency  ranges.   A  spectrum  analyzer  and  a  tracking  generator  allow  testing  the  insertion  loss  (loss  vs.  frequency)  of  the  cables   and  adapters  easily.     Required  Hardware:   • Two  N-­‐type  to  BNC  adapters  (Figure  4-­‐6).  Select  adapters  that  convert  N-­‐type  (in/out  connectors  on   most  spectrum  analyzers)  to  the  cable  type  being  tested.  Also  note  that  higher  quality  connectors   (silver-­‐plated,  beryllium  copper  pins,  etc.)  equal  better  longevity  and  repeatability.       Figure  4-­‐6:  N-­‐type  to  BNC  adapter.     • A  short  reference  cable  with  terminations  that  match  the  adapters  being  used  and  the  cable-­‐under-­‐test.   • An  adapter  to  go  between  the  reference  cable  and  the  cable-­‐under-­‐test.  This  experiment  will  use  a  BNC   “barrel  connector”  (Figure  4-­‐7).  Note  that  higher  quality  connectors  (silver-­‐plated,  beryllium  copper   pins,  etc.)  equal  better  longevity  and  repeatability.     Figure  4-­‐7:  BNC  barrel  adapter.  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  64     • Alternately,  use  two  adapters  and  a  short  cable  as  a  reference  assembly  to  normalize  the  display  before   making  cable  measurements.  This  removes  the  need  to  have  the  cable-­‐to-­‐cable  adapter.     • A  spectrum  analyzer  with  tracking  generator  (TG).   Test  Steps:   1. Attach  the  adapters  to  the  tracking  generator  (TG)  output  and  RF  input.   NOTE:  Clean  the  surfaces  of  the  adapters  and  input  with  a  lint-­‐free  cloth  or  swab  and  electronics  contact   cleaner  to  prevent  damage  and  ensure  repeatability.   2. Connect  the  reference  cable  to  the  TG  out  and  RF  In  on  the  analyzer.     Figure  4-­‐8:  Measuring  the  reference  cable.     3. Adjust  the  span  of  the  scan  for  the  frequency  range  of  interest.   4. Adjust  the  tracking  generator  output  amplitude  and  spectrum  analyzer  display  to  view  the  entire  trace.   5. Enable  the  tracking  generator  output.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  65     Figure  4-­‐9:  Reference  cable  insertion  loss  before  normalization.     6. Normalize  the  reference  insertion  loss.  This  mathematically  subtracts  a  reference  signal  (stored   automatically)  from  the  input  signal.       Figure  4-­‐10:  Reference  cable  insertion  loss  after  normalization.     7. Disconnect  the  reference  cable  from  the  RF  input.  Place  cable-­‐to-­‐cable  adapter  (BNC  barrel  or  other)   and  connect  to  the  cable  to  test.   8. Connect  the  cable-­‐under-­‐test  to  test  to  RF  input  and  enable  the  tracking  generator.          
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  66     Figure  4-­‐11:  Cable-­‐under-­‐test  connected.   The  screen  displays  the  cable-­‐under-­‐test  losses  plus  the  error  of  the  cable-­‐to-­‐cable  adapter.       Figure  4-­‐12:  Zoomed  view  of  cable-­‐under-­‐test  loss  vs.  frequency.            
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  67   VSWR  of  an  Antenna   As  described  previously,  electromagnetic  radiation  can  be  described  using  terms  and  concepts  from  wave   theory.  Electromagnetic  waves  add,  cancel,  and  reflect  much  like  waves  on  water.     Imagine  a  small  wave  in  a  bucket  of  water.  When  the  wave  hits  the  inside  wall  of  the  bucket,  a  portion  of  the   wave  is  reflected  back  into  the  center  of  the  bucket  and  interacts  with  other  reflected  waves  as  it  travels  back-­‐ and-­‐forth  along  the  surface  of  the  water.  The  wave  direction  and  velocity  change  when  the  wave  interacts  with   the  bucket  because  there  is  a  density  difference  between  the  water  and  the  bucket.  A  similar  situation  occurs   with  electromagnetic  waves.   With  the  bucket  analogy,  the  water  and  bucket  have  different  densities.  This  difference  affects  the  speed  of  the   wave  and  causes  a  portion  of  the  incoming,  or  incident,  wave  to  be  reflected  directly  opposite  to  the  original   path  of  motion.  As  the  waves  travel  back-­‐and-­‐forth  across  the  surface,  they  will  add  and  subtract  depending  on   their  relative  phases.     When  an  electromagnetic  wave  travels  from  one  material  to  another,  it  can  also  undergo  reflection.  When  an   electromagnetic  wave  encounters  a  material  with  a  different  impedance,  some  or  all  of  the  wave  can  be   reflected.  If  the  impedance  of  the  new  material  is  much  greater  than  the  original  impedance,  a  large  amount  of   the  original  wave  can  be  reflected.  Large  amounts  of  reflected  energy  can  be  inefficient  and  could  cause   damage  to  sensitive  components  in  the  circuit.   The  Voltage  Standing  Wave  Ratio  (VSWR)  is  a  measurement  that  can  be  used  to  judge  the  quality  of  the   impedance  matching  for  cables  and  other  passive  devices.  It  is  also  mainly  used  to  determine  the  efficiency  of   antennas  to  radiate  power.     A  perfectly  matched  antenna/cable  system  will  have  a  VSWR  of  1.  In  reality,  the  best  systems  will  have  VSWR   values  of  1.1  or  1.2.   Higher  VSWRs  indicate  a  greater  degree  of  impedance  mismatch.  For  antenna  users,  this  indicates  that  more  of   the  original  signal  is  reflected  back  towards  the  transmitter  and  it  indicates  a  system  that  has  low  efficiency.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  68   Required  Hardware:    A  spectrum  analyzer  with  a  tracking  generator,  such  as  the  Rigol  DSA815-­‐TG   • Coaxial  Directional  Coupler  or  VSWR  Bridge  with  an  impedance  match  for  the  component  being  tested.   This  is  typically  50Ω  for  most  antenna  and  RF  networks.     • An  antenna  or  other  component  to  test   • Impedance-­‐matched  coaxial  cable  to  connect  the  coupler  to  the  tracking  generator.  Depending  on  the   Directional  Coupler  design,  you  may  need  another  cable  or  adapter  to  connect  it  to  the  DSA.       Figure  4-­‐13:  A  Rigol  VB1032  VSWR  bridge.     Test  Steps:   1. Clean  all  connectors  with  a  lint-­‐free  cloth  or  swab  and  electronics  contact  cleaner.  Make  sure  to  remove   any  contamination,  dirt,  or  metallic  flakes  in  and  around  mating  surfaces.   2. Connect  the  RF  coupler  coupled  (CPL)  connection  to  the  RF  input  of  the  DSA.   3. Connect  the  cable  from  the  TG  output  on  the  front  panel  of  the  DSA  to  the  output  (OUT)  of  the  coupler.   NOTE:  Leave  the  input  (IN)  of  the  coupler  open.  This  will  provide  100%  reflection  and  be  used  to   minimize  the  effects  of  the  cabling,  adapters,  and  coupler.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  69   4. Configure  the  DSA  frequency  span  for  the  DUT.Correct  for  the  cabling,  adapters,  and  coupler  effects  by   storing  the  open  circuit  (no  DUT  =  Max  Reflection)  conditions  by  normalizing  the  current  setup.Enable   the  tracking  generator.     5. Connect  the  DUT  of  interest  to  the  coupler  input  (IN).     6. If  the  analyzer  is  equipped  with  markers,  select  a  marker  to  identify  your  location  on  the  trace.     The  minimum  value  displayed  on  the  DSA  is  the  return  loss  of  the  DUT.  Record  this  value  in  dB.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  70   Calculations:    The  VSWR  can  be  calculated  by  the  following   a  =  Return  Loss  (dB)   r  =  Reflection  coefficient  of  the  DUT   s  =  VSWR   r  =  10^(-­‐0.05  *  a)   s  =  (1  +  |r|)  /  (1-­‐  |r|)     For  example,  if  measuring  an  antenna  with  the  following  parameters:   a  =  -­‐26.22  dB   r  =  10^(-­‐0.05  *  26.22)  =  10^(-­‐1.31)  =  0.05   The  result  is:   s  =  (1+0.05)  /  (1-­‐0.05)  =  1.11                      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  71     Chapter  6:  Common  Transmitter  Tests   RF  transmitters  are  classified  as  any  device  that  intentionally  sources  signals  in  the  RF  band  of  the   electromagnetic  spectrum.  The  main  role  of  the  transmitter  is  to  create  a  signal  with  specific  characteristics   (power,  frequency,  encoding/modulation)  and  deliver  it  to  a  receiver  that  can  “read”  the  signal.  Most   transmitters  are  wireless  in  nature.  AM/FM  radio  stations,  Bluetooth,  and  WiFi  hot  spots  are  examples  of   wireless  transmitters  that  use  air  as  a  transmission  medium.  But  some  RF  can  be  transmitted  by  wire:  cable   television  (CATV)  is  the  most  widely  used  wired  RF  transmitter  application.     Whether  wireless  or  wired,  the  main  requirements  remain  the  same.  The  transmitted  signal  must  have  the   proper  amplitude  in  the  proper  frequency  band  to  be  picked  up  by  the  receiver.  Measuring  transmitters  is   common  practice  throughout  the  design  process  and  is  also  used  to  monitor  existing  transmitters  to  ensure   that  the  signals  remain  in  their  specific  operating  bands.  For  example,  AM  and  FM  radio  stations  commonly   monitor  their  transmitters  to  ensure  that  they  are  operating  within  their  licensed  frequency  band.     This  section  will  describe  some  common  tests  that  can  be  used  to  verify  transmitter  performance,  then  build  on   those  ideas  by  citing  some  specific  tests  used  within  a  specific  transmission  type.       Output  Power     The  strength  of  an  RF  transmission  can  be  affected  by  many  outside  factors.  Imagine  all  the  different  materials   that  an  FM  radio  transmission  will  encounter  as  the  signal  leaves  the  radio  station  antenna  and  arrives  at  a   receiver.  The  signal  may  have  to  pass  through  glass,  drywall,  furniture,  trees,  and  even  people  before  it  reaches   its  intended  target.  Even  weather  conditions,  like  air  density,  humidity,  and  storms,  can  affect  the  transmission.   By  measuring  the  output  power,  it’s  possible  to  verify  the  signal  is  present  and  has  enough  power  to  be  picked   up  at  the  receiver.     The  output  power  is  simply  a  measure  of  the  transmitted  signal’s  strength.  Measuring  the  output  power   directly  at  the  transmitter  allows  verifying  if  the  transmitter  is  working  correctly.  If  all  is  well,  it’s  time  to  move   down  the  transmission  path  and  perform  remote  measurements  at  a  distance  from  the  transmitter,  using   antennas  in  place  of  the  cable  from  the  transmitter  to  the  measurement  instrument.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  72     Figure  5-­‐1:  Transmitter  direct  output  measurement  using  a  cable  and  measurement  instrument.       Figure  5-­‐2:  Transmitter  remote  output  measurement  using  antennas  and  a  measurement  instrument.     A  simple  power  measurement  can  be  performed  using  a  dedicated  RF  power  meter  or  a  spectrum  analyzer.   Although  power  meters  tend  to  be  more  accurate,  they  often  have  a  longer  measurement  time  than  spectrum   analyzers.       Transmission  Band     The  transmission  frequency  is  another  important  measurement  that  must  be  performed  to  characterize  a   transmitter.  Testing  the  frequency  band  means  directly  measuring  the  frequency  (or  frequencies,  in  some   cases)  that  a  signal  is  occupying  in  the  RF  spectrum.  It’s  important  to  be  sure  that  the  transmission  signal  has   the  proper  frequency  to  be  detected  by  the  receiver  and  that  the  signal  is  not  interfering  in  frequency  bands   near  the  desired  frequency.     Signals  that  bleed  into  or  occupy  adjacent  bands  can  cause  interference  and  disturb  the  reception  of  the  signals   that  are  supposed  to  be  occupying  that  band.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  73     AM  Transmission  Test   Amplitude  modulation  (AM)  is  a  common  method  of  adding  information  to  an  RF  signal.  The  amplitude  of  the   carrier  waveform  changes  proportionally  to  the  input  signal.  AM  is  typically  used  to  transmit  voice  information   and  was  the  primary  modulation  scheme  for  initial  research  in  radio  communications  in  the  early  twentieth   century.   In  the  time  domain,  a  typical  AM  signal  will  look  something  like  Figure  5-­‐3.     Figure  5-­‐3:  10MHz  carrier,  1kHz  modulation  AM  signal  on  a  scope.     In  this  case,  the  carrier  signal  has  a  frequency  of  10MHz  and  the  amplitude  modulation  is  set  to  1kHz.  Note  that   the  base  period  in  the  oscilloscope  display  in  Figure  5-­‐3  shows  periodic  beats,  or  nulls,  in  the  time-­‐based   waveform.  These  are  areas  where  the  carrier  amplitude  is  near  zero.  Note  that  the  beat  frequency  matches  the   amplitude  modulation  of  1kHz.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  74   By  zooming  in  to  a  single  beat,  notice  that  the  carrier  waveform  is  still  present  at  10MHz  (Figure  5-­‐4).      Figure  5-­‐4:  10MHz  carrier,  1kHz  modulation  AM  signal  zoom  view  on  scope.     Although  it’s  possible  to  use  an  oscilloscope  to  verify  the  frequency  and  amplitude  of  an  AM  signal,  it  is  more   common  to  use  a  spectrum  analyzer.  The  analyzer  can  provide  a  better  impedance  match  and  obtain  a  more   accurate  measurement  of  the  performance  of  the  transmitter,  especially  with  signals  that  have  low  power  and   high  carrier  frequencies.   Here’s  how  to  perform  a  basic  AM  transmitter  test  using  a  spectrum  analyzer.     Required  Hardware:   • Spectrum  analyzer     • Transmitter   • Cables,  adapters,  or  antennas  to  connect  to  the  transmitter  and  analyzer  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  75   • An  external  attenuator  (optional)  may  be  required  to  limit  the  signal  power  that  is  directed  to  the   analyzer.     Test  Steps:   1. Connect  the  transmitter  to  the  cable/adapters  or  transmission  antenna.     NOTE:  Clean  the  surfaces  of  the  adapters  and  input  with  a  lint-­‐free  cloth  and  an  electronics  contact  cleaner  to   prevent  damage  and  ensure  repeatability.     2. Connect  the  other  end  of  the  cable/adapters  or  receiver  antenna  to  the  RF  input  of  the  spectrum   analyzer.     NOTE:  If  using  an  external  attenuator,  place  it  on  the  RF  input  of  the  analyzer.       3. Set  the  center  frequency  of  the  analyzer  to  the  carrier  frequency  of  the  input  signal.  In  the  example  in   Figure  5-­‐5,  a  900MHz  AM  transmission  is  being  monitored.       4. Set  the  analyzer  frequency  span  to  10¥  the  expected  modulation  frequency.  In  this  example,  the  carrier   is  modulating  at  1kHz,  so  the  span  should  be  set  to  10kHz.       5. Set  the  resolution  bandwidth  (RBW)  to  a  value  less  than  the  modulation  frequency.  In  Figure  5-­‐5,  the   RBW  is  set  to  100Hz.  If  an  RBW  close  to  the  modulation  frequency  is  used,  there  might  not  be  sufficient   resolution  to  see  the  modulation.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  76     Figure  5-­‐5:  10MHz  carrier,  1kHz  modulation  AM  signal  on  a  spectrum  analyzer.     Delta  markers  are  enabled  to  show  the  frequency  and  amplitude  differences  between  the  carrier  and   modulation  peaks.  Note  that  the  center  peak  matches  the  carrier  frequency  of  900MHz  and  the  two  additional   peaks  are  1kHz  away  from  the  carrier.  It’s  also  possible  to  measure  the  power  of  the  signal.  In  this  case,  the   carrier  is  -­‐50dBm.     The  input  signal  in  this  case  was  modulated  with  a  fixed  1kHz  input.  With  an  AM  signal  modulated  by  audio  or   voice  information,  the  modulated  peaks  will  actually  vary  with  time.  Many  analyzers  have  a  few  features  that   can  help  with  these  real-­‐world  measurements.     If  the  instrument  is  so  equipped,  consider  enabling  the  Max  Hold  trace  type  (Figure  5-­‐6).  Max  Hold  traces  are   similar  to  histograms.  Each  frequency  bin  value  will  only  display  the  maximum  value.  This  value  will  remain  for   successive  scans  until  a  greater  value  is  measured  for  that  frequency  bin.  This  allows  the  analyzer  to  “build  up”   the  full  modulation  envelope  over  a  series  of  scans.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  77     Figure  5-­‐6:  10MHz  carrier  with  varying  modulation  AM  signal  on  a  spectrum  analyzer.  The  yellow  trace    is  a  “Clear  Write”  trace  type.  The  pink  trace  is  a  “Max  Hold”  trace  type  that  was  built  over  successive  scans.     If  the  spectrum  analyzer  is  equipped  with  pass/fail  masking,  set  up  a  limit  mask  to  indicate  quickly  whether  a   particular  signal  is  within  the  test  limits,  as  shown  in  Figure  5-­‐7:     Figure  5-­‐7:  Spectrum  analyzer  showing  a  pass/fail  mask  on  an  AM  Max  Hold  trace    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  78     FM  Deviation   Frequency  modulation  (FM)  is  another  common  method  of  adding  information  to  an  RF  signal.  The  frequency  of   the  carrier  waveform  changes  proportionally  to  the  input  signal.  FM  is  typically  used  to  transmit  voice   information.   In  the  time  domain,  a  typical  FM  signal  will  look  like  Figure  5-­‐8:     Figure  5-­‐8:  10MHz  carrier,  1kHz  modulation  FM  signal  on  a  scope  with  persistence  on  to  help  show  frequency     modulations.       In  this  case,  the  carrier  signal  has  a  frequency  of  10MHz  and  the  frequency  modulation  is  set  to  1kHz.   Frequency  modulation  on  an  oscilloscope  can  be  difficult  to  capture  due  to  the  triggering  model  most  scopes   use.  In  order  to  visualize  the  modulations  of  the  frequency  components  of  the  incoming  signal,  it’s  necessary  to   lengthen  the  persistence  time  of  the  display.  Persistence  determines  the  length  of  time  that  a  waveform  is  held   on  the  display.  Longer  persistence  times  will  hold  waveforms  on  the  display  for  a  longer  period  of  time  and   allow  for  a  direct  comparison  of  waveforms  over  a  period  of  time.  As  shown  in  Figure  5-­‐8,  the  frequency  of  the  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  79   sine  wave  is  changing  with  time.  This  is  shown  by  the  wider  waveform  thickness  near  the  edges  of  the  displayed   waveform.     Due  to  their  constantly  changing  frequency,  FM  signals  are  difficult  to  analyze  on  an  oscilloscope,  even  one  with   FFT  analysis  capabilities.  Because  a  spectrum  analyzer  displays  frequency  information,  it  can  be  very  handy.   Follow  these  steps  to  perform  a  basic  FM  transmitter  test  using  a  spectrum  analyzer.   Required  Hardware:   • Spectrum  analyzer     • Transmitter   • Cables,  adapters,  or  antennas  to  connect  to  the  transmitter  and  analyzer   • An  external  attenuator  (optional)  may  be  required  to  limit  the  signal  power  that  is  directed  to  the   analyzer.   Test  Steps:   1. Connect  the  transmitter  to  the  cable/adapters  or  transmission  antenna.     NOTE:  Clean  the  surfaces  of  the  adapters  and  input  with  a  lint-­‐free  cloth  and  electronics  contact  cleaner   to  prevent  damage  and  ensure  repeatability.     2. Connect  the  other  end  of  the  cable/adapters  or  receiver  antenna  to  the  RF  input  of  the  spectrum   analyzer.     NOTE:  If  using  an  external  attenuator,  place  it  on  the  RF  input  of  the  analyzer.     3. Set  the  center  frequency  of  the  analyzer  to  the  carrier  frequency  of  the  input  signal.  In  the  example  in   Figure  5-­‐9,  a  100MHz  FM  transmission  is  being  monitored.       4. Set  the  analyzer  frequency  span  to  10¥  the  expected  modulation  frequency.  In  this  example,  the  carrier   is  being  modulated  at  1kHz,  so  the  span  is  set  to  10kHz.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  80   5. Set  the  resolution  bandwidth  (RBW)  to  a  value  less  than  the  modulation  frequency.  In  the  Figure  5-­‐9,   the  RBW  is  set  to  100Hz.  If  an  RBW  close  to  the  modulation  frequency  is  used,  there  might  not  be   sufficient  resolution  to  see  the  modulation.        Figure  5-­‐9:  100MHz  carrier,  1kHz  modulation  FM  signal  on  a  spectrum  analyzer     The  input  signal  in  Figure  5-­‐9  was  modulated  with  a  fixed  1kHz  input.  A  real-­‐world  FM  signal  would  be   modulated  by  audio  or  voice  information  that  could  have  a  non-­‐linear  change  in  frequency.  This  would  cause   the  frequency  to  vary  with  time.  If  the  Max  Hold  trace  type  is  available,  it  can  be  enabled,  just  as  suggested   with  the  AM  signal.  The  FM  Frequency  Deviation  of  the  signal  can  be  measured  in  this  way  by  collecting  sweep   data  over  a  period  of  time.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  81     Figure  5-­‐10:  100MHz  carrier  with  varying  modulation  FM  signal  on  a  spectrum  analyzer.  The  yellow  trace  is  a   “Clear  Write”  trace  type.  The  pink  trace  is  a  “Max  Hold”  trace  type  that  was  built  over  successive  scans.     FM  deviation  measurements  are  important  because  they  allow  visualizing  the  frequencies  being  used  for   transmission.  If  the  deviation  is  too  large,  the  transmission  may  interfere  with  nearby  channels.  By  monitoring   the  transmission,  adjustments  can  be  made  to  maintain  proper  transmission  characteristics  and  stay  within  the   proper  band.       Harmonics  and  Spurs   An  ideal  transmitter  would  deliver  the  exact  signal  intended,  with  no  additional  unwanted  components.   Unfortunately,  there  are  no  ideal  transmitters.  In  reality,  a  transmitter  can  have  undesirable  signal  components   like  excessive  harmonics  and  spurs.  Luckily,  there  are  a  few  ways  to  identify  and  minimize  them.     Transmitters  commonly  use  amplifiers  to  boost  the  signal  strength.  Unfortunately,  most  amplifier  designs  will   add  and  amplify  the  harmonics  of  the  output  signal.  Chapter  1  discussed  superposition  of  sinusoidal  waveforms   and  how  harmonics  of  a  sine  wave  can  be  built  up  to  create  different  waveform  shapes.  A  harmonic  is  simply  a   waveform  with  a  frequency  that  is  an  integer  value  of  the  intended  signals  frequency.  For  example,  for  a  sine  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  82   wave  with  a  fundamental  frequency  of  10MHz,  the  2nd  harmonic  is  a  20MHz  sine  wave  (Figure  5-­‐11).  The   second  harmonic  is  two  times  the  fundamental  frequency,  the  third  is  three  times,  etc.     Figure  5-­‐11:  An  oscilloscope  displaying  a  sine  wave  with  a  frequency  of  10MHz  (yellow)  and  another   sine  wave  with  a  frequency  of  20MHz  (light  blue).     Figure  5-­‐12  is  a  screen  capture  of  a  10MHz  sinewave  from  a  high  quality  RF  source.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  83    Figure  5-­‐12:  10MHz  sine  input  into  a  spectrum  analyzer.  Note  1 st  and  2 nd  harmonics.     Note  that  the  2nd  harmonic  has  a  frequency  that  is  twice  the  fundamental  (20MHz)  and  the  third  peak  is  at   30MHz,  or  three  times  the  fundamental.  Even  though  the  source  was  programmed  to  source  an  output  at   10MHz,  there  are  still  some  additional  components  to  the  output  sinewave.     When  searching  for  harmonics,  it  is  important  to  widen  the  frequency  span  on  the  analyzer  in  order  to  capture   them.  If  the  fundamental  frequency  of  the  transmitter  is  100MHz,  it  may  be  wise  to  look  at  a  span  from   100MHz  to  500MHz  or  more,  in  order  to  capture  a  larger  span  of  potential  harmonics.     Harmonics  also  tend  to  be  significantly  lower  in  power  than  the  fundamental  frequency.  Note  how  the  power   level  drops  significantly  between  the  fundamental  (-­‐10dB)  and  the  harmonics  (-­‐64dBm,  -­‐73dBm)  in  Figure  5-­‐12.   This  can  make  them  difficult  to  capture  using  an  oscilloscope.  Lowering  the  RBW  value  and  using   preamplification  (if  available)  will  lower  the  noise  level  of  the  analyzer  and  help  to  isolate  these  low  powered   signals.     If  issues  with  excessive  harmonics  arise,  note  that  many  can  be  minimized  by  using  filters  or  alternative   transmitter  designs.     Spurious  emissions,  or  spurs,  can  also  be  problematic.  A  spur  is  typically  the  unwanted  result  of  nonlinear   components  in  a  circuit  or  transmission  path.  Nonlinear  components  include  amplifiers,  mixers,  and  diodes,  but   they  can  also  be  created  by  oxide  layers  on  the  mating  surfaces  of  cables  and  adapters.     Hunting  for  spurs  is  very  similar  to  hunting  for  harmonics.  Configure  the  spectrum  analyzer  span  to  cover  a   frequency  range  wide  enough  to  cover  the  expected  location  of  the  spurs  and  lower  the  noise  floor  by  using  the   RBW  and  preamplifier  (if  available).  Unfortunately,  spurs  can  be  caused  by  different  events.  This  leads  to  their   location  at  unexpected  frequencies,  not  even  multiples  of  a  fundamental  like  harmonics.     Many  spurs  are  products  of  intentional  or  unintentional  mixing  of  signals.  Investigating  areas  where  mixing   products  from  known  signals  is  a  good  starting  spot.  Chapter  3  addressed  mixers  and  mixing  products.  In  the   simplest  case,  a  mixer  takes  two  signals  as  inputs  and  the  resultant  output  contains  the  original  signals,  as  well   as  the  addition  and  subtraction  of  the  inputs.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  84     Figure  5-­‐13:  A  simple  mixer.       The  best-­‐case  scenario  is  to  identify  the  cause  of  the  spurs  and  minimize  the  unwanted  components  by  filtering,   but  investigation  into  connector  torque  (the  “tightness”  of  a  connection)  and  the  cleanliness  of  physical   connections  can  also  be  helpful.                                                                                            
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  85   Chapter  7:  Common  Receiver  Tests   An  RF  system’s  receiver  is  designed  to  collect  an  input  signal  at  a  specific  frequency,  filter  out  unwanted  signals,   and  demodulate  the  input  in  a  way  that  allows  analyzing  the  base  information.  A  typical  example  is  the  FM   radio.  Setting  the  channel  on  the  radio  dial  is  configuring  the  receiver  to  be  more  sensitive  to  the  channel  with   that  particular  base  frequency.  It  will  then  demodulate  the  audio  information  from  the  carrier,  and  play  the   audio  through  a  speaker.     Receivers  are  available  in  both  analog  (AM/FM  radio)  and  digital  (WiFi,  Bluetooth,  Zigbee)  types,  but  they  all   operate  on  similar  base  principles.  Figure  6-­‐1  is  a  generic  block  diagram  of  a  typical  receiver.       Figure  6-­‐1:  Block  diagram  of  a  typical  radio  receiver.  Note  that  other  receiver  types  are  similar  in  their  block   diagrams.  The  major  differences  are  the  demodulation  (analog  vs.  digital)  and  output  (speaker  vs.  data).       This  chapter  provides  a  brief  overview  of  each  element  in  a  typical  audio  receiver  and  presents  some  common   test  procedures  for  each,  moving  backward,  starting  at  the  speaker  and  ending  with  the  antenna.  In  real  life,  it’s   possible  to  jump  to  test  any  section  on  its  own,  but  this  backward  technique  allows  using  the  speaker  to   provide  instant  audible  feedback  when  stepping  through  each  design  area.     Receivers  typically  contain  filters  and  amplifiers  that  can  also  be  tested  individually  using  techniques  presented   in  chapter  4.  Review  those  sections  for  more  specific  tests  on  each  component,  if  desired.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  86   The  Speaker  (Optional)   The  speaker  converts  electrical  signals  to  sound  waves.  The  easiest  method  of  testing  a  speaker  is  simply  to   connect  a  function  generator  to  the  speaker  inputs.  Function  generators  are  instruments  that  can  output   voltages  in  specific  waveform  shapes  like  Sinusoidal,  Square,  and  Ramp.  They  are  typically  low  power  (<1W),   but  they  should  have  enough  power  to  test  the  functionality  of  most  simple  speakers.     Required  Hardware:   • Function  or  arbitrary  waveform  generator  like  the  Rigol  DG1022  (Figure  6-­‐2)   • Cabling  to  connect  generator  to  the  speaker.  This  is  typically  a  BNC-­‐to-­‐alligator  connection.     Figure  6-­‐2:  An  arbitrary  waveform  function  generator.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  87   Test  Steps:   1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.     2. Disconnect  the  speaker  wires  from  the  receiver.   3. Check  to  make  sure  the  speaker  connections  are  clear  of  any  contamination  or  dirt.  Clean  connectors   with  a  cotton  or  lint-­‐free  swab  and  an  electronics  contact  cleaner  like  DeoxIT®  D5  if  needed.  Allow   solvents  to  evaporate  before  turning  on  any  electrical  devices  nearby.   4. Connect  the  function  generator  output  to  the  speaker  input  wires.   5. On  the  generator,  set  the  waveform  to  Sine,  the  frequency  to  1kHz,  and  the  amplitude  to  1V  (peak-­‐to-­‐ peak)  and  listen  for  sounds  from  the  speaker.   6. OPTIONAL:  Adjust  the  frequency  and  voltage  of  the  generator  to  test  the  frequency  response  and   volume  of  the  speaker.  Humans  can  typically  hear  frequencies  from  20Hz  up  to  20kHz.     A  properly  working  speaker  should  have  a  noticeable  change  in  output  sound  when  the  frequency  and   amplitude  of  the  input  signal  are  adjusted.  If  the  speaker  does  not  have  sound  output,  it  may  need  to  be   replaced.       Audio  Amplifier  (Optional)   The  audio  amplifier  circuit  is  designed  to  take  the  low-­‐level  audio  signal  output  from  the  audio  decoder  and   amplify  the  power  so  that  the  signal  is  strong  enough  to  power  the  speaker.  If  the  audio  amplifier  is  not   working,  the  speaker  may  have  low  or  inaudible  output.     A  simple  functional  test  for  an  audio  amplifier  is  this:  Does  the  amplifier  take  a  small  input  signal  and  produce   an  output  signal  that  can  drive  the  speaker?  More  specific  tests  that  can  help  characterize  the  performance  of   an  amplifier  are  available  but  are  beyond  the  scope  of  this  document.     Required  Hardware:  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  88   • Audio  analyzer  or  oscilloscope  like  the  Rigol  DS1054Z   • Function  or  arbitrary  waveform  generator  like  the  Rigol  DG1022   Improving  Test  Steps:   1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.  Disconnect  the  audio  input  and  output  wires  from  the  audio  amplifier.     2. Connect  the  function  generator  to  the  amplifier  audio  inputs  and  set  the  generator  to  an  audio  tone   (1kHz  for  example)  at  a  low  voltage  (10mVp-­‐p  or  so)   3.     Connect  the  oscilloscope  to  the  amplifier  outputs.  A  speaker  can  also  be  used  in  place  of  the   oscilloscope,  to  hear  the  results  rather  than  see  them.     4.      Power  on  the  amplifier  and  turn  on  the  generator  and  scope.     5.     Configure  the  generator  to  output  a  sine  wave  at  2kHz  or  so.  The  audio  range  of  human  hearing  lies   from  20Hz  to  20kHz,  so  2kHz  offers  a  nice  starting  point.     6.      Enable  the  output  on  the  generator  and  observe  the  output  on  the  oscilloscope.  Start  with  a  small   voltage  output  on  the  generator  (10mV  or  less)  and  compare  this  to  the  output  of  the  amplifier  as   shown  on  the  oscilloscope.       The  output  frequency  measured  by  the  scope  should  match  the  input  frequency  from  the  generator  and  the   output  amplitude  should  be  higher.     Adjust  the  frequency  and  amplitude  of  the  generator  and  observe  the  output  on  the  scope.  If  the  output  signal   shows  excessive  distortion,  incorrect  frequencies,  or  excessive  noise,  it  may  require  repair  or  replacement.       Detector/Demodulator   The  detector  removes  the  carrier  RF  frequency  (the  channel  to  which  the  transmitter  is  tune)  and  passes  the   data  (or  audio)  through  to  the  next  stage.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  89   The  simplest  test  to  perform  on  the  detector/demodulator  is  to  input  a  signal  at  the  receiver  IF  frequency   (determined  by  the  type  of  receiver  and  the  specific  design)  that  includes  the  modulation  type  for  the  receiver   type.  For  an  AM  receiver,  add  AM  modulated  audio.  For  FM  add  FM  modulated  audio.  For  data,  add  the  specific   data  modulation  type  to  the  RF  carrier.     In  any  case,  the  idea  is  the  same.  Deliver  a  known  test  signal  to  the  detector  and  monitor  the  output.       Required  Hardware:   • A  signal  source  capable  of  creating  the  modulated  signal  (AM,  FM,  or  data  type  that  matches  the   receiver  type)  at  the  IF  frequency  of  the  receiver.  This  could  be  a  single  instrument  or  it  could  be   combination  of  a  standalone  frequency  or  pattern  generator  coupled  with  an  RF  source  (Figure  6-­‐3).   Many  RF  sources  have  external  modulation  inputs  that  can  accept  a  modulated  input  signal  and  will  mix   it  with  an  RF  output.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  90      Figure  6-­‐3:  A  Rigol  DG1022  arbitrary  waveform  generator  and  a  Rigol  DSG815  RF  Source.       • Oscilloscope  (optional).  Visually  verify  the  output  of  the  detector  stage  using  an  oscilloscope  if  there  is   no  audio  capability  with  the  receiver.  The  oscilloscope  can  also  be  used  to  check  the  data  output  visually   if  the  receiver  is  designed  for  data  transmission  as  well.   Test  Steps:   1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  91   2. Configure  the  RF  source  to  output  the  proper  IF  signal;  this  includes  the  modulated  and  carrier  portions   of  the  signal.     3. Connect  the  RF  source  to  the  detector  input  and  set  it  to  an  appropriate  power  level  for  the  input  to  the   detector.   4. Enable  the  power  to  the  detector  and  output  for  the  RF  source.  The  output  signal  can  be  monitored   using  the  speaker  (if  applicable)  by  using  an  oscilloscope  to  verify  the  amplitude  and  waveform  output   from  the  detector  visually.       Selection  and  IF  Stages   The  intermediate  frequency  (IF)  and  selection  stages  are  responsible  for  filtering  the  desired  signal  from  the   unwanted  signals  brought  in  by  the  receiving  antenna,  separating  (or  demodulating)  the  data  (audio,  data,  or  a   combination)  from  the  RF  carrier,  and  presenting  the  data  to  the  next  stage  for  further  processing.  This  stage  is   outlined  in  orange  in  Figure  6-­‐4.     Not  all  receivers  have  this  specific  design.  Some  designs  incorporate  other  hardware  or  integrate  the   individual  components  shown  in  one  package.        Figure  6-­‐4:  Receiver  with  Selection  and  IF  sections  outlined  in  orange      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  92   IF  Amplification   The  input  signal  amplitude  can  be  decreased  significantly  in  the  IF  section.  To  make  demodulation  more   successful,  there  can  also  be  an  IF  amplification  stage.     Testing  the  IF  amplifier  is  simply  a  matter  of  sourcing  a  known  modulated  signal  and  carrier  into  the  amplifier   and  measuring  the  output.     Required  Hardware:   o A  signal  source  capable  of  creating  the  modulated  signal  (AM,  FM,  or  data  type  that  matches  the   receiver  type)  at  the  IF  frequency  of  the  receiver.  This  could  be  a  single  instrument  or  it  could  be  the   combination  of  a  standalone  frequency  or  pattern  generator  coupled  with  an  RF  source.  Many  RF   sources  have  external  modulation  inputs  that  can  accept  a  modulated  input  signal  and  will  mix  it  with  an   RF  output.     o Spectrum  analyzer,  oscilloscope,  or  the  previously  tested  portions  of  the  receiver  (Audio  detector,   Amplifier,  and  Speaker)  to  monitor  the  true  audio  output,  if  the  rest  of  the  system  has  tested  to  be   functioning  properly.     Test  Steps:   1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.   2.  Configure  the  RF  source  to  output  the  proper  IF  signal;  this  includes  the  modulated  and  carrier  portions   of  the  signal.     3. Connect  the  RF  source  to  the  detector  input  and  set  it  to  an  appropriate  power  level  for  the  input  to  the   amplifier.     NOTE:  Input  IF  signals  to  the  amplifier  are  typically  very  small  (-­‐100dBm).  If  the  RF  source  being  used  is   not  capable  of  output  amplitude  values  that  are  low  enough,  add  external  attenuation.  External  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  93   attenuation  is  also  useful  to  help  protect  the  spectrum  analyzer  input  if  the  amplifier  output  is  expected   to  be  high  enough  to  damage  the  input  of  the  spectrum  analyzer.       4. Enable  the  power  to  the  amplifier  and  output  for  the  RF  source.  The  output  signal  can  be  monitored   using  a  spectrum  analyzer  or  use  an  oscilloscope  to  verify  the  amplitude  and  waveform  output  from  the   amplifier  visually.       Local  Oscillator  (LO)     The  local  oscillator,  commonly  referred  to  as  the  LO,  provides  a  common  frequency  for  the  intermediate   frequency  (IF)  stage.  The  LO  should  be  stable  over  wide  environmental  shifts  in  temperature  as  well  as  time.  An   unstable  LO  can  cause  the  receiver  to  tune  incorrectly  or  not  function.     Testing  the  LO  is  as  simple  as  monitoring  the  output  frequency  using  a  spectrum  analyzer,  oscilloscope,  or   frequency  counter.       Required  Hardware:   • Spectrum  analyzer  or  oscilloscope   Test  Steps:     1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.     2. Connect  the  output  of  the  LO  to  the  input  of  the  spectrum  analyzer.   3. Configure  the  analyzer  center  frequency  to  correspond  to  the  expected  output  frequency  of  the  LO.     4. Apply  power  to  the  LO  and  check  the  output  frequency  and  amplitude  on  the  analyzer.  Compare  these   values  to  the  specifications  for  the  LO  being  tested.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  94   If  the  analyzer  is  capable  of  performing  a  Max  Hold  trace,  enable  it  and  monitor  the  LO  over  a  period  of  time.   Max  Hold  traces  provide  a  histogram  of  the  input  over  successive  scans.  This  effectively  holds  maximum   amplitude  encountered  at  each  frequency  step  and  can  allow  identifying  drifting  LO  values.  Figure  6-­‐5  shows   the  drift  of  an  LO  over  time  captured  using  a  Max  Hold  (purple)  trace  over  a  period  of  time.  Note  that  the   frequency  of  this  oscillator  has  drifted  across  a  range  of  frequencies.         Figure  6-­‐5:  10MHz  LO  output  on  a  spectrum  analyzer.  The  yellow  trace  is  a  Clear  Write  trace  type.  The  purple  trace       is  a  Max  Hold  trace  type  showing  the  drift  of  the  LO  over  time.   If  the  LO  is  not  working  properly,  a  function  generator  set  to  the  LO  frequency  can  be  used  as  a  temporary   replacement  for  the  nonfunctional  LO  stage.  This  will  allow  troubleshooting  the  remaining  portions  of  the   receiver.     Frequency  Conversion/Mixer   The  main  function  of  the  frequency  conversion  stage  is  to  mix  the  input  signal  (RF  and  modulated  signal)  with   the  LO  and  convert  it  to  the  intermediate  frequency  (IF)  and  filter  out  unwanted  mixing  products.  This  is  similar   to  the  Mixer  and  IF  stage  of  the  swept  superheterodyne  spectrum  analyzer  discussed  in  chapter  3.  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  95   In  this  test,  an  RF  source  with  modulation  capabilities  (or  a  separate  function  generator  acting  as  the   modulation  input)  is  used  to  deliver  an  RF  signal  with  modulation  to  the  input  of  the  IF  section.  A  spectrum   analyzer  (or  the  previously  tested  receiver  sections,  if  functional)  is  used  to  check  the  performance  of  the  IF   stage.       Required  Hardware:   • A  signal  source  capable  of  creating  the  modulated  signal  (AM,  FM,  or  data  type  that  matches  the   receiver  type)  at  the  IF  frequency  of  the  receiver.  This  could  be  a  single  instrument  or  it  could  be  the   combination  of  a  standalone  frequency  or  pattern  generator  coupled  with  an  RF  source.  Many  RF   sources  have  external  modulation  inputs  that  can  accept  a  modulated  input  signal  and  will  mix  it  with  an   RF  output.     • Spectrum  analyzer     Improving  Test  Steps:   1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.     2. Configure  the  RF  source  to  output  the  proper  RF  signal;  this  includes  the  modulated  and  carrier  portions   of  the  signal.     3. Connect  the  RF  source  to  the  mixer  input  and  set  it  to  an  appropriate  power  level  for  the  input  to  the   amplifier.       NOTE:  The  input  signals  at  this  stage  typically  very  small  (-­‐100dBm).  If  the  RF  source  being  used  is  not   capable  of  output  amplitude  values  that  are  low  enough,  add  external  attenuation.  External   attenuation  can  also  help  protect  the  spectrum  analyzer  input  if  the  amplifier  output  is  expected  to  be   high  enough  to  damage  the  input  of  the  spectrum  analyzer.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  96   4. Enable  the  power  to  the  amplifier  and  output  for  the  RF  source.  Monitor  the  output  signal  using  a   spectrum  analyzer  or  use  an  oscilloscope  to  verify  the  amplitude  and  waveform  output  from  the   amplifier  visually.       If  access  to  the  mixer/frequency  conversion  section  is  available,  a  spectrum  analyzer  with  a  tracking  generator   can  be  used  to  test  the  filter  performance,  as  outlined  in  the  Testing  Filters  section  of  chapter  4.     Selection/RF  Stage   The  selection  portion  of  a  receiver  is  a  tunable  filter  designed  to  accept  a  defined  frequency  and  reject  others   outside  of  the  selected  band.  A  properly  operating  selection  stage  should  allow  the  selected  frequency  through   and  reject  out-­‐of-­‐band  signals.       Required  Hardware:   • Spectrum  analyzer  with  a  tracking  generator.   Test  Steps:   1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.     2. Configure  the  tracking  generator  of  the  spectrum  analyzer  to  output  an  amplitude  appropriate  for  the   input  to  the  selection  stage.     3. Connect  the  tracking  generator  output  to  the  selection  stage  input.   4. Configure  the  spectrum  analyzer  to  scan  a  frequency  range  that  is  appropriate  to  the  selection  filter   setting  and  bandwidth.     5. Connect  the  output  of  the  selection  stage  to  the  tracking  generator.  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  97   6. Enable  the  tracking  generator  output  and  observe  the  output  of  the  selection  stage  on  the  spectrum   analyzer  display.       The  output  of  the  selection  stage  should  effectively  filter  any  out-­‐of-­‐band  frequencies  and  pass  in-­‐band   frequencies.  It’s  recommended  to  test  other  frequency  settings  on  the  selection  stage  by  changing  the  tuner  on   the  receiver  to  different  channels.  Remember  to  change  the  analyzer  frequency  scan  range  as  well  to  coincide   with  these  new  settings.         Antennas,Cabling,  and  Adapters   The  antenna  is  designed  to  collect  RF  signals  and  deliver  them  through  the  cable  to  the  receiver.  Antennas   come  in  many  shapes,  sizes,  and  materials.  They  can  be  general  purpose,  like  the  old  “rabbit  ears”  antennas   used  with  broadcast  television  or  they  can  be  ruggedized  and  designed  to  be  wavelength  or  directionally   specific.  Regardless  of  their  design,  antennas  are  built  to  transmit  or  receive  electromagnetic  radiation.     A  visual  inspection  of  the  antenna,  the  physical  mounting  hardware,  and  all  cables  and  connectors  can  go  a  long   way  towards  identifying  problem  areas  with  the  receiver.  Antennas  and  cables  that  are  outdoors  are  subject  to   wide  temperature  swings  and  constantly  changing  environmental  conditions.  Corrosion  and  weathering  can   lead  to  high  impedances,  open/broken  connections,  and  a  host  of  other  issues.     Additional  information  can  be  found  in  the  section  on  VSWR  testing  as  covered  in  the  components  section  of   chapter  4.   Thanks  to  Jeff  Covelli  (WA8SAJ)  for  his  assistance  on  this  chapter.          
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  98           Chapter  8:  EMI   Much  of  the  previous  discussion  on  RF  signals  has  been  about  creating  or  receiving  some  sort  of   electromagnetic  signal  intentionally.  Radios,  WiFi  receivers,  Bluetooth  devices,  and  mobile  phones  are  all   examples  of  devices  that  are  intended  to  emit  or  receive  RF  signals.  A  host  of  other  devices  create  RF  signals  as   a  side  effect,  based  on  their  design.  The  processor  and  internal  digital  circuits  on  a  smart  phone  or  tablet  are   perfect  examples  of  this.     Many  processors  and  digital  communications  buses  are  rated  by  their  clock  speed.  Faster  clocks  generally   indicate  faster  performance.  Many  processors  feature  clocks  in  the  4–6GHz  range,  and  many  chip-­‐to-­‐chip   communications  on  the  circuit  board  are  into  the  hundreds  of  megahertz.  Signals  in  these  frequency  ranges  can   interfere  with  intentional  transmissions  in  these  frequency  bands  and  can  also  cause  other  devices  to  behave   erratically.  These  effects  aren’t  localized  to  processors  and  digital  buses.  Any  circuit  element  that  exhibits  sharp   rise  times,  square  pulse  edges,  or  transient  signals  can  emit  radiation  that  can  interfere  with  other  devices.     To  minimize  the  side  effects,  a  few  standard  measurements  can  be  performed  on  a  design.  This  chapter   introduces  test  methodologies  and  some  fundamental  first  steps  that  can  help  one  gain  a  better  understanding   of  some  common  electromagnetic  interference  (EMI)  tests.       Compliance  vs.  Pre-­‐Compliance   Almost  any  electronic  design  slated  for  commercial  use  is  subject  to  EMC  (electromagnetic  compatibility)   testing.  Any  company  intending  to  sell  a  product  must  ensure  that  it  is  tested  to  the  specifications  set  forth  by   the  regulatory  body  of  the  country  in  which  it  will  be  sold.  In  the  United  States,  the  Federal  Communications   Commission  (FCC)  specifies  rules  on  EMC  testing  using  guidelines  and  test  plans  developed  by  the  International   Special  Committee  on  Radio  Interference  (CISPR)  and  the  International  Electrotechnical  Commission  (IEC).  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  99   To  be  sold  legally,  a  sample  of  the  electronic  product  must  pass  a  series  of  specific  tests.  In  many  cases,   companies  can  self-­‐test  and  certify  that  the  product  meets  the  standard  limits,  but  they  must  have  detailed   reports  of  the  test  conditions  and  data.  Many  companies  choose  to  have  these  tests  performed  by  accredited   compliance  company.  Testing  that  meets  all  of  the  details  outlined  in  the  test  specifications  for  the  device  is   referred  to  as  compliance  testing.     Fully  compliant  tests  follow  the  guidelines  and  setup  exactly  and  the  results  can  be  used  to  certify  the  device   for  compliance  to  the  test  procedures.  However,  this  type  of  testing  can  be  expensive  and  may  require   specialized  test  environments  and  equipment  that  might  be  beyond  the  reach  of  many  companies.     One  method  to  lower  the  additional  costs  associated  with  ensuring  EMC  compliance  is  to  perform  EMC  testing   throughout  the  design  process,  well  before  sending  the  product  off  for  full  compliance  testing.  This  pre-­‐ compliance  testing  can  be  very  cost-­‐effective  and  can  be  tailored  to  match  the  conditions  used  for  compliance   testing  closely.  This  will  increase  the  company’s  confidence  in  passing  compliance  the  first  time,  lower  test   costs,  and  speed  time  to  market.     The  following  sections  introduce  pre-­‐compliance  test  methods  that  can  be  used  to  troubleshoot  a  design’s   potential  EMI-­‐related  issues.  Although  the  simple  tools  and  test  methods  described  can  ease  the  reader  into   the  world  of  EMI/EMC  testing,  there  is  much  more  that  can  be  learned  independently  about  full  compliance   testing.  Of  the  many  texts  available  for  independent  study,  we  recommend  Henry  Otts’s  Electromagnetic   Compatibility,  as  well  as  EMI  Troubleshooting  Cookbook  for  Product  Designers  by  André  and  Wyatt.     Measuring  Radiated  EMI/Near-­‐Field   An  unintentional  radiator  is  a  device  that  transmits  RF  as  a  byproduct  or  side  effect  of  its  intended  operation.  In   simple  terms,  an  unintentional  radiator  is  much  like  a  radio  transmitting  noise  across  multiple  stations  at  one   time.  These  radiated  transmissions  can  have  an  adverse  effect  on  other  devices  that  receive  this  undesired   signal.     One  common  test  is  to  measure  the  radiated  emission  of  a  product  by  placing  a  spectrum  analyzer  and  an   antenna  a  few  meters  away  from  it.  This  is  called  a  far-­‐field  radiated  emissions  test  (Figure  7-­‐1).  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  100     Figure  7-­‐1:  Simple  block  diagram  of  a  radiated  emissions  test.     In  this  test,  an  antenna  is  attached  to  a  spectrum  analyzer  and  measurements  are  performed  over  a  frequency   span  of  interest.  Although  the  idea  sounds  simple,  this  test  method  has  some  major  problems:     • Most  antennas  are  broadband.  That  is,  they  accept  a  wide  range  of  frequencies  and  do  not  differentiate   between  those  outside  of  the  test  area  and  the  actual  test  device.  This  makes  any  measurements   performed  using  an  antenna  very  susceptible  to  other  RF  signals  like  radio  stations,  WiFi,  etc.   • Other  environmental  factors  (metal  shelving,  desks,  people,  etc.)  can  also  adversely  affect  the   measurements.  This  can  be  due  to  reflections  and  absorption  of  the  signals  by  the  environment  and  can   make  repeatable  and  accurate  measurements  nearly  impossible.     Successfully  executing  fully  compliant  radiated  emissions  tests  involve  a  similar  setup,  but  they  also  require  the   use  of  test  areas  with  very  low  external  RF  sources  that  could  interfere  with  the  measurement.  Open  Air  Test   Sites  (OATS)  are  basically  open  test  areas  in  geographic  locations  that  feature  minimal  RF  signals…  such  as  an   open  prairie  in  the  middle  of  North  Dakota,  for  example.     OATS  facilities  were  very  popular  in  the  twentieth  century,  but  their  numbers  have  dwindled  due  to  the   exponential  increase  in  external  RF  sources.  At  that  time,  most  RF  was  produced  by  AM  and  FM  radio,  and  open   air  facilities  could  be  placed  in  areas  without  much  RF  interference.  Now,  with  WiFi,  mobile  phones,  and   Bluetooth  devices,  RF  signals  are  everywhere.     A  more  useful  solution  comes  in  the  form  of  special  test  chambers  that  attenuate  external  RF  signals  and   minimize  internal  RF  reflections.  These  anechoic  and  semi-­‐anechoic  chambers  provide  this  function  but  can  be  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  101   very  expensive.  A  small  semi-­‐anechoic  chamber  a  few  feet  wide  by  a  few  feet  tall  can  cost  $50,000  or  more,   which  in  most  cases  is  too  costly  for  infrequent  test  needs.     Near-­‐field  probing  is  a  test  technique  that  uses  special  probes  that  minimize  the  effects  of  stray  environmental   RF.  Near-­‐field  probes  typically  have  two  designs.  Magnetic-­‐field,  or  H-­‐field,  probes  feature  loops  that  help   couple  the  magnetic  fields  produced  by  time-­‐varying  currents.  Both  designs  are  very  sensitive  to  distance  from   the  source  of  the  radiation.  They  need  to  be  within  a  few  inches  of  most  sources  to  measure,  even  with  a  very   sensitive  analyzer  or  preamp  attached.        Figure  7-­‐2:  Rigol  NFP  Near  Field  EMC  probes.         The  simplest  test  is  to  configure  the  DSA  to  use  the  peak  detector  and  set  the  RBW  and  Span  for  the  area  of   interest  per  the  regulatory  requirements  for  the  device  being  tested.  Then  select  the  proper  E  or  H  probe  for   the  design  and  scan  over  the  surface  of  the  design.     Probe  orientation  (rotation,  distance)  is  also  important  to  consider.  The  probes  act  as  an  antenna,  picking  up   radiated  emissions  from  seams,  openings,  traces,  and  other  elements  that  could  be  emitting  RF.  A  thorough  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  102   scan  of  all  of  the  circuit  elements,  connectors,  knobs,  openings  in  the  case,  and  seams  is  crucial.  Figure  7-­‐4  shows   using  an  H-­‐field  probe  to  test  emitted  radiation.     For  the  first  pass,  configure  the  spectrum  analyzer  to  use  the  peak  detector.  This  will  provide  a  “worst-­‐case”   reading  on  the  radiated  RF  and  it  is  the  quickest  path  to  determining  the  problem  areas.  Larger  probes  will   allow  a  faster  scanning  rate,  albeit  with  less  spatial  resolution.   Once  problem  areas  are  identified,  a  few  common  techniques  allow  getting  more  details  on  them.  Whenever   possible,  select  a  spectrum  analyzer  that  has  the  standard  configuration  used  in  full  compliance  testing.  This   includes  a  quasi-­‐peak  detector  mode,  EMI  filter,  and  resolution  bandwidth  (RBW)  settings  that  match  the  full   test  requirements  specified  for  the  product.     This  type  of  setup  will  increase  testing  time  but  should  be  used  on  the  problem  areas.  A  full  compliance  test   utilizes  these  settings,  so  pre-­‐compliance  testing  with  this  configuration  will  provide  a  greater  degree  of   visibility  into  the  EMI  profile  of  a  design.     Many  instruments  also  support  storing  cable  and  antenna  correction  factors  that  will  make  it  possible  to  see   the  true  signal,  without  the  added  errors  from  the  setup.     The  next  step  in  radiated  testing  includes  using  antennas  in  place  of  the  near-­‐field  probes  and  a  rotating   platform  for  the  equipment  under  test  (EUT).  It  can  also  include  a  special  room  that  minimizes  environmental   factors  (semi-­‐anechoic).  These  setups  are  beyond  the  scope  of  this  document,  but  references  at  the  end  of  this   chapter  provide  good  references  for  the  details  of  that  setup.       Near-­‐Field  Probing  Setup   Board-­‐level  emission  testing  can  be  performed  using  a  spectrum  analyzer,  like  the  Rigol  DSA-­‐815  (9kHz  to   1.5GHz),  near-­‐field  electric  (E)  and  magnetic  (H)  probes,  and  the  appropriate  connecting  cable.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  103      Figure  7-­‐3:  The  Rigol  DSA815-­‐TG  Spectrum  Analyzer.     Using  the  near-­‐field  probes  shown  in  Figure  7-­‐3  with  a  Rigol  spectrum  analyzer  requires  a  50Ω  cable  that   terminates  in  an  N-­‐type  connector  (spectrum  analyzer  end)  and  SMB  (probe  end).   It’s  also  possible  to  build  probes  by  removing  a  few  centimeters  of  outer  shield  and  insulator  from  a  semi-­‐rigid   RF  cable,  bending  it  into  a  loop,  and  dipping  in  plastic  tool  dip  or  other  insulating  material.  Larger  diameter   loops  will  pick  up  smaller  signals  but  do  not  have  as  much  spatial  resolution  as  smaller  diameter  loops.     For  the  first  pass,  configure  the  spectrum  analyzer  to  use  the  peak  detector.  This  setting  ensures  that  the   instrument  is  capturing  the  “worst-­‐case”  peak  RF.  It  also  provides  a  fast  scan  rate  to  minimize  the  time  spent  at   one  position  when  scanning  over  the  DUT.  Larger  probes  will  allow  for  a  faster  scanning  rate,  albeit  with  less   spatial  resolution.  Smaller  probes,  like  the  E-­‐field  probe,  provide  fine  spatial  resolution  and  can  be  used  to   detect  RF  on  single  pins  of  circuit  elements.     Probe  orientation  (rotation,  distance)  is  also  important  to  consider.  The  probes  act  as  an  antenna,  picking  up   radiated  emissions.  Exposing  the  loop  to  the  largest  perpendicular  field  possible  will  maximize  the  signal   strength.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  104     Figure  7-­‐4:  An  example  of  using  an  H-­‐field  probe  and  spectrum  analyzer  to  find  trouble  spots     on  a  board.  Note  the  orientation  of  the  H-­‐field  probe       Take  care  to  test  enclosure  seams,  openings,  traces,  and  other  elements  that  could  be  emitting  RF  signals.  A   thorough  scan  of  all  of  the  circuit  elements,  connectors,  knobs,  openings  in  the  case,  and  seams  is  crucial  to   identifying  potential  areas  where  RF  can  “leak”  out  of  an  enclosure.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  105     Figure  7-­‐5:  Measuring  a  display  ribbon  cable  for  emissions  using  an  H-­‐field  probe.       Use  tinfoil  or  conductive  tape  to  cover  suspected  problem  areas  like  vents,  covers,  doors,  seams,  and  cables   coming  through  an  enclosure.  Simply  test  the  area  without  the  foil  or  tape,  then  cover  the  suspected  area,  and   rescan  with  the  probe.     Once  problem  areas  have  been  identified,  implementing  a  few  common  techniques  can  provide  additional   detail.  If  possible,  select  a  spectrum  analyzer  that  has  the  standard  configuration  used  in  full  compliance   testing.  This  includes  a  quasi-­‐peak  detector  mode,  EMI  filter,  and  resolution  bandwidth  (RBW)  settings  that   match  the  full  test  requirements  specified  for  the  product.     This  type  of  setup  will  increase  testing  time  but  should  be  used  on  the  problem  areas.  A  full  compliance  test   utilizes  these  settings,  so  pre-­‐compliance  testing  with  this  configuration  will  provide  a  greater  degree  of   visibility  into  the  EMI  profile  of  a  design.     Tips   Near-­‐field  probes  and  a  spectrum  analyzer  can  be  useful  tools  in  troubleshooting  EMI  issues.     • With  H-­‐field  probes,  try  different  probe  orientations  to  help  isolate  problem  areas.  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  106   • Remember  to  probe  all  of  the  seams,  openings,  and  cutouts  around  the  enclosure  of  the  device.  Surface   contact  between  mating  parts,  as  well  as  the  finish  of  the  materials,  can  adversely  affect  the  grounding   and  shielding  properties  of  an  enclosure.   • Openings  radiate  just  like  solid  structures.  They  act  like  antennas.   • Ribbon  cables  and  cables/inputs  with  bad  shielding  and  grounds  are  common  causes  of  radiated   emissions.     Measuring  Conducted  EMI   Conducted  EMI  testing  requires  analyzing  the  RF  energy  that  is  coupled  from  the  instrument  or  test  circuit  to   the  main  power  line  to  which  it  is  connected.  RF  signals  traveling  down  the  power  line  can  cause  interference  in   the  AM  radio  transmission  bands.  In  order  to  minimize  this  interference,  it  is  important  to  quantify  the  RF   power  and  frequencies  that  a  product  produces  when  plugged  into  the  power  grid.   Like  radiated  EMI,  conducted  EMI  is  measured  using  a  spectrum  analyzer,  but  it  also  requires  a  transient  limiter   and  a  Linear  Impedance  Stabilization  Network  (LISN).  An  LISN  isolates  the  power  mains  from  the  equipment   under  test,  isolates  any  noise  generated  by  the  EUT,  and  couples  the  signals  generated  by  the  EUT  to  the   spectrum  analyzer.   As  with  emissions  testing,  the  best  start  is  a  scan  over  the  frequency  range  of  interest  using  the  peak  detector   on  the  spectrum  analyzer.  If  any  peaks  are  within  3dB  or  so  of  the  limit  line,  make  note  of  their  frequencies.   Then,  perform  a  quasi-­‐peak  scan  over  a  1MHz  span  centered  around  each  peak.  This  will  save  you   measurement  time  and  provide  a  more  accurate  representation  of  the  true  amplitude  of  the  RF  power  of  the   EMI.       Conducted  Emission  Measurement  Setup   The  more  closely  this  setup  matches  a  full  compliance  setup,  the  more  closely  the  data  acquired  will  match  with   the  lab.  However,  this  isn't  always  practical.     Figures  7-­‐6  and  7-­‐7  show  the  standard  suggested  electrical  and  physical  setups  for  testing  conducted    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  107   emissions:      Figure  7-­‐6:  Electrical  connections  for  conducted  EMC  testing.       Figure  7-­‐7:  Physical  connections  for  conducted  EMC  testing.        
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  108    Here  are  the  key  points  to  remember:   6. The  horizontal  and  vertical  ground  planes  are  typically  sheets  of  metal  with  surface  areas  twice  the   dimensions  of  the  equipment-­‐under-­‐test.     7. The  horizontal  and  vertical  ground  planes  should  be  electrically  bonded  to  each  other.     8. Equipment  should  be  placed  on  an  insulated  table  over  the  horizontal  ground  plane.  No  equipment  or   cabling  should  run  below  the  equipment.     9. The  LISN  should  be  electrically  bonded  to  the  horizontal  ground  plane.  The  LISN’s  job  is  to  separate  the   AC  Mains  noise  from  the  conducted  noise  being  generated  by  the  equipment-­‐under-­‐test.  Select  a  LISN   that  has  the  proper  voltage,  current,  and  frequency  ranges  for  the  equipment-­‐under-­‐test.   10. Do  not  coil  cables;  minimize  inductive  loops  by  laying  cabling  out  smoothly.   11. The  spectrum  analyzer  should  be  placed  some  distance  away  from  the  horizontal  ground  plane,  typically   a  few  feet  away.       Test  Procedure   Once  the  EUT  is  set  up  and  bonded  the  LISN  and  ground  planes,  power  on  the  spectrum  analyzer  for  at  least  30   minutes  to  ensure  stability  and  accuracy.       Configure  Spectrum  Analyzer   • Option:  If  the  analyzer  has  settings  for  enabling  quasi-­‐peak  detection  as  well  as  the  FCC  resolution   bandwidths  of  200Hz,  9kHz,  and  120kHz,  they  can  be  used  to  obtain  data  that  could  more  accurately   represent  data  collected  during  true  compliance  tests.  Be  aware  that  quasi-­‐peak  detectors  can  take  a   much  longer  time  for  scan  completion.   • Set  resolution  bandwidth.   NOTE:  The  resolution  bandwidth  is  determined  by  the  standard  and  specific  device  type  under  test.  As   an  example,  FCC  subpart-­‐15  specifies  an  RBW  of  9kHz  when  testing  from  150kHz  to  30MHz.     • Consult  the  standards  to  which  the  product  or  circuit  is  being  tested  to  for  more  information  on  the   specifications  governing  the  testing  process.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  109   NOTE:  Many  specifications  give  limits  and  values  in  dBµV  or  V.     • Optional:  Set  scale  for  volts  if  the  analyzer  has  that  capability.   NOTE:  Some  analyzers  have  pass/fail  features  that  allow  configuring  an  upper  limit  line.  This  can  be   useful  when  evaluating  the  frequency  scan  with  respect  to  the  limits  set  forth  by  the  EMC  standard  to   which  testing  is  being  performed.   • Any  limit  lines  can  be  saved  to  the  internal  storage.   • Set  detector  type  to  Positive  Peak.  The  positive  peak  detector  will  show  the  highest  value  and  provide   the  “worst-­‐case”  value  for  pre-­‐compliance  scans.     • Adding  an  external  transient  limiter  and  10dB  to  20dB  of  external  attenuation  is  recommended  to   minimize  the  likelihood  of  damage  to  the  sensitive  front  end  of  the  spectrum  analyzer.  The  attenuator   protects  the  input  circuit  from  any  unknown  signals  that  could  damage  the  input.  It  also  serves  as  a   convenient  check  on  overloading  after  checking  the  background  readings.     • The  DSA  has  protection  circuitry,  but  there  are  transients  that  are  too  fast  to  protect  against.     • Set  frequency  start,  stop  values  set  forth  in  the  EMC  Specifications  that  apply  to  the  product.     • Set  the  resolution  bandwidth  (RBW)  to  the  value  set  forth  in  the  EMC  Specifications  that  apply     Improving  Signal  Fidelity  Check  Background  Readings   • Power  up  LISN.   • Connect  the  spectrum  analyzer  to  the  LISN  output.   • Scan  over  the  frequency  band  of  interest  using  the  detector  set  to  “peak”  and  with  the  attenuator  set  to   10dB.   Peak  Test   • Disconnect  the  spectrum  analyzer  from  the  LISN.   • Connect  the  equipment-­‐under-­‐test  (EUT)  to  the  LISN.   • Reconnect  the  spectrum  analyzer  to  the  LISN.  This  process  helps  to  minimize  damage  to  the  spectrum   analyzer  due  to  transients  on  the  input.   • Observe  the  conducted  emissions  scan  and  adjust  the  attenuation  value  to  20dB.  If  the  line  does  not   change  for  different  attenuation  values,  then  it  is  likely  that  the  input  is  not  being  overloaded  the  input   and  the  measurement  quality  is  high,  so  it’s  safe  to  proceed  with  the  pre-­‐compliance  testing.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  110     If  the  scan  changes  value  with  different  attenuation  settings,  then  it  is  likely  that  the  input  is  being   overloaded  with  broadband  power  and  additional  attenuation  is  recommended.  Try  comparing  scans  of   20dB  and  30dB,  etc.  until  a  range  without  variation  is  found.  The  objective  is  to  select  the  smallest   attenuation  value  that  does  not  show  errors  due  to  the  overloading  effects  of  the  input  signal.  In  the   worst  case,  the  EUT  may  not  be  able  to  be  tested  successfully  with  a  spectrum  analyzer,  so  a  true  EMI   receiver  with  pre-­‐selection  filters  might  be  needed.     • Observe  conducted  emissions  and  look  for  frequency  lines  that  are  above  the  limit  line  previously  set.   Make  note  of  the  frequencies  failing  the  limit  lines.     Quasi-­‐Peak  Scans   • Using  the  failed  frequencies  noted  previously,  adjust  the  spectrum  analyzer  to  center  the  failed  peak.     • Note  the  RBW  setting  for  the  scan,  and  make  the  frequency  span  twice  the  RBW  setting  used  for  the   peak  scan.  For  example,  if  there  is  an  over  limit  peak  at  10MHz,  and  an  RBW  of  120kHz,  center  the   quasi-­‐peak  scan  at  10MHz,  and  scan  from  9.88MHz  to  10.12MHz.  Optional:  Change  the  detector  type  to   quasi-­‐peak.   NOTE:  The  quasi-­‐peak  detector  is  based  on  charge  and  discharge  times  of  a  standardized  resonant   circuit.  This  detector  type  can  take  more  than  three  times  the  scan  time  of  a  peak  measurement.  That  is   why  it  is  best  to  use  quasi-­‐peak  only  over  short  spans.     • Compare  the  quasi-­‐peak  data  to  the  pass/fail  limit  line  for  that  frequency.     • It  is  advisable  to  keep  the  conducted  emissions  at  least  10dB  lower  than  the  specified  limit  line.  This   margin  of  error  will  increase  the  likelihood  of  passing  a  full  compliance  test.   • It  is  also  advisable  to  compare  the  pre-­‐compliance  data  and  setup  to  that  of  the  full  compliance  lab  that   will  perform  the  EMC  certification  testing.  This  will  make  it  easier  to  identify  any  problems  with  pre-­‐ compliance  testing.  More  comparisons  make  it  possible  to  hone  the  pre-­‐compliance  error  budget  and   allow  more  confidence  in  the  results  obtained.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  111   Immunity  Testing     Products  that  contain  electronics  can  be  sensitive  to  radio  frequency  (RF)  interference.  Devices  that  experience   RF  interference  can  be  prone  to  improper  or  failed  operations.  Products  that  suffer  problems  when  exposed  to   RF  interference  are  said  to  be  susceptible  to  interference;  products  that  do  not  exhibit  issues  when  exposed  to   RF  interference  are  said  to  be  immune  to  interference.     RF  interference  can  cause:   • Scrambled  display  information   • Slow,  frozen,  or  locked  operations  (no  response  from  keys,  knobs)   • False  or  noisy  data   • System  reset  or  reboot   Design  analysis,  including  part  selection,  shielding,  and  cable  selection  is  the  first  step  in  creating  a  product  that   is  capable  of  operating  “as  expected”  under  a  certain  degree  of  RF  interference;  however,  testing  early  under   real-­‐world  conditions  is  one  sure  way  to  determine  if  a  design  is  susceptible  to  any  issues  with  RF.   The  following  section  illustrates  how  an  RF  generator  and  some  simple  tools  can  be  useful  in  identifying   weaknesses  in  a  product  design.       Radiated  Susceptibility   Radiated  susceptibility  tests  involve  observing  the  operation  of  a  device-­‐under-­‐test  (DUT)  while  it  is  being   subjected  to  a  known  RF  source.  The  signal  is  delivered  to  the  DUT  using  antennas  for  far-­‐field  testing  or  near-­‐ field  probes  for  board-­‐level  tests.   Most  radiated  susceptibility  regulations  are  based  on  IEC  61000-­‐4-­‐3,  which  defines  the  test  signals  range   from  80–1,000MHz.  This  signal  can  be  modulated  by  a  1kHz  AM  sine  wave  with  80%  modulation  depth.  The   modulated  signal  helps  to  identify  any  rectification  issues  within  sensitive  circuit  elements  quickly.     In  far-­‐field  tests,  an  RF  signal  source,  like  the  Rigol  DSG3000  or  DSG800  series,  is  connected  to  an  antenna  that   is  set  up  a  meter  or  two  from  the  DUT.  The  RF  source  is  then  configured  to  source  an  output  with  80%  AM  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  112   modulation  at  1kHz.  The  amplitude  should  be  set  as  high  as  possible,  and  the  carrier  frequency  can  be  set  at   9kHz.       NOTE:  The  DUT  should  be  configured  in  its  most  commonly  used  state.  All  cabling  (power,  I/O,  etc.)   should  be  connected  and  in  place.  Cables  can  act  like  antennas  and  can  directly  influence  performance.       Observe  the  DUT  for  any  functional  changes  or  issues  such  as  a  glitchy  or  noisy  display.  Now,  increase  the   carrier  frequency  and  check  the  DUT.  Step  the  center  frequency  of  the  generator  and  continue  to  observe  the   DUT,  making  note  of  the  carrier  frequencies  that  cause  issues  and  the  type  of  problems  observed.  After  the   stepping  up  to  1GHz  is  complete,  rotate  the  DUT  with  respect  to  the  antenna  and  re-­‐test  to  provide  a  more   thorough  test.       NOTE:  Antennas  should  only  be  used  in  shielded  anechoic  or  semi-­‐anechoic  chambers  to  prevent   interference  with  communications  and  emergency  broadcast  bands.  It  is  illegal  to  broadcast  over  many   frequency  bands  without  proper  licensing.       The  use  of  an  RF  source  like  the  Rigol  DSG3000  or  DSG800  series  offers  the  flexibility  to  adjust  the  wavelength,   power,  and  modulation  of  the  output  to  help  identify  problem  areas  quickly.  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  113     Figure  7-­‐8:  The  Rigol  DSG800  and  DSG3000  RF  Source.     Near-­‐field  testing  is  helpful  because  it  does  not  require  specialized  chambers  for  testing.  The  E-­‐  and  H-­‐field   probes  only  produce  strong  fields  at  distances  less  than  one  inch  from  the  tip  of  the  probe  and  do  not  radiate   efficiently  enough  to  cause  problems  with  broadcast  and  emergency  systems.  Their  small  size  also  allows   pinpointing  the  RF  at  specific  circuit  elements.     A  commercial  example  of  near-­‐field  probes  are  the  Rigol  probes  shown  in  Figure  7-­‐9.  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  114     Figure  7-­‐9:  Rigol  NFP  EMC  probes.  The  loops  are  H-­‐field  type.     The  RF  source  is  configured  exactly  as  in  the  far-­‐field  test,  but  this  time,  the  probe  tip  is  placed  very  close  to  the   circuit  or  elements  of  the  board  at  each  carrier  frequency.  While  scanning  across  the  circuit,  observe  the  DUT   and  be  sure  to  check  for  any  issues,  especially  near  sensitive  analog  circuitry.   Figures  7-­‐10  through  7-­‐12  show  what  happens  when  the  shielding  is  removed  from  an  oscilloscope  board  and   an  E-­‐field  probe  and  a  DSG3000  are  used  to  deliver  RF  signals  into  the  sensitive  analog  front  end.  Note  how,   with  the  shielding  removed,  the  RF  causes  data  corruption  and  changes  the  waveform  significantly.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  115     Figure  7-­‐10:  Using  a  near-­‐field  probe  on  an  unshielded  oscilloscope  analog     input  circuit.        Figure  7-­‐11:  Oscilloscope  data  with  shielding  in  place.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  116      Figure  7-­‐12:  Oscilloscope  data  without  shielding.       Additional  Testing   Another  useful  test  technique  is  to  use  a  current  probe  and  RF  source  to  deliver  RF  signals  to  cables  connected   to  the  DUT.  Cables  can  act  like  antennas  and  couple  undesired  signals  to  the  DUT.  This  setup  can  be  used  to   step  through  different  frequencies  and  check  the  susceptibility  of  a  design.  Commercial  current  probes  can  be   used,  but  an  acceptable  current  probe  can  be  built  using  a  snap-­‐on  ferrite  choke,  a  few  winds  of  insulated  wire,   some  epoxy,  and  a  BNC  connector  as  shown  in  Figure  7-­‐13.     Figure  7-­‐13:  Hand-­‐made  current  probe.  
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  117     The  first  step  is  to  set  up  the  DUT  and  connect  all  of  the  cables  that  are  common  to  its  usage.  Configure  the   source  to  output  maximum  power  with  the  same  80%  1kHz  AM  modulation  that  was  suggested  previously  for   far-­‐  and  near-­‐field  tests  and  observe  the  DUT  for  problems.  Step  the  carrier  frequency  and  observe.  Perform   this  test  to  the  maximum  desired  frequency  and  repeat  the  process  on  each  cable  used  with  the  DUT.       NOTE:  Clamp  probes  should  only  be  used  in  shielded  anechoic  or  semi-­‐anechoic  chambers  to  prevent   interference  with  communications  and  emergency  broadcast  bands.  It  is  illegal  to  broadcast  over  many   frequency  bands  without  proper  licensing.     To  demonstrate  the  use  of  a  current  probe,  an  experiment  was  performed  on  a  USB-­‐powered  demonstration   board,  using  a  DSG3000  and  a  hand-­‐made  probe  clamped  to  a  non-­‐filtered  USB  cable  connected  to  the  board.   The  output  signal  was  monitored.       Figure  7-­‐14:  Injection  of  RF  to  an  unfiltered  USB  cable.      
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  118   With  no  RF  applied,  the  data  was  smooth.       Figure  7-­‐15:  Sine  wave  from  board  without  RF  interference.     However,  when  an  RF  signal  was  applied,  the  output  began  to  show  signs  of  interference.  The  worst   interference  occurred  at  an  RF  carrier  frequency  of  110MHz,  as  shown  in  Figure  7-­‐16.       Figure  7-­‐16:  Noisy  data  showing  RF  interference  at  111.1MHz  due  to  injected  noise.    
  RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  119        Figure  7-­‐17:  Zoomed  data  to  show  details.     In  conclusion,  an  RF  source  like  the  Rigol  DSG3000  or  DSG800  and  some  simple  tools  allow  testing  designs  for   immunity  issues  early  in  the  development  process,  saving  time  and  money.          
RIGOL Technologies Inc. 8140 SW Nimbus Ave. Beaverton, OR 97008 877-4-RIGOL-1 info@rigol.com www.rigolna.com Distribute by : NIHON DENKEI

More Related Content

PPT
Principle of FMCW radar
tobiasotto
 
PPTX
What is transducer?Where are they used and what for?
AL- AMIN
 
PPTX
Introduction to Wavelet Transform with Applications to DSP
Hicham Berkouk
 
PPTX
Acoustic Emission Wave Propagation And Source Location by Boris Muravin
mboria
 
PDF
Real-Time Jitter Measurements
Rohde & Schwarz North America
 
PPTX
Coffee can radar
youssef ramzy
 
PPT
Wavelet
aiQUANT
 
PDF
WE3.L10.2: COMMUNICATION CODING OF PULSED RADAR SYSTEMS
grssieee
 
Principle of FMCW radar
tobiasotto
 
What is transducer?Where are they used and what for?
AL- AMIN
 
Introduction to Wavelet Transform with Applications to DSP
Hicham Berkouk
 
Acoustic Emission Wave Propagation And Source Location by Boris Muravin
mboria
 
Real-Time Jitter Measurements
Rohde & Schwarz North America
 
Coffee can radar
youssef ramzy
 
Wavelet
aiQUANT
 
WE3.L10.2: COMMUNICATION CODING OF PULSED RADAR SYSTEMS
grssieee
 

What's hot (20)

PPTX
Emi unit ii ppt
SIVA NAGENDRA REDDY
 
PPTX
ELECTRICAL AND ELECTRONICS MEASURING INSTRUMETNTS,CRO,CRT,PROBES,OSCILLOSCOPES
AKSHIT KOHLI
 
PPT
radar basics
Ritesh Goel
 
PPTX
Cro (emmi) (1)
Ravi Anand
 
PPTX
Troubleshooting Switched Mode Power Supplies With A Digital Oscilloscope
Rohde & Schwarz North America
 
PPTX
RADAR
Alka Sanghani
 
PPT
(19) electronic instruments 1
delhiking92
 
PPT
Wideband Complex Modulation Analysis Using a Real-Time Digital Demodulator
Rohde & Schwarz North America
 
PPTX
Ultrasonic
Atiq Shaikh
 
PDF
Acoustic sensors
Shankar Sahni
 
PDF
project report
SMALL ARMS FACTORY (MINISTRY OF DEFENSE)
 
DOCX
Lissajous pattern
ashmad
 
PPTX
Ultrasonic Sensor
Jeran Rai
 
PDF
USB 2.0 Compliance Testing
Rohde & Schwarz North America
 
PPTX
Phd defense of xin you
Xin YOU
 
PPTX
Handheld oscilloscopes, dso nano v3
Md. Tosir Uddin
 
PPTX
MRI spin echo pulse sequences
Shiva Prakash
 
PDF
Study of CRO and measusre the voltage and frequency
dreamygyz
 
DOCX
cathode ray oscilloscope &function generator
megha agrawal
 
PPTX
Emi cathode ray oscilloscope
yssb91
 
Emi unit ii ppt
SIVA NAGENDRA REDDY
 
ELECTRICAL AND ELECTRONICS MEASURING INSTRUMETNTS,CRO,CRT,PROBES,OSCILLOSCOPES
AKSHIT KOHLI
 
radar basics
Ritesh Goel
 
Cro (emmi) (1)
Ravi Anand
 
Troubleshooting Switched Mode Power Supplies With A Digital Oscilloscope
Rohde & Schwarz North America
 
RADAR
Alka Sanghani
 
(19) electronic instruments 1
delhiking92
 
Wideband Complex Modulation Analysis Using a Real-Time Digital Demodulator
Rohde & Schwarz North America
 
Ultrasonic
Atiq Shaikh
 
Acoustic sensors
Shankar Sahni
 
project report
SMALL ARMS FACTORY (MINISTRY OF DEFENSE)
 
Lissajous pattern
ashmad
 
Ultrasonic Sensor
Jeran Rai
 
USB 2.0 Compliance Testing
Rohde & Schwarz North America
 
Phd defense of xin you
Xin YOU
 
Handheld oscilloscopes, dso nano v3
Md. Tosir Uddin
 
MRI spin echo pulse sequences
Shiva Prakash
 
Study of CRO and measusre the voltage and frequency
dreamygyz
 
cathode ray oscilloscope &function generator
megha agrawal
 
Emi cathode ray oscilloscope
yssb91
 
Ad

Similar to Rigol RF basics_knowledge_applications (20)

PPTX
Presentation in the Franhoufer IIS about my thesis: A wavelet transform based...
Pedro Cerón Colás
 
PPTX
A wavelet transform based application for seismic waves. Analysis of the perf...
Pedro Cerón Colás
 
DOCX
Digital Signal Processing by Dr. R. Prakash Rao
Prakash Rao
 
PPTX
Ultasonic testing
DENNY OTTARACKAL
 
PPTX
Signal Integrity Asif
Mohammed Asif
 
PPTX
1.Oscilloscope. 2.Block diagram of Oscilloscope. 3.Types of Oscilloscope. 4.A...
AL- AMIN
 
PPTX
Description of Cathode ray oscilloscope.pptx
pallavisharma71697
 
PPTX
Aryan MEM.pptxfor ki yhudi to dil udhlle soap show
Kshitij432261
 
PPT
Muravin - Acoustic Emission Method - short presentation for students (1).ppt
Abinash Behera
 
PPTX
Mechanical measurements
Nandi Sudheer
 
PDF
Lecture 1 introduction and signals analysis
talhawaqar
 
PPTX
Ultrasonic Range Finder
Hicham Berkouk
 
PPT
Schiller2
Kesavaraj Selvaraju
 
PPT
Acoustic Emission Basics by Boris Muravin
mboria
 
PPT
3288264.ppt
AbdelkarimAbdallah1
 
PPTX
Current and power using hall sensors
Prasad Deshpande
 
PPT
satellite Transmission fundamentals
AJAL A J
 
PPTX
Ch16 sound and waves
Innocentia Buys
 
PPTX
Spectrum analyzer
Tahrimur Rahman
 
DOCX
Exp amplitude modulation (8)
Sarah Krystelle
 
Presentation in the Franhoufer IIS about my thesis: A wavelet transform based...
Pedro Cerón Colás
 
A wavelet transform based application for seismic waves. Analysis of the perf...
Pedro Cerón Colás
 
Digital Signal Processing by Dr. R. Prakash Rao
Prakash Rao
 
Ultasonic testing
DENNY OTTARACKAL
 
Signal Integrity Asif
Mohammed Asif
 
1.Oscilloscope. 2.Block diagram of Oscilloscope. 3.Types of Oscilloscope. 4.A...
AL- AMIN
 
Description of Cathode ray oscilloscope.pptx
pallavisharma71697
 
Aryan MEM.pptxfor ki yhudi to dil udhlle soap show
Kshitij432261
 
Muravin - Acoustic Emission Method - short presentation for students (1).ppt
Abinash Behera
 
Mechanical measurements
Nandi Sudheer
 
Lecture 1 introduction and signals analysis
talhawaqar
 
Ultrasonic Range Finder
Hicham Berkouk
 
Schiller2
Kesavaraj Selvaraju
 
Acoustic Emission Basics by Boris Muravin
mboria
 
3288264.ppt
AbdelkarimAbdallah1
 
Current and power using hall sensors
Prasad Deshpande
 
satellite Transmission fundamentals
AJAL A J
 
Ch16 sound and waves
Innocentia Buys
 
Spectrum analyzer
Tahrimur Rahman
 
Exp amplitude modulation (8)
Sarah Krystelle
 
Ad

More from NIHON DENKEI SINGAPORE (20)

PDF
Quantum Computer - Low noise signal processing solution
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
MTI Japan Magnetic Field Measurement Instruments
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
catalog-en-20190708_safety_training_machine.pdf
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
Ono sokki ds3000 Data Station DS-3000 series Sound and Vibration Real-time...
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
Hioki data logger selection
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
HIOKI Current Series sensors probes_e1-1_zb
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
Hioki Field measuring instruments 2022 catalogue
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
Hioki Electrical measuring instruments 2022 catalogue
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
9322 Hioki Differential Probe
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
KG Electronic load DC power supply Ripple and Noise meter
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
HIOKI Power Analyzer Pw8001
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
ONO SOKKI Elevator Speedometer EC-2100
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
KIKUSUI PBZ Series Intelligent Bi-Polar Power Supplies
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
Rion product for_the_automotive_industry
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
HIOKI BYPASS DIODE TESTER FT4310
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
TEAC Load cell catalog (JAPAN)
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
ADCMT DC Voltage Current Source/Monitor Catalog 6253 DENKEI
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
RIGOL Programmable linear DC power supply DP800 Series
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
Rz catalogue cn AIKOH 推拉力计
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
PDF
Aikoh General Catalogue in Japanese catj201907
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
Quantum Computer - Low noise signal processing solution
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
MTI Japan Magnetic Field Measurement Instruments
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
catalog-en-20190708_safety_training_machine.pdf
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
Ono sokki ds3000 Data Station DS-3000 series Sound and Vibration Real-time...
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
Hioki data logger selection
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
HIOKI Current Series sensors probes_e1-1_zb
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
Hioki Field measuring instruments 2022 catalogue
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
Hioki Electrical measuring instruments 2022 catalogue
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
9322 Hioki Differential Probe
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
KG Electronic load DC power supply Ripple and Noise meter
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
HIOKI Power Analyzer Pw8001
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
ONO SOKKI Elevator Speedometer EC-2100
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
KIKUSUI PBZ Series Intelligent Bi-Polar Power Supplies
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
Rion product for_the_automotive_industry
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
HIOKI BYPASS DIODE TESTER FT4310
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
TEAC Load cell catalog (JAPAN)
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
ADCMT DC Voltage Current Source/Monitor Catalog 6253 DENKEI
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
RIGOL Programmable linear DC power supply DP800 Series
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
Rz catalogue cn AIKOH 推拉力计
NIHON DENKEI SINGAPORE
 
Aikoh General Catalogue in Japanese catj201907
NIHON DENKEI SINGAPORE
 

Recently uploaded (20)

PPTX
Microbial diseases, their pathogenesis and prophylaxis
DevlinaSengupta
 
PDF
102 student loan defaulters named and shamed – Is someone you know on the list?
Kweku Zurek
 
PDF
FourierSeries-QuestionsWithAnswers(Part-A).pdf
Raji Murugan
 
PPTX
Renaissance Architecture: A Journey from Faith to Humanism
DrMonicaSharma
 
PDF
Physiotherapy_for_Respiratory_and_Cardiac_Problems WEBBER.pdf
DrMONISHAphysio
 
PPTX
IMMUNITY IMMUNITY refers to protection against infection, and the immune syst...
shilpa939953
 
PDF
Pre independence Education in Inndia.pdf
goofy5603
 
PPTX
Pharma ospi slides which help in ospi learning
rameetkumar304
 
PPTX
Lesson notes of climatology university.
sgladness67
 
PDF
Microbial disease of the cardiovascular and lymphatic systems
KeyaSharma
 
PPTX
Institutional Correction lecture only . . .
limvtheghins
 
PPTX
Pharmacology of Heart Failure /Pharmacotherapy of CHF
Rajshri Ghogare
 
PDF
Basic Mud Logging Guide for educational purpose
wdandworks
 
PDF
Classroom Observation Tools for Teachers
Nicaramirez
 
PPTX
master seminar digital applications in india
ananyaray35
 
PDF
TR - Agricultural Crops Production NC III.pdf
avgilmegino3
 
PDF
The Lost Whites of Pakistan by Jahanzaib Mughal.pdf
jahanzaibmughal6
 
PDF
Chapter 2 Heredity, Prenatal Development, and Birth.pdf
MarjorieLopezTiu
 
PDF
O7-L3 Supply Chain Operations - ICLT Program
labyankof
 
PDF
Insiders guide to clinical Medicine.pdf
AbhishekPatil315128
 
Microbial diseases, their pathogenesis and prophylaxis
DevlinaSengupta
 
102 student loan defaulters named and shamed – Is someone you know on the list?
Kweku Zurek
 
FourierSeries-QuestionsWithAnswers(Part-A).pdf
Raji Murugan
 
Renaissance Architecture: A Journey from Faith to Humanism
DrMonicaSharma
 
Physiotherapy_for_Respiratory_and_Cardiac_Problems WEBBER.pdf
DrMONISHAphysio
 
IMMUNITY IMMUNITY refers to protection against infection, and the immune syst...
shilpa939953
 
Pre independence Education in Inndia.pdf
goofy5603
 
Pharma ospi slides which help in ospi learning
rameetkumar304
 
Lesson notes of climatology university.
sgladness67
 
Microbial disease of the cardiovascular and lymphatic systems
KeyaSharma
 
Institutional Correction lecture only . . .
limvtheghins
 
Pharmacology of Heart Failure /Pharmacotherapy of CHF
Rajshri Ghogare
 
Basic Mud Logging Guide for educational purpose
wdandworks
 
Classroom Observation Tools for Teachers
Nicaramirez
 
master seminar digital applications in india
ananyaray35
 
TR - Agricultural Crops Production NC III.pdf
avgilmegino3
 
The Lost Whites of Pakistan by Jahanzaib Mughal.pdf
jahanzaibmughal6
 
Chapter 2 Heredity, Prenatal Development, and Birth.pdf
MarjorieLopezTiu
 
O7-L3 Supply Chain Operations - ICLT Program
labyankof
 
Insiders guide to clinical Medicine.pdf
AbhishekPatil315128
 

Rigol RF basics_knowledge_applications

  • 2.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  0   Contents   1 Introduction   Time  vs.  Frequency  domain   Superposition     2  The  Electromagnetic  Spectrum     3 Frequency  Measurement  Instrumentation   The  Oscilloscope   Real-­‐Time  Spectrum  Analyzers   The  Swept  Superheterodyne  Receiver   Attenuator   Preamplifier   Preselection/Lo  Pass  Filter   Mixer   Local  Oscillator  (LO)   The  IF  Filter   The  Analog-­‐to-­‐Digital  Converter  (ADC)   Resolution  Bandwidth  (RBW)  Filter   The  Details  of  a  Sweep   The  Envelope  Detector   Video  Bandwidth  (VBW)   Noise   Sweep  Speed   The  Vector  Network  Analyzer     4  Spectrum  Monitoring  with  Real-­‐time  analysis     Real  Time  Capture  and  Analysis     Probability  of  Intercept     Visualizations              
  • 3.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  1   5  Common  Component  Tests     The  Tracking  Generator     Testing  Filters     Cable/Connector  Loss     VSWR  of  an  Antenna     6 Common  Transmitter  Tests   Output  Power   Transmission  Band   AM  Transmission  Test   FM  Deviation   Harmonics  and  Spurs     7 Common  Receiver  Tests   The  Speaker  (Optional)   Audio  Amplifier  (Optional)   Detector/Demodulator   Selection  and  the  IF  Stages   IF  Amplification   Local  Oscillator  (LO)   Frequency  Conversion/Mixer   Selection/RF  Stage   Antennas,  Cabling,  and  Adapters     8 Electromagnetic  Interference  (EMI)   Compliance  vs.  Pre-­‐compliance   Measuring  Radiated  EMI/Near-­‐Field   Near-­‐Field  Probing  Setup   Tips   Measuring  Conducted  EMI   Conducted  Emission  Measurement  Setup   Test  Procedure   Immunity  Testing     Radiated  Susceptibility   Additional  Testing  
  • 4.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  2     Chapter  1:  Introduction   Radio  frequency  (RF)  waves  are  fascinating  natural  phenomena  that  have  allowed  humanity  to  create  tools  to   communicate  over  vast  distances,  observe  other  worlds,  and  gain  a  deeper  understanding  of  our  own  planet.   They  are  also  ubiquitous  here  on  Earth.  We  are  surrounded  by  RF  waves  created  by  human  technology,  like   the  signals  produced  by  radio  and  television  stations  and  mobile  phones,  as  well  as  signals  emitted  by  natural   sources  like  pulsars  and  supernovae  scattered  throughout  the  universe.   We  created  this  document  to  explain  the  basics  of  RF  signals,  help  you  understand  the  time  and  frequency   domains,  and  introduce  common  RF  measurement  instrumentation  and  measurement  techniques.  We  hope   you  find  this  information  helpful.       Time  vs.  Frequency  Domain   Events  are  often  measured  with  respect  to  time.  The  average  speed  of  a  car,  for  example,  can  be  calculated  by   dividing  the  distance  traveled  by  the  time  it  takes  to  travel  that  distance.  Time  domain  measurements—those   events  measured  with  respect  to  time—are  very  useful  to  our  understanding  of  the  physical  world  and  can  be   critical  to  building  something  that  operates  as  intended.   In  electronics,  time  domain  measurements  are  extremely  common.  The  point  in  time  at  which  a  certain  event   occurs  can  be  key  to  the  success  or  failure  of  a  design.  Unfortunately,  humans  don’t  have  the  ability  to  observe   some  elements  of  our  world.  Obviously,  electrons  are  extremely  useful,  but  they’re  notoriously  small  and  hard   to  catch.  However,  we  have  been  able  to  build  tools  that  can  help  us  observe  electrons  as  they  do  their  work.   The  oscilloscope  is  one  of  these  tools.  In  fact,  oscilloscopes  are  among  the  most  common  tools  used  to  perform   time  domain  measurements.  In  essence,  an  oscilloscope  plots  a  graph  of  the  voltage  at  its  input  with  respect  to   time.    
  • 5.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  3     Figure  1-­‐1:  Oscilloscope  display  showing  two  waveforms.  The  display’s  horizontal  axis  shows  time;  the  vertical     axis  shows  amplitude.  The  upper  waveform  is  sinusoidal  and  the  lower  waveform  is  a  square  wave.     Note  that  they  contain  elements  that  repeat  with  respect  to  time.       An  oscilloscope  can  show  when  events  occur,  measure  the  amplitude  of  the  event,  and  measure  the  time   between  events.     When  discussing  time-­‐varying  events,  we  often  use  terms  from  basic  wave  theory.  Let’s  take  a  look  at  a   common  wave  function—the  sine  wave—and  describe  these  basic  elements  in  more  detail.   The  sinusoidal  (sine)  wave  is  a  time-­‐varying  waveform  with  smooth  transitions  that  occurs  quite  frequently  in   electronics.     The  sine  wave  is  mathematically  represented  by  this  equation:   y(t)  =  A*sin(2πf  +j)   Where  y(t)  =  A  is  the  amplitude,  f  is  the  frequency  of  oscillations  (cycles)  that  occur  per  unit  of  time,  and  j  is   the  phase,  specifies  (in  radians)  where  in  its  cycle  the  oscillation  is  at  t  =  0.  
  • 6.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  4   The  period  of  a  time-­‐varying  signal  is  the  smallest  amount  of  time  that  defines  a  fundamental  repeating   element  of  the  waveform.  Figure  1-­‐2  shows  a  sinusoidal  waveform  illustrating  the  amplitude  and  one  period  of   the  waveform.       Figure  1-­‐2:  Sinusoidal  waveform  with  common  waveform  terminology.       The  frequency  is  the  number  of  such  periods  that  occur  during  a  specific  amount  of  time.     Time  and  frequency  are  linked  by  this  equation:     f  =  1/T   Where  f  is  the  frequency  in  Hertz  (Hz)  and  T  is  the  waveform  period  in  seconds.  Hertz  is  a  secondary  unit  that   represents  the  inverse  of  the  waveform  period  (1/s).     Let’s  look  at  the  voltage  that  comes  from  a  wall  outlet.  In  the  United  States,  if  we  measured  the  voltage  from  a   wall  outlet  with  an  oscilloscope,  we  would  see  that  it  has  an  amplitude  of  approximately  110V  and  a  period  of   16.67ms.  That  means  that  every  16.67ms,  the  voltage  values  repeat.     Now,  what  is  the  frequency  of  the  voltage  from  a  wall  outlet  in  the  United  States?   f  =  1/T  =  1/16.67ms  =  60Hz  
  • 7.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  5   As  you  can  see,  a  waveform  can  be  described  by  its  characteristics  in  both  the  time  and  frequency  domains.     Superposition   Learning  the  basics  of  periodic  waveforms  like  the  sine  wave  offers  extremely  powerful  tools  for  explaining  and   understanding  more  complicated  waveforms.   Figure  1-­‐2  showed  a  single  sine  waveform.  Figure  1-­‐3  illustrates  what  happens  when  we  source  a  5V  sine  wave   into  an  oscilloscope:     Figure  1-­‐3:  An  oscilloscope  displaying  a  sine  wave  with  a  frequency  of  10MHz.       You  can  see  that  the  frequency  is  10MHz.            
  • 8.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  6   Now,  let's  source  a  20MHz  sine  wave  at  the  same  time  and  compare  the  two  (Figure  1-­‐4).     Figure  1-­‐4:  An  oscilloscope  display  of  one  sine  wave  with  a  frequency  of  10MHz  (yellow)  and  another  with     a  frequency    of  20MHz  (light  blue).     So,  we  have  a  10MHz  sine  wave  and  a  20MHz  sine  wave.  What  happens  when  we  add  these  sine  waves   together?      The  waveform  changes.         Figure  1-­‐5:  An  oscilloscope  displaying  a  sine  wave  with  a  frequency  of  10MHz  (yellow)  and  a  wave  that     combines  a  10MHz  and  a  20MHz  sine  wave  (blue).      
  • 9.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  7   This  is  known  as  the  superposition  principle.  You  can  add  sine  waves  together  and  the  resultant  wave  can  have   a  drastically  different  shape  than  the  original  waveforms.  To  put  it  another  way,  any  waveform  can  be   constructed  by  the  addition  of  simple  sine  waves.     Now,  let’s  discuss  some  basic  terms.  The  fundamental  frequency  of  the  new  waveform  is  the  lowest  repeated   frequency.  In  this  case,  the  fundamental  frequency  of  the  waveform  is  10MHz.     The  second  harmonic  is  a  waveform  with  a  frequency  that  is  twice  the  fundamental.  In  this  case,  the  second   harmonic  is  20MHz  (2*10MHz).  You  can  continue  on  in  this  way  to  create  any  waveform.     Let's  take  a  look  at  a  special  case.  If  you  continue  to  add  odd  harmonics  (1,  3,  5,  7,  9,  etc.),  you  will  build  a   square  wave.  The  lower  waveform  in  Figure  1-­‐6  was  built  using  odd  harmonics.       Figure  1-­‐6:  An  oscilloscope  display  showing  a  sine  wave  with  a  frequency  of  10MHz  (yellow)  and  a  square     waveform  with    a  frequency  of  10MHz  (light  blue).       Note  that  the  waveform  is  starting  to  look  more  “square,”  but  the  frequency  of  the  main  shape  is  still  at   10MHz.   What  would  these  waveforms  look  like  in  the  frequency  domain?  
  • 10.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  8   A  spectrum  analyzer  is  an  instrument  that  displays  the  amplitude  vs.  frequency  for  input  signals.     If  we  source  a  10MHz  sine  wave  into  a  spectrum  analyzer,  the  display  looks  like  Figure  1-­‐7.     Figure  1-­‐7:  A  10MHz  sine  wave  displayed  on  a  spectrum  analyzer.  Note  the  peak  at  10MHz.       Now,  let's  look  at  the  square  waveform  on  a  spectrum  analyzer  (Figure  1-­‐8).     Figure  1-­‐8:  10MHz  square  wave  displayed  on  a  spectrum  analyzer.  
  • 11.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  9     You  can  see  the  fundamental  frequency  at  10MHz;  the  third  (3*10MHz  =  30MHz),  fifth  (5*10MHz  =  50MHz),   and  seventh  (7*10MHz  =  70MHz)  harmonics  are  also  shown.     By  visualizing  the  signal  in  frequency  domain,  it’s  easy  to  see  what  frequencies  we  are  sourcing,  as  well  as  the   power  distribution  for  each  frequency.  Spectral  analysis  is  critical  in  designing  and  troubleshooting   communications  circuits,  radio/broadcast,  transmitters/receivers,  as  well  as  Electromagnetic  Compliance  (EMC)   measurements.     The  following  chapters  will  offer  an  overview  of  spectrum  analyzer  design  and  techniques  for  using  these   instruments  properly.   Some  of  the  most  significant  contributions  to  our  understanding  of  waves  come  from  a  French  mathematician,   Jean-­‐Baptiste  Joseph  Fourier  (1768–1830).  Fourier  was  investigating  a  solution  to  modeling  the  transfer  of  heat   across  a  metal  plate.  As  part  of  his  work,  he  created  a  method  of  adding  simple  sine  waves  to  create  a  more   complicated  waveform.  His  “Fourier  Transform”  has  been  used  to  solve  many  complex  physical  problems  in   thermodynamics  and  electronics.  It  also  provides  a  way  to  convert  signals  captured  in  the  time  domain  into  the   frequency  domain.  This  concept  has  had  far-­‐reaching  effects  in  electronics,  communications,  and  the  physical   sciences.  The  superposition  principle  discussed  earlier  in  this  chapter  is  based  on  Fourier's  initial  research.                    
  • 12.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  10     Chapter  2:  The  Electromagnetic  Spectrum    Now  that  we  have  introduced  the  time  and  frequency  domains,  let’s  take  a  closer  look  at  electromagnetic   radiation  and  the  electromagnetic  spectrum.     Electromagnetic  radiation  is  a  form  of  energy  that  is  carried  by  synchronized  oscillating  electric  and  magnetic   fields.  It  is  unique  in  that  its  actions  can  be  explained  by  theories  that  are  based  on  both  waves  and  particles.   Electromagnetic  radiation  also  travels  without  a  medium.  Waves  on  the  ocean  require  water  in  order  to  exist;   sound  waves  require  air  to  propagate.  Although  neither  of  these  waves  can  travel  through  a  vacuum,   electromagnetic  waves  can.  In  fact,  they  travel  through  the  vacuum  of  space  at  the  speed  of  light.     Recall  that  a  wave  can  be  described  by  its  frequency  of  oscillation.  Electromagnetic  waves  are  no  different   and  they  cover  quite  a  broad  range  of  frequencies.  In  fact,  nature  has  no  known  physical  limits  on  maximum   and  minimum  frequencies.     Frequencies  are  grouped  into  bands  based  on  similarities  in  their  physical  traits  or  specific  applications.  Some   frequency  bands  travel  through  the  Earth’s  atmosphere  with  less  loss;  others  are  more  useful  for  a  particular   application  and  are  “set  aside”  for  experimentation.  Some  bands  have  more  than  one  official  user.     Two  common  frequency  bands  to  note  are  light  and  radio.     Visible  light  is  defined  as  electromagnetic  radiation  with  wavelengths  from  400nm  to  700nm  (1nm  is  1¥10-­‐ 9 m).  This  is  equivalent  to  frequencies  from  5¥1014   Hz  to  1¥1015   Hz,  although  wavelengths  are  traditionally   used  when  discussing  light.  Humans  can  see  electromagnetic  radiation  with  wavelengths  (or  frequencies)  in   this  band.     The  radio  frequency  (RF)  band  of  electromagnetic  waves  has  frequencies  from  8.3kHz  (104  Hz)  to  300GHz   (1011   Hz).              
  • 13.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  11   Figure  2-­‐1  illustrates  the  full  electromagnetic  spectrum  and  the  RF  band.      Figure  2-­‐1:  The  full  electromagnetic  spectrum  and  the  RF  band.       The  RF  band  is  useful  for  many  industries  and  applications,  including  direct  audio  communications   (mobile  phones,  mobile  radios,  FM  radios),  device  communications  (wireless  keyboards,  Wi-­‐Fi  hotspots,  game   controllers),  and  interplanetary  research  (like  the  giant  radio  telescope  at  the  Arecibo  Observatory  in  Puerto   Rico).     Within  the  RF  band,  specific  frequencies  are  dedicated  to  communication  and  broadcast  that  are  open   to  anyone  with  the  ability  to  transmit.  The  Citizens  Band  (CB)  as  well  as  Industrial,  Science,  and  Medical  band   (ISM)  are  examples  of  unlicensed  communications  bands.     Others,  like  FM  radio,  are  licensed  channels  that  are  specifically  allocated  or  rented  by  individuals  or   corporations  for  a  particular  use.  The  national  government  and  the  channel  licensee  monitor  licensed   broadcast  channels  very  closely  in  order  to  ensure  that  the  broadcasts  adhere  to  certain  content  and  physical   transmission  criteria.  In  the  United  States,  the  Federal  Communications  Commission  (FCC)  regulates  the  RF   spectrum.     Electromagnetic  interference  (EMI)  is  another  important  aspect  of  the  RF  story.  Devices  designed  to   transmit  and  receive  RF  signals  are  classified  as  intentional  radiators.  Examples  include  FM  radios,  Wi-­‐Fi  
  • 14.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  12   routers,  and  wireless  keyboards.  However,  other  devices  that  are  not  specifically  intended  to  create  RF  signals   are  classified  as  unintentional  radiators;  they  represent  the  primary  source  of  EMI.     EMI  is  RF  noise.  An  unintentional  radiator  creates  RF  radiation  that  is  not  intended  to  communicate,   control,  or  deliver  any  relevant  information.  Therefore,  unintentional  radiators  are  RF  noise  sources.  Some   designs  exhibit  less  noise  than  others.  But,  just  imagine  if  every  electronic  device  emitted  a  large  amount  of   RF  noise!  What  if  your  radio-­‐controlled  car  interfered  with  the  radar  at  a  nearby  airport?   In  order  to  control  and  maintain  a  safe  operating  environment,  governments  regulate  the  amount  of   acceptable  EMI  that  a  design  or  product  can  produce.  Products  that  exceed  the  limits  set  forth  by  the   regulations  can  lead  to  heavy  financial  penalties  for  offending  individuals  or  companies.     When  performing  experiments  and  development  with  RF,  it  is  very  important  to  understand  the   requirements  of  working  within  a  specific  frequency  band.  If  you  are  working  within  a  licensed  or  restricted   band,  make  sure  to  research  how  to  do  that  safely  and  work  within  the  regulations  for  that  band.     Our  previous  discussions  on  the  time/frequency  domains  and  the  electromagnetic  spectrum  have   provided  a  base  for  our  knowledge  of  RF.  In  the  following  sections,  we  will  introduce  basic  RF  measurement   instrumentation  and  techniques,  with  a  focus  on  typical  RF  component  tests,  broadcast/radio  monitoring,  and   EMI.                    
  • 15.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  13   Chapter  3:  Frequency  Measurement  Instrumentation   Chapters  1  and  2  offered  details  about  waves,  frequency,  RF,  and  the  electromagnetic  spectrum.  Chapter  3   highlights  common  instrumentation  used  to  measure  signals  in  the  time  and  frequency  domains,  and  delves   deeper  into  the  inner  workings  of  spectrum  analyzers.       The  Oscilloscope   In  many  cases,  looking  at  a  signal  in  the  time  domain  can  provide  indications  about  the  performance  of  a   particular  design.  It  can  tell  you  how  quickly  a  signal  achieves  its  maximum  voltage  (rise  time)  or  its  lowest   (fall  time),  how  two  signals  compare  with  one  another  vs.  time,  or  the  duration  of  a  signal.  All  of  these   measurements  are  ideally  measured  in  the  time  domain.     The  oscilloscope,  introduced  in  chapter  1,  measures  voltage  with  respect  to  time,  then  displays  the  graph  of   voltage  (amplitude)  vs.  time  (Figure  3-­‐1).     Figure  3-­‐1:  Oscilloscope  display  showing  two  waveforms.  The  horizontal  axis  of  the  display  shows  time;  the  vertical   axis  displays  amplitude.  The  upper  waveform  is  sinusoidal  and  the  lower  waveform  is  a  square  wave.  Note  that  they   contain  elements  that  repeat  over  time.      
  • 16.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  14     Figure  3-­‐2:  A  modern  digital  oscilloscope.     Early  oscilloscopes  were  strictly  analog  in  nature  and  used  a  cathode  ray  tube  (CRT)  as  a  display.  Much  like  an   analog  television  set,  these  scopes  would  “draw”  the  incoming  signal  on  the  display.  This  was  extremely   helpful  in  visualizing  the  input  signal  but  made  it  difficult  to  perform  any  direct  measurements;  the  only  way   to  save  data  was  to  take  a  picture  of  the  display  of  the  oscilloscope.   The  advancement  of  digital  technology  led  to  fully  digital  oscilloscopes  (Figure  3-­‐2).  With  the  raw  voltage  and   time  data  digitized,  the  data  could  be  saved  and  used  to  perform  calculations  directly  within  the  scope  itself.   Modern  oscilloscopes  can  now  directly  calculate  rise  time,  duty  cycle,  maximum  voltage,  and  more.    
  • 17.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  15      Figure  3-­‐3:  Oscilloscope  display  showing  all  measurements  for  a  1MHz  square  wave  input.       Some  digital  scopes  can  also  display  the  amplitude  of  the  incoming  signal  vs.  frequency  by  using  Fast  Fourier   Transform  (FFT)  calculations.  The  FFT  function  of  oscilloscopes  can  be  useful  in  identifying  the  fundamental   frequency,  as  shown  in  Figure  3-­‐4.       Figure  3-­‐4:  Oscilloscope  display  showing  an  FFT  of  a  1MHz  square  wave  input.    
  • 18.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  16     So,  with  a  scope,  we  can  read  the  phase  information  (in  the  time  domain)  and  gather  basic  amplitude  and   frequency  information  in  the  frequency  domain  by  using  FFTs.  Unfortunately,  oscilloscopes  tend  to  have  a   much  higher  noise  floor  than  traditional  frequency  measurement  instrumentation  like  spectrum  analyzers.   This  can  make  looking  for  small  amplitude  elements,  like  higher  ordered  harmonics,  difficult  if  not  impossible.     They  are  also  “wideband”  instruments,  which  means  that  they  detect  a  wide  range  of  frequencies  at  the  same   time.  This  raises  the  noise  floor  and  does  not  provide  for  an  easy  way  to  differentiate  between  signals  that   could  have  frequencies  that  are  close  together.       Real-­‐Time  Spectrum  Analyzers   Real-­‐time  spectrum  analyzers  are  similar  to  oscilloscopes  in  that  they  first  collect  data  in  the  time  domain,   then  calculate  the  frequency  using  FFT  algorithms.  In  this  way,  they  can  collect  a  large  number  of  data  points   over  a  broad  range  of  frequencies,  calculate  the  amplitude  vs.  frequency,  and  display  them  quickly  in  the   frequency  domain.  They  differ  from  oscilloscopes  in  that  they  tend  to  offer  lower  noise  floors,  as  well  as   special  filtering  that  can  differentiate  between  signals  that  are  close  together.     Real-­‐time  spectrum  analyzers  are  very  useful  in  capturing  fast-­‐changing  signals,  especially  when  working  with   digital  communications.  They  generally  can  capture  transients  and  fast  signals  more  quickly  than  a  swept   spectrum  analyzer,  but  they  also  have  a  higher  noise  floor  and  price  tag.     Although  real-­‐time  systems  are  gaining  in  popularity,  they  are  still  significantly  outnumbered  by  the  swept   analyzer  design.  The  remainder  of  this  section  will  explore  the  inner  workings  of  the  most  popular  method  of   frequency  measurement,  the  swept  spectrum  analyzer.       The  Swept  Superheterodyne  Receiver   Spectrum  analyzers  based  on  swept  superheterodyne  designs  are  very  popular,  due  in  part  to  their  low  noise,   ease  of  use,  and  ability  to  differentiate  between  signals  that  have  very  close  frequencies.     In  basic  terms,  the  swept  superheterodyne  is  almost  identical  to  a  radio  receiver.  Both  can  be  set  to  a   particular  frequency  range  and  filter  out  other  frequencies  (like  tuning  to  particular  radio  station)  and  then   observe  the  incoming  signal.  Unlike  a  radio,  which  is  tuned  to  a  particular  frequency  and  then  the  signal  is  fed  
  • 19.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  17   to  a  speaker,  an  analyzer  is  not  set  to  a  fixed  frequency.  Instead,  the  analyzer  sweeps  across  frequencies  in   steps,  like  moving  the  radio  to  a  new  channel,  and  then  plots  the  signal  amplitude  on  a  display.     In  simple  terms,  this  design  takes  an  unknown  signal  (an  input  or  RFIN  signal)  and  mixes  (combines)  it  with  a   sweeping  signal,  or  swept  Local  Oscillator  (LO),  to  create  a  signal  that  is  a  combination  of  both.  The  LO  is   swept  from  a  start  frequency  to  a  stop  frequency  in  discrete  steps.  Each  step  in  the  sweep  defines  a   frequency  “bin”  on  the  spectrum  analyzer  display.  At  each  bin,  the  power  is  measured.  If  the  unknown  signal   has  a  frequency  component  within  the  bin,  the  display  will  place  a  data  point  at  the  equivalent  amplitude  of   the  unknown  signal.  After  the  sweep  is  completed,  the  resulting  display  will  represent  one  scan  across  the   span  defined  by  the  start  and  stop  values  of  the  instrument.  The  following  sections  will  examine  how  each   circuit  element  is  used  to  create  this  output.     First,  let’s  look  back  at  a  little  electrical  engineering  history.  The  term  superheterodyne  is  short  for  supersonic   heterodyne.  The  basic  design  was  created  by  Edwin  Armstrong,  an  American  electrical  engineer,  in  1918.   Supersonic  refers  to  waves  with  frequencies  higher  than  those  within  the  range  of  human  hearing  (31Hz  to   21kHz).  Heterodyne  is  a  contraction  of  the  Greek  words  hetero-­‐,  which  means  “different”  and  –dyne,  which   means  “power.”     Figure  3-­‐5  illustrates  a  basic  design  for  a  modern  superheterodyne  receiver  used  in  a  spectrum  analyzer.     Figure  3-­‐5:  A  modern  superheterodyne  receiver  used  in  a  spectrum  analyzer.    
  • 20.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  18   Let's  take  a  look  at  each  of  the  elements  as  a  signal  passes  through  each  of  them.       Attenuator   The  input  RF  signal  is  connected  to  the  spectrum  analyzer’s  RF  input  where  it  enters  the  attenuator  circuit.   The  attenuator  is  used  to  decrease  the  amount  of  power  delivered  to  the  circuit  elements  that  follow  it.  This   protects  the  sensitive  electronics  that  follow  and  decreases  the  effects  of  spurs  and  modulation  effects  in  the   mixer.  In  many  cases,  a  design  can  incorporate  an  integrated  attenuator  that  can  be  controlled  by  settings  on   the  analyzer.  External  attenuators  that  have  fixed  or  variable  attenuation  can  also  be  used.       Preamplifier   The  preamplifier  (PA)  is  a  low  noise  amplifier  that  increases  the  input  signal  amplitude  (Figure  3-­‐6).  It  can   increase  the  signal-­‐to-­‐noise  ratio  and  helps  increase  the  measurement  sensitivity  to  low  power  elements  in   the  input  signal.  It  is  also  usually  controlled  by  the  spectrum  analyzer.       Figure  3-­‐6:  The  effect  of  a  n  attenuator  and  a  preamplifier  on  an  input  signal.     Preselection/Lo  Pass  Filter   The  preselection  filter  is  a  bandpass  filter  that  only  allows  certain  frequencies  to  reach  circuit  elements.   Unwanted  signals  are  rejected  to  prevent  them  from  causing  measurement  errors.  Preselection  filters  may  or  
  • 21.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  19   may  not  be  included  in  a  particular  design.  Although  they  add  complexity  and  cost,  they  do  reduce  the   likelihood  of  false  peaks  in  the  scanned  spectra.   A  low-­‐pass  filter  typically  prevents  frequencies  that  exceed  the  maximum  operating  frequency  from  entering   the  circuit.  This  stops  them  from  entering  the  next  stage  of  the  circuit,  where  they  could  be  more  difficult  to   remove.  A  DC  block  is  also  included  in  the  RF  input  circuit.  This  element  blocks  out  any  DC  components  of  the   input  that  can  cause  overloading  or  damage  to  the  remaining  circuit  elements.       Mixer   A  mixer  is  a  three-­‐port  circuit  element  that  takes  two  input  signals  and  creates  an  output  signal  that  is  a   combination  of  both  the  RFIN  and  LO.  In  this  design,  the  mixer  multiplies  the  unknown  input  signal  (frequency   =  fsig)  with  the  known  local  oscillator  (frequency  =  fLO).     The  resultant  output  (Figure  3-­‐7)  is  composed  of  the  original  RF  signal  (fsig),  the  local  oscillator  signal  (fLO),  and   both  the  sum  and  difference  of  the  RF  and  LO  inputs  (fLO  -­‐  fsig  and  fLO  +  fsig,  respectively),  and  the  sum  and   difference  of  higher  harmonics,  such  as  (2fLO  -­‐  fsig/2fsig  -­‐  fLO  and  2fLO  +  fsig/2fsig  +  fLO).     Figure  3-­‐7:  The  input  signal  (fsig)  is  mixed  with  the  local  oscillator  signal  (fLO).  The  result  is  the  IFout,  which     includes  the  fundamental  mixed  products.    
  • 22.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  20   The  output  frequency  from  the  mixer  is  known  as  the  intermediate  frequency  (IF).   The  IFout  components  that  include  only  the  difference  between  the  LO  and  the  input  frequencies  (fLO  -­‐  fsig)  are   known  as  the  downconverted  signal.     The  IFout  components  that  include  only  the  sum  between  the  LO  and  the  input  frequencies  (fLO  +  fsig)  are   known  as  the  upconverted  signal.     Let’s  consider  an  example:   If  RFIN  is  100MHz  and  LO  is  2GHz,  what  are  the  values  of  the  downconverted  and  upconverted  IF   outputs?   Downconverted  signals  are  calculated  by  subtracting  the  fsig  components  from  the  intermediate  frequency  as   shown  here:   IF(down)  =  fLO  -­‐  fsig     fLO  =  2GHz  =  2E+9  Hz   fsig  =  10MHz  =  10E+6  Hz   IF(down)  =  (2E+9  Hz)  -­‐  (10E+6  Hz)  =  1.99E+9  Hz  =  1.99GHz     and,   IF(up)  =  fLO  +  fsig     IF(up)  =  (2E+9  Hz)  +  (10E+6  Hz)  =  2.01E+9  Hz  =  2.01GHz     In  reality,  multiple  mixer  stages  can  be  used  in  series  to  provide  the  right  balance  of  resolution  and   operational  frequency  range.  Narrow  bandwidth  filters  are  needed  to  provide  fine  frequency  resolution,  but   we  want  the  filter  to  operate  over  a  large  range  of  frequencies.  These  two  requirements  often  seem  to  be  at   odds  because  narrow  bandpass  filters  are  not  effective  over  large  frequency  ranges  and  adding  filters   increases  the  cost  and  complexity  of  a  design.     By  adding  multiple  IF  stages,  it’s  possible  to  maximize  the  frequency  resolution  and  extend  the  operating   range.  Multistage  IF  sections  can  upconvert  (step  up)  or  downconvert  (step  down)  the  fLO  to  a  different  range,   where  they  can  be  filtered  to  remove  unwanted  frequencies  at  each  step  as  shown  in  Figure  3-­‐8.      
  • 23.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  21     Figure  3-­‐8:  A  diagram  of  a  triple  conversion  IF  stage.     The  use  of  multiple  mixing  stages  allows  the  instrument  to  have  superior  sensitivity,  good  frequency  stability,   and  high  frequency  selectivity.  This  allows  the  instrument  to  have  a  wide  operating  frequency  range  and  the   ability  to  differentiate  signals  that  have  frequencies  that  are  close  together.       Local  Oscillator  (LO)   Local  oscillators  (LOs)  are  an  integral  part  of  the  mixer  network.  An  LO  is  a  circuit  element  that  provides  a   signal  at  a  known  frequency  and  amplitude.  An  LO  can  be  made  up  of  different  designs  and  materials,  but  its   main  purpose  is  to  provide  a  stable  frequency  reference  that  can  be  used  to  compare  unknown  RF  from  the   input  stages.     Many  designs  (Figure  3-­‐9)  incorporate  a  swept  LO  as  the  first  stage  (1st  LO).  A  swept  LO  uses  a  Voltage   Controlled  Oscillator  (VCO).  As  the  voltage  to  a  VCO  is  increased,  the  output  frequency  also  increases.  
  • 24.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  22      Figure  3-­‐9:Example  of  a  swept  Voltage  Controlled  Oscillator  (VCO)     The  sweep  function  is  also  tied  to  the  instrument  display.  As  the  LO  steps  from  the  start  to  the  stop   frequency,  the  frequency  step,  or  “bin”  of  the  display  is  also  stepped.  This  synchronization  ensures  that  the  IF   and  the  displayed  values  for  each  frequency  “bin”  are  matched.     The  local  oscillator  frequency  is  based  on  a  reference  oscillator  within  the  circuit.  This  reference  oscillator  is   generally  a  crystal  oscillator,  like  quartz,  that  vibrates  at  a  known  frequency.  A  perfect  reference  oscillator   would  have  an  infinitely  accurate  output  frequency  that  would  not  change  with  aging  or  temperature.  It   would  have  no  “spectral  width”  and  would  be  a  straight  line  at  the  oscillator  frequency,  as  shown  in  Figure  3-­‐ 10.     Figure  3-­‐10:  Example  of  a  perfect  oscillator  output.  Note  there  is  only  one  single  frequency     with  no  width.          
  • 25.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  23   Unfortunately,  the  vibrations  (and  therefore  the  output  frequency)  for  oscillators  are  effected  by   environmental  conditions  like  aging,  temperature,  and  humidity.  This  leads  to  phase  noise.   Phase  noise  represents  the  change  in  the  phase  of  an  oscillators  output  signal  over  time.  On  a  spectrum   analyzer,  phase  noise  shows  up  as  a  widening  of  the  occupied  frequencies  of  an  input.  This  widening  can  be   described  as  a  wedge  or  “skirt”  near  the  bottom  of  measurement  as  highlighted  in  the  box  in  Figure  3-­‐11.       Figure  3-­‐11:  A  real  oscillator  measurement  showing  the  phase  noise  that  is  due  to  thermal  fluctuations     in  the  circuit  elements.     Phase  noise  effectively  increases  the  noise  floor  and  can  increase  the  difficulty  of  observing  small  signals  close   to  an  input  frequency  by  effectively  covering  the  signals  that  you  are  seeking.  Low  phase  noise  can  help   increase  the  low-­‐level  signal  observation  near  measured  input  frequencies.     The  yellow  trace  in  Figure  3-­‐11  is  a  100MHz  RF  input.  The  purple  line  is  the  noise  floor  of  the  analyzer  with   identical  measurement  settings.  Note  the  rise  in  the  noise  floor  approaching  the  center  frequency  of  the   100MHz  input.  This  phase  noise  is  coming  from  either  the  source  or  the  analyzer,  whichever  is  greater.     Phase  noise  can  be  minimized  by  selecting  quality  reference  oscillator  materials  as  well  as  environmental   control.    
  • 26.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  24   Temperature  Compensated  Crystal  Oscillators  (TCXO),  Microcontrolled  Crystal  Oscillators  (MCXO),  and  Oven   Controlled  Crystal  Oscillators  (OCXO)  are  some  common  designs  that  can  be  incorporated  to  help  limit  the   phase  noise  of  a  particular  design.       The  IF  Filter   The  IF  filter  follows  immediately  after  the  mixer.  It  filters  out  the  fsig,  fLO,  and  leaves  either  the  upconverted   (fLO  +  fsig)  or  downconverted  signal  (fLO  -­‐  fsig),  as  shown  in  Figure  3-­‐12.       Figure  3-­‐12:  Output  of  the  IF  stage  after  the  IF  filter.     Now,  a  known  signal  (fLO)  has  been  subtracted  from  the  original  signal  of  an  unknown  frequency  to  create  the   IF.  Because  we  know  the  frequency  of  the  fLO,  we  could  apply  a  filter  with  a  known  center  frequency  and   known  bandwidth  to  the  IF  and  measure  the  output.  If  the  IF  does  not  exist  in  that  frequency  range,  we  could   step  to  another  filter  (with  a  different  center  frequency)  and  check  again.  With  enough  filters,  we  could   continue  to  step  through  center  frequencies  and  look  for  the  IF.  Once  we  find  the  center  frequency  of  the  IF,   we  can  subtract  the  original  fLO  and  the  result  would  be  our  previously  unknown  fsig.   In  practice,  designing  analog  filter  networks  with  enough  range  and  performance  to  cover  giga-­‐hertz  of   frequency  ranges  can  be  difficult  and  expensive.  In  the  past,  fully  analog  designs  were  the  only  available  
  • 27.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  25   option.  They  worked  very  well  over  their  intended  ranges,  but  there  are  disadvantages  to  a  fully  analog   system.     Most  modern  designs  incorporate  a  different  strategy  to  isolate  the  unknown  signal.  They  use  a  final  IF  stage   with  a  fixed  center  frequency  and  the  LO  is  swept.  The  next  section  covers  how  this  swept  design  eases  the   design  burdens  and  increases  functionality  of  spectrum  analyzer  design.       The  Analog-­‐to-­‐Digital  Converter  (ADC)   The  first  few  generations  of  spectrum  analyzers  used  analog  components  throughout  their  design,  with  the   readout  being  an  analog  cathode  ray  tube  (CRT)  display.  Wider  operating  ranges  and  smaller  bandpass  filters   required  more  components.  Due  to  the  nature  of  the  available  analog  components,  a  fully  analog  spectrum   analyzer  was  substantial  in  size,  weight,  and  cost.     Some  older  spectrum  analyzers  could  be  as  large  as  24”  ¥  24”  ¥  24”  in  size,  weigh  over  40  pounds,  and  cost   more  than  $40,000.  Today,  many  of  the  filters  and  other  components  have  been  replaced  by  digital  signal   processors  (DSPs),  which  can  successfully  model  the  characteristics  of  their  analog  counterparts.  The   integration  of  digital  components  has  simplified  the  design  and  decreased  the  size,  weight,  and  cost.  A   modern  spectrum  analyzer  a  bit  bigger  than  a  shoebox  and  weighing  less  than  10  pounds  can  be  purchased   for  less  than  $10,000.  There  are  even  USB-­‐controlled  instruments  that  are  as  small  as  a  pack  of  playing  cards   for  a  few  hundred  dollars.     Now,  back  to  our  original  discussion.  The  unknown  signal  has  been  converted  to  create  the  IF  (intermediate   frequency).  The  IF  signal  is  then  sent  to  an  analog-­‐to-­‐digital  converter  (ADC).  The  ADC  creates  a  digital  output   that  is  proportional  to  the  analog  input.     Once  the  signal  has  been  converted  to  a  digital  signal,  it  can  be  easily  manipulated.  We  can  apply  different   mathematical  algorithms  to  help  isolate  the  unknown  signal.          
  • 28.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  26   Resolution  Bandwidth  (RBW)  Filter   Following  the  ADC  is  the  resolution  bandwidth  (RBW)  filter.  The  purpose  of  the  RBW  filter  is  to  isolate  the  IF   and  reject  any  out-­‐of-­‐band  signals.  It  can  be  implemented  as  the  final  stage  of  the  IF  filter,  or  further  down   the  signal  chain,  depending  on  the  design.     The  RBW  filter  is  a  bandpass  filter  that  allows  frequencies  within  its  envelope  to  pass  through  the  filter  but   rejects  frequencies  outside  of  the  envelope.  The  RBW  filter  commonly  implements  a  Gaussian  shape,  as   shown  in  Figure  3-­‐13.     Figure  3-­‐13:  Typical  Gaussian  RBW  filter  shape.     A  bandpass  filter  has  a  center  frequency  and  a  bandwidth.  Typically,  the  bandwidth  is  given  at  the  filter’s  3dB   point.  The  3dB  point  is  the  amplitude  at  which  the  area  of  the  curve  is  split  in  half.  Fifty  percent  lies  above  the   3dB  point,  and  50  percent  lies  below  the  3dB  point.     The  bandwidth  is  defined  as  the  frequency  difference  (f2  -­‐  f1)  at  the  3dB  point.     The  Gaussian  filter  shape  is  used  because  it  offers  the  greatest  degree  of  phase  linearity  balanced  with  good   selectivity.  Selectivity  is  a  measure  of  how  well  a  filter  rejects  signals  that  are  near  the  operating  frequency   range  of  the  filter.  Other  filter  shapes  (flat  top,  for  example)  have  better  selectivity,  so  they  can  reject  out-­‐of-­‐ band  signals  more  precisely,  but  they  do  not  have  good  phase  linearity,  which  can  cause  undesirable  effects   like  ringing  that  cannot  be  filtered  out  easily.    
  • 29.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  27   Although  very  popular,  there  are  also  other  filter  types  that  can  be  implemented  using  analog,  digital,  or  a   combination  of  both  in  a  hybrid  design.     Digital  filters  can  be  designed  to  have  better  selectivity  than  analog  filters  (Figure  3-­‐14).     Figure  3-­‐14:  Analog  (black)  vs.  digital  (blue)  filter  shapes.  Note  that  digital     filters  can  achieve  higher  directivity  than  analog  filters.       Digital  filters  also  offer  other  advantages.  For  example,  many  electromagnetic  compliance  (EMC)  tests   typically  use  a  6dB  Gaussian  filter.  This  filter  bandwidth  is  defined  at  the  6dB  point,  where  approximately  75   percent  of  the  area  of  the  filter  is  higher  than  the  6dB  point.  This  type  of  filter  has  a  more  desirable  response   to  impulse  and  short  duration  burst  RF  signals,  which  can  be  a  major  contributor  to  electromagnetic   interference  (EMI).        
  • 30.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  28     Figure  3-­‐15:  Block  diagram  of  a  swept  superheterodyne  design  showing  the  location  of  the  final  stage  of     filtering  and  detector  (RBW,  Envelope,  and  VBW).     Figure  3-­‐16  shows  a  screen  shot  from  a  swept  spectrum  analyzer.  The  input  signals  are  40MHz  and  40.1MHz   sine  waves.       Figure  3-­‐16:  Two  input  signals  scanned  with  RBWs  of  1MHz  (yellow),  100kHz  (purple),  and  10kHz  (blue).   The  yellow  trace  was  captured  using  an  RBW  of  1MHz.  The  purple  trace  was  at  an  RBW  of  100kHz,  and  the  light   blue  trace  was  at  10kHz.    
  • 31.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  29     Because  the  signals  are  only  separated  by  100kHz,  the  RBW  of  1MHz  shows  just  a  single  bump  because  the   RBW  is  greater  than  the  input  signal.  This  shape  is  characteristic  of  the  swept  IF  frequency  tracing  out  the   envelope  filter  that  follows  the  RBW  filter.   As  the  RBW  decreases,  we  get  higher  frequency  resolution  and  lower  noise  floor,  as  you  can  see  in  the  purple   (RBW  =  100kHz)  and  blue  (RBW  =  10kHz)  traces.     The  Details  of  a  Sweep   As  mentioned  earlier,  we  could  implement  a  design  that  uses  a  filter  for  each  frequency  step  of  interest.  This   approach  might  be  acceptable  for  analyzing  a  few  hundred  kilohertz  of  range,  but  it  would  be  difficult  and   expensive  if  it  had  to  work  over  a  larger  frequency  range.  For  example,  if  we  wanted  to  have  the  100Hz  of   frequency  resolution  over  100MHz  of  operating  range,  that  would  require  a  million  filters,  which  would  not   be  very  practical  to  implement  in  hardware.     As  an  alternative,  the  swept  superheterodyne  resolution  bandwidth  filter  (RBW)  has  a  fixed  center  frequency   that  does  not  change  and  also  incorporates  a  user-­‐defined  range  of  bandwidths  that  provide  resolution   selectivity.  This  allows  the  designer  to  use  a  filter  with  better  performance  and  a  wider  operating  range  to   maximize  the  usefulness  of  the  analyzer.  Instead,  the  LO  is  swept  across  a  frequency  range  in  steps  that  are   synchronized  with  the  display  steps.  The  actual  sweep  range  frequencies  for  the  1st  LO  (swept  LO  stage)  are   typically  not  the  same  as  the  sweep  range  on  the  display.  The  LO  sweep  range  is  selected  to  be  out  of  the   measurement  range  of  the  instrument  to  help  minimize  noise  and  harmonics  from  the  RF  input.        
  • 32.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  30   Let’s  consider  an  example  where  an  analyzer  is  configured  to  sweep  from  a  start  frequency  of  1GHz  to   1.5GHz.  The  RBW  is  fixed  at  500MHz,  and  the  LO  sweeps  from  500MHz  to  1GHz  as  shown  in  Figure  3-­‐17.     At  the  first  step  in  the  sweep,  the  RFIN  is  1GHz,  LO  is  500MHz,  and  the  resultant  IF  is  500MHz.       Figure  3-­‐17:  Block  diagram  showing  the  unknown  inputs,  LO,  and  the  IF  output.  Note  the  RBW  filter  at  a  fixed  frequency   (green).    Note:  The  LO  sweep  spans  the  same  frequency  range  as  the  display  range  on  the  analyzer.          
  • 33.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  31   The  LO  continues  to  sweep  with  the  display.  When  the  LO  is  at  750MHz,  the  IF  has  signals  present  near  the   RBW/IF  filter  center  wavelength,  as  shown  in  Figure  3-­‐18.      Figure  3-­‐18:The  unknown  RF  input  signals  are  mixed  with  the  LO  to  create  the  IF.  The  IF  is  then  compared  with  the  RBW  filter.     This  process  continues  through  the  entire  scan  range.        
  • 34.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  32   Figures  3-­‐19  and  3-­‐20  show  the  same  steps,  as  well  as  the  actual  displayed  spectrum  on  the  analyzer.     Note:  In  frequency  bins  where  there  are  no  RFIN  signals,  the  display  shows  the  noise  floor  of  the  analyzer.      Figure  3-­‐19:  The  displayed  spectrum  as  the  analyzer  scans  across  the  operating  frequency  range.      
  • 35.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  33     Figure  3-­‐20:  A  completed  sweep  showing  the  RBW  filter’s  effect  on  the  displayed  data  (green).     Narrower  RBW  bandwidths  provide  higher  frequency  resolution  and  a  lower  noise  floor,  but  they  increase  the   sweep  time  for  a  given  span  because  they  increase  the  number  of  steps  required  to  cover  that  span.        
  • 36.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  34   The  Envelope  Detector   Immediately  following  the  Resolution  Bandwidth  filter  (RBW)  is  an  envelope  detector,  which  measures  the   voltage  envelope  of  the  time-­‐based  input  IF.   If  the  IF  is  a  single  frequency  sine  wave,  the  output  will  be  a  single  DC  voltage.  This  is  the  situation  when  the  IF   is  simply  the  LO,  with  no  mixed  frequencies  present.   If  the  IF  is  comprised  of  multiple  frequencies,  which  is  the  case  if  there  are  mixing  products  in  the  IF  (fLO  -­‐  fsig   or  fLO  +  fsig),  then  the  output  voltage  will  match  the  envelope  of  the  IF  in  time,  as  shown  in  Figure  3-­‐21.     Figure  3-­‐21:The  intermediate  frequency  after  the  envelope  detector.     Now,  let's  look  at  how  the  sweeping  LO,  RBW  filter,  and  envelope  work  together  to  convert  the  signal  from   the  time  domain  to  the  frequency  domain.        
  • 37.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  35   Figure  3-­‐22  shows  an  example  of  an  unknown  signal  (fs)  as  it  is  mixed  with  three  steps  (flo1,  flo2,  and  flo3)  of  a   sweeping  LO.       Figure  3-­‐22:  An  unknown  signal  is  mixed  with  three  LO  steps  showing  how  the  data  from  the  envelope  detector  data  is   selected  for  display.       The  envelope  detector  returns  the  voltage  value  of  each  of  steps  (flo1,  flo2,  and  flo3)  in  this  sweep.  At  each  step   in  the  LO,  the  amplitude  (voltage)  is  plotted  vs.  the  step  frequency.     Many  analyzers  have  a  number  of  detectors  available  that  allow  selecting  the  voltage  values  that  are   displayed  from  each  frequency  bin  that  has  been  collected.     Figure  3-­‐23  shows  the  video  voltage  of  a  signal  for  two  frequency  bins,  f0  and  f1.  The  top  plot  shows  the   video  voltage  (green  trace)  of  this  incoming  signal  with  respect  to  time.  The  bottom  plot  shows  the  value  that   each  detector  selection  would  report  to  the  display.    
  • 38.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  36     Figure  3-­‐23:The  video  voltage  is  selected  based  on  the  detector  type.  This  diagram  shows  the  data  displayed  based  on     a  Positive  Peak,  Sample,  and  Negative  Peak  detector  selection  for  a  given  input  signal.     The  positive  peak  detector  displays  the  maximum  amplitude  value  in  each  bin.  It  is  useful  for  sinusoidal   inputs,  but  it  is  not  recommended  for  noise  because  it  will  not  show  the  true  random  nature  of  a  noise   source.     The  negative  peak  detector  displays  the  minimum  amplitude  value  in  each  bin.     The  sample  detector  will  select  a  random  value  from  the  video  voltage.  It  is  most  useful  for  observing  noise.     The  normal  or  “rose-­‐and-­‐fell”  detector  will  select  either  the  positive  or  negative  peak  values,  depending  on   the  trend  within  that  bin.  If  the  signal  both  rose  and  fell  within  that  bin,  it  will  assume  that  the  input  is  noise   and  will  alternate  between  positive  and  negative  peaks  to  provide  a  more  appropriate  response  to  the  input.   If  it  rose  within  the  bin,  it  will  select  positive;  if  it  fell,  negative.  It  is  most  useful  for  noise  and  sinusoidal   signals.   There  can  also  be  averaging  detectors,  such  as  RMS  average,  voltage  average,  and  Quasi-­‐Peak  average   detectors.    
  • 39.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  37   The  RMS  detector  reports  the  root-­‐mean-­‐square  (RMS)  value  of  the  incoming  signals.  It  is  useful  when   measuring  the  power  of  communication  and  other  complex  signals.   The  voltage  average  reports  the  average,  or  mean,  voltage  of  the  bin.  It  can  be  helpful  for  electromagnetic   interference  (EMI)  measurements.   Some  specialized  analyzers  also  come  with  a  Quasi-­‐Peak  (QP)  detector,  which  provides  a  special  weighted   average  of  the  data  in  each  bin  and  is  specifically  used  for  electromagnetic  compliance  (EMC)  testing.  It   should  be  noted  that  the  QP  detector  has  a  fixed  integration  time  that  is  significantly  longer  than  the  standard   detector  types.  It  will  increase  sweep  time  considerably.        Figure  3-­‐24:  Suggested  detectors  for  specific  applications.          
  • 40.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  38   Video  Bandwidth  (VBW)   The  Video  Bandwidth  (VBW)  filter  is  a  low  pass  filter  that  is  applied  to  each  frequency  bin  before  sending  the   appropriate  amplitude  value  to  the  display.  It  effectively  averages  (smoothes)  the  signal  and  can  be  used  to   minimize  the  effects  of  noise  on  the  displayed  trace.  It  is  especially  useful  when  dealing  with  low  power   signals  that  are  close  to  the  noise  floor  of  the  instrument.   Figures  3-­‐25  and  3-­‐26  compare  a  20MHz  sine  wave  input  captured  at  a  VBW  of  100kHz  and  1kHz   respectively.  Note  how  the  VBW  smoothes  the  trace  and  makes  it  easier  to  see  the  true  signal.      Figure  3-­‐25:  20MHz  input  on  a  spectrum  analyzer  with  VBW  set  to  100kHz.        
  • 41.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  39     Figure  3-­‐26:  Identical  20MHz  signal  with  the  VBW  decreased  to  1kHz.  Note  smoothing  of  the  trace.   Note  that  decreasing  the  VBW  setting  can  increase  the  sweep  time.     Many  analyzers  also  provide  the  ability  to  average  a  number  of  traces  when  using  an  Averaging  Detector  like   RMS  or  Voltage.     Averaging  traces  has  a  similar  effect  to  lowering  the  VBW  setting,  as  shown  in  Figures  3-­‐27  and  3-­‐28,  but  this   technique  can  require  successive  scans,  which  can  lead  to  a  longer  total  test  time.    
  • 42.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  40      Figure  3-­‐27:  A  20MHz  input  signal  with  no  averaging  applied.         Figure  3-­‐28:  A  20MHz  input  signal  with  100  averages  applied.  Note  that  the  noise  on  the  trace    has  decreased   significantly.        
  • 43.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  41   Noise   When  making  measurements,  it’s  important  to  limit  the  error  and  decrease  the  effects  of  unwanted  signals  in   order  to  get  the  most  accurate  representation  possible.  Some  sources  of  noise  are  part  of  the  instrument   itself  (internal);  others  are  external.  This  discussion  will  address  only  internal  noise  sources.     One  of  the  main  sources  of  noise  is  thermal  effects  in  the  circuit  elements  within  the  instrument.  Essentially,   temperature  is  a  measure  of  the  average  kinetic  energy  of  a  system.  On  a  molecular  level,  higher   temperatures  lead  to  higher  average  kinetic  energy  due  to  an  increase  in  molecular  vibrations.  These   vibrations  create  electrical  potentials  (voltage)  that  can  effect  measurements.       Thermal  (also  known  as  Johnson)  noise  is  defined  by  this  equation:   Pn  =  kTB   Where  Pn  =  Noise  power  in  watts   k  =  Boltzmann's  Constant  (1.38¥10-­‐23  joule/°K)   T  =  Absolute  temperature,  °K   B  =  Bandwidth  in  Hz   Let's  look  at  two  examples.     What  is  the  noise  power  of  a  system  with  T  =  293°K  (equivalent  to  room  temperature  of  20°C  or  68°F)   and  a  measurement  bandwidth  of  1MHz  (1¥10+6  Hz)?   Pn1  =  1.38¥10-­‐23  joule/°K  *  293°K  *  1¥10+6HZ  =  4¥10-­‐15  watts   Let’s  say  we  cut  the  bandwidth  by  10:  B  =  100kHz  (1¥10+5)   Pn2  =  1.38¥10-­‐23  joule/°K  *  293°K  *  1¥10+6Hz  =  4¥10-­‐16  watts   Now,  what  if  we  compared  these  two  powers  in  dB?   The  equation  for  power  in  dB  is  Lp  =  10  log10  (P/Po)dB.   Using  the  results  from  our  experiment,  the  result  is:   Lp  =  10  log10  (Pn1/Pn2)dB  =  10  log10  (4×10-­‐15  watts/4×10-­‐16  watts)  =  10dB   As  you  can  see,  the  bandwidth  of  the  measurement  directly  affects  the  thermal  noise  that  can  influence  the   measurement.  In  order  to  increase  sensitivity  (synonymous  with  decreasing  noise),  we  can  l  
  • 44.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  42   The  Displayed  Average  Noise  Level  (DANL)  of  a  spectrum  analyzer  is  a  term  that  describes  the  expected  noise   level  of  the  analyzer  and  it  determines  the  lowest  signal  level  that  can  be  measured  by  the  instrument.     The  DANL  represents  the  noise  floor  of  the  instrument.  The  DANL  value  is  heavily  influenced  by  the  frequency   span  of  the  measurement,  RBW,  VBW,  preamplifiers,  and  detector  settings  but  can  also  be  affected  by  factors   such  as  the  number  of  trace  averages  being  used.     It’s  possible  to  lower  the  DANL  quickly  by  decreasing  the  RBW  setting.  Decreasing  the  RBW  by  10  times  will   decrease  the  DANL  by  10dB  as  shown  in  Figure  3-­‐29.       Figure  3-­‐29:  Noise  floor  differences  on  an  analyzer  with  three  RBW  settings.  RBW=  1MHz  (yellow),  100kHz  (purple)  and   10kHz  (blue).     In  this  experiment,  there  was  no  input  signal  to  the  analyzer,  just  the  noise  floor  of  the  instrument.  The   yellow  trace  represents  a  scan  from  9kHz  to  1.5GHz  with  an  RBW  of  1MHz.  The  purple  trace  was  acquired   using  an  RBW  of  100kHz  and  the  light  blue  trace  used  an  RBW  of  10kHz.  Note  that  each  decade  (10)  decrease   in  RBW  resulted  in  a  10dB  drop  in  the  DANL.        
  • 45.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  43   Sweep  Speed   Decreasing  the  RBW  has  a  dramatic  effect  on  the  noise  floor,  but  it  also  increases  the  time  that  it  takes  for  the   instrument  to  scan  over  a  specific  frequency  span.  That’s  because  by  decreasing  the  bandwidth  of  each  step,   we  increase  the  number  of  steps  we  must  perform  to  cover  that  span.     The  sweep  speed  is  determined  by  the  span,  RBW,  and  detector  settings.  Many  analyzers  will  have  default   settings  that  will  automatically  set  the  sweep  time  to  provide  the  best  balance  between  sweep  speed  and   amplitude  accuracy.  Short  sweep  times  could  be  too  fast  for  the  IF  stage  to  respond  to  the  input  and  result  in   additional  measurement  error.     The  first  sweep  (Figure  3-­‐30)  is  a  scan  of  a  20MHz  sine  wave  with  an  amplitude  of  -­‐10dBm.  The  automatic   settings  were  used  on  the  instrument  and  the  resultant  sweep  time  was  101.10ms.   The  second  sweep  (Figure  3-­‐31)  is  a  scan  of  exactly  the  same  input  signal  but  with  a  different  sweep  time.  It   was  forced  to  10ms.  Note  that  the  amplitude  error  increased  significantly  and  the  spectral  profile  is  quite   different.  The  analyzer  actually  indicates  that  the  sweep  time  is  too  fast  for  the  settings  with  an  UNCAL  label   in  the  top  portion  of  the  display.        Figure  3-­‐30:  20MHz  sine  input  collected  using  the  automatic  settings  on  the  analyzer.    
  • 46.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  44     Figure  3-­‐31:  The  same  20MHz  sine  input,  but  this  time,  the  sweep  speed  was  increased  manually.  Note  that  the   instrument  is  notifying  the  user  of  UNCAl  and  there  are  amplitude  and  frequency  errors  due  to  the  increased   sweep  speed.     To  ensure  the  greatest  accuracy,  use  the  instrument’s  recommended  automatic  settings.       The  Vector  Network  Analyzer   The  swept  superheterodyne  design  described  previously  captures  amplitude  and  frequency  information.   These  measurements  are  also  known  as  scalar  measurements  because  they  do  not  capture  phase  information   for  the  incoming  signal.  Instruments  that  capture  amplitude  vs.  frequency  are  therefore  known  as  Scalar   Network  Analyzers.     A  host  of  applications  require  capturing  the  incoming  signal  phase  information  in  addition  to  the  amplitude   and  frequency.  This  is  especially  important  for  proper  demodulation  of  digital  communications  and  for   characterizing  components  used  in  digital  systems.  The  Vector  Network  Analyzer  (VNA)  is  widely  used  for   these  applications.     The  VNA  is  based  on  a  swept  superheterodyne  design.  The  main  difference  is  that  the  VNA  uses  an  extra   stage  in  the  signal  path  that  collects  and  stores  phase  information  for  the  incoming  signal.     VNAs  are  useful  for  measuring  the  performance  of  RF  components,  commonly  called  the  scattering  or  S-­‐ parameters,  as  well  as  measuring  the  performance  of  digital  communications  signals.    
  • 47.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  45   Chapter  4:  Spectrum  Monitoring  with  Real-­‐Time  Analysis   Today’s  RF  engineer  is  confronted  with  the  challenge  of  how  to  transport  ever  increasing  amounts  of  data   across  local  and  wide  area  networks.  For  IoT  applications  the  most  common  way  is  to  use  wireless  transmission   of  data  via  common  standards  like  Bluetooth,  Wi-­‐Fi  or  Zigbee.    Wireless  transmission  works  with  digitized  data   which  is  then  modulated  to  an  RF  carrier  via  complex  modulation  schemes.  These  signals  than  vary  rapidly  in   frequency  to  to  deal  with  the  congestion  of  the  unlicensed  ISM  Band  spectrum.    These  factors  combine  to   generate  very  fast  and  dynamic  signal  change  over  time  and  frequency  band.    Since  a  traditional  swept   spectrum  analyzer  measures  power  at  just  one  frequency  at  a  time  even  the  fastest  sweeping  analyzer  leaves   blind  time  where  transient  and  hopping  signals  can  be  missed.     For  example  while  a  fast  changing  frequency  hopping  signal  like  Bluetooth  can  be  measured  with  SA  it  is   severely  limited.    One  trace  can  be  set  to  maximum  hold.  A  second  trace  can  be  set  to  clear  write.  With  one   sweep  it  is  not  possible  to  capture  all  signal  components.    Multiple  sweeps  are  necessary  to  build  up  an  image   of  the  spectrum  (see  figure  2).    So  while  you  have  built  up  a  view  of  the  spectrum  over  time  not  all  frequency   components  are  visible,  there  is  no  time  information  available  and  it  is  not  possible  to  detect  that  this  signal  is  a   frequency  hopping  spread  spectrum  signal.   Sweep  point  after  600  µsec.     Lost  information  at  same  time   Figure  1:  Sweep  result  of  spectrum  analyzer  with  blind  time  
  • 48.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  46         Certain  signals  which  are  only  randomly  available  and  very  fast  may  never  be  detected.      Additionally,   Frequency,  Span  and  RBW  have  a  direct  influence  to  sweep  time  on  a  swept  spectrum  analyzer.    So  if  a  finer   frequency  resolution  is  required,  then  RBW  needs  to  be  decreased.  This  results  in  a  lower  sweep  time  making   the  capture  of  those  fast  changing  signals  even  less  likely.         Real-­‐  Time  Capture  and  Analysis   Real  Time  spectrum  analyzers  capture  data  across  the  entire  real-­‐time  span  then  uses  an  FFT  (Fast  Fourier   Transform)  to  display  power  over  the  entire  span.    Since  all  frequency  components  are  calculated  from  the   same  data  capture  it  is  simple  to  see  the  transient  signals  that  are  occurring  and  since  it  is  captured  in  time  it   possible  to  quickly  visualize  signal  behavior  over  time.    But  the  calculation  is  accomplished  differently  different   than  a  scope  based  FFT.  In  a  scope  based  FFT  calculation  time  is  required  between  FFT  acquisitions  to  create   Figure  2:  Bluetooth  signals  are  only  visible  via  max  hold  function  with  SA  
  • 49.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  47   and  Display  the  FFT.  This  creates  an  acquisition  GAP  and  some    parts  of    the  signal  will  be  lost  (see  figure  3,   below).    This  means  a  standard  scope  based  FFT    also  can’t  be  used  for  measurement  of  pulsed  signals  because,   as  with  swept  analyzers  signals  can  be  missed  in  the  gaps  between  FFT  acquisition.                       In  real  time  analysis  multiple  FFT  acquisitions  and  calculations  are  performed  in  parallel  and  overlapping.    The   Real-­‐time  analyzer  contains  additional  processing  capability  to  handle  this  additional  workload  to  capture,   calculate  and  display  the  results  results  in  real-­‐time.    The  result  is  that  time  acquisition  of  different  FFT  blocks  is   Gap  Free  (see  figure  4  below)  and  performance  will  be  not  be  affected  by  choosing  using  different  RBW   settings.   Gap  free  FFT  example  in  real  time  operation:               FFT   FFT   FFT   t   A   Calculation   Calculation   Calculation   Figure  4:  FFT  in  Real  time  spectrum  analyzer  without  gaps   FFT   Lost   FFT   Lost   FFT   Lost   Calculation   Calculation   Calculation   t   A   Figure  3:  FFT  with  gaps  in  between  based  on  slow  calculation  process  
  • 50.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  48     A  fixed  number  of  1024  samples  are  used  for  one  FFT  time  acquisition.  Each  FFT  calculation  is  using  a  window   function.  Windowing  is  important  to  define  a  discrete  number  of  time  points  for  calculation.  Size  of  window  can   be  varied  and  is  not  fixed  in  time  domain.  A  variation  of  window  size  will  have  a  direct  influence  of  real  time   resolution  bandwidth  [RBW]  or  the  other  way  around:  with  changing  the  RBW,  size  of  window  will  be  changed.     The  position  of  a  time  signal  like  a  pulse  needs  to  be  in  the  center  of  FFT  window  to  transform  it  correctly  into   frequency  range.  In  case  that  a  pulse  is  in  between  two  FFT  events,  then  amplitude  is  suppressed  by  filter  side   loops  and  is  no  longer  correct  (see  figure  6).           An  overlapping  process  of  FFT  events  will  be  used  in  Real-­‐time  analyzers  to  avoid  losing  signal  information.   Overlapping  has  the  effect  that  more  spectrums  are  available  over  a  time  period  and  time  resolution  is  higher.   Smaller  events  can  be  measured  (see  figure  7)  and  signal  suppression  of  single  FFT  acquisition  occurred  due   windowing  is  eliminated  with  overlapping.       t   A   FFT  1   FFT  2   Figure  5:  Amplitude  is  wrong  if  signal  is  located  in  between  of  two  FFT  blocks     t   A   FFT  1   FFT  3   FFT  2   FFT  4   FFT  5   Figure  6:  Overlapping  process  in  real  time  spectrum  analyzer  
  • 51.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  49   In  other  words,  overlapping  process  of  FFT  events  has  a  direct  influence  of  smallest  pulse  width  which  can  be  measured   with  a  real  time  spectrum  analyzer.  The  RT-­‐SA  RSA5000  is  working  with  a  FFT  rate  of  146.484  FFT/sec.  which  results  into  a   calculation  speed  (Tcalc)  of  6,82  µsec.:   𝑇!"#! = 1 𝐹𝐹𝑇  𝑅𝑎𝑡𝑒 =   1 146.484   𝐹𝐹𝑇 𝑠𝑒𝑐. = 6,82  µμ𝑠𝑒𝑐.   Depending  on  real  time  span  there  are  4  different  sample  rates  available.  The  maximum  sample  rate  is  51,2   MSa/sec.  With  that  sample  rate  and  the  fixed  number  of  samples  (NFix  =  1024),  used  for  one  FFT  acquisition,  the   duration  can  be  calculated  as  follow:     𝑇!"# = 𝑁!"# 𝑆𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒  𝑅𝑎𝑡𝑒 = 1024  𝑆𝑎.∗   1 51,2 𝑀𝑆𝑎. 𝑠𝑒𝑐. = 20  µμ𝑠𝑒𝑐.   An  overlap  of  FFT  frames  is  not  possible  during  calculation  progress.  Therefore  the  overlapping  time  of  FFT   frames  can  be  calculated  with  that  formula:   𝑇!"#$%&' =  𝑇!"#  –  𝑇!"#!   For  example  with  sample  rate  of  51,2  MSa./sec.  the  overlap  time  is  13,18  µsec  or  65,86%  which  results  into   NOverlap  =  674  sample  points.     Probability  of  Intercept  [POI]   POI  specify  the  smallest  pulse  duration  which  can  be  measured  with  100  %  amplitude  accuracy.  Furthermore   POI  defines  the  minimum  pulse  width  where  each  pulse  will  be  captured  (see  figure  8).  The  smallest  100%  POI   of  the  RIGOL  RSA5000  is  7.45  µsec.            
  • 52.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  50                               POI  calculation  depends  on  FFT  rate,  chosen  RBW  and  adjusted  Span.  The  principle  of  POI  is  described  with  a   span  of  40  MHz  (=51,2  MSa/sec.)  and  RBW  of  3.21  MHz  (Kaiser  Window)  in  figure  10.  Due  to  calculation  time,   second  FFT  acquisition  starts  after  6.82  µsec.  Window  size  is  depending  of  RBW  in  real  time  mode:     𝑇!"#$%& =   1 𝑅𝐵𝑊   Start  position  of  first  FFT  acquisition  and  End  position  of  second  FFT  acquisition  defines  POI  time  value                   Figure  7:  Measurement  of  a  pulse  of  7.45  µsec.  (period:  1  sec.)  with  amplitude  of  -­‐35  dBm.  Each  pulse  is  captured   with  correct  amplitude.     𝟏 𝑹𝑩𝑾∗   FFT  1  (20  µsec.)   FFT  2  (20  µsec.)   7,45  µsec.   6,82  µsec.   9,68  µsec.   t   A   17,13  µsec.   Figure  8:  Example  with  RT-­‐Span  of  40  MHz,  sample  rate  of  51.2  MSa/s   and  RBW  of  3.21  MHz  (Kaiser  Filter)  
  • 53.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  51       POI  can  also  be  calculated  as  follow:     𝑇!"# =   (𝑁!"#$%& +  𝑁!"# − 1) − 𝑁!"#$%&' 𝑆𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒  𝑟𝑎𝑡𝑒 =   32 + 1024 − 1 − 674   51,2   𝑀𝑆𝑎 𝑠𝑒𝑐. = 7,45  µμ𝑠𝑒𝑐.   With  that  POI  and  speed  it  is  now  possible  to  measure  a  Bluetooth  signal  with  the  RT-­‐SA  mode  of  RSA5000   series.  Usage  of  maximum  hold  is  no  longer  needed.  It  is  possible  to  set  6  different  RBW  settings  in  RT-­‐SA  mode   and  speed  is  not  affected.       Real-­‐time  Visualization:   Since  Real-­‐time  analysis  adds  the  dimension  of  time  to  the  acquisition  the  user  can  choose  from  multiple  rich   data  views  helping  to  quickly  debug  their  designs     • Normal  Trace  Analysis     • Density  Analysis   • Spectrogram     • Power  vs  Time     In  Normal  Mode  the  trace  information  of  current  time  is  visible.  It  looks  like  a  trace  of  a  SA  but  due  to  the  real     time  sweep  more  information  is  visible  at  the  same  time  compare  to  SA.  Normal  trace  analysis  is  a  2D   measurement  (power  over  frequency).          
  • 54.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  52     Normal  Mode  Display           With  Density  Analysis  it  is  possible  to  analyze  the  repetition  rate  of  a  signal.  Density  Mode  puts  data  into  a   color  map  based  on  the  probability  of  that  frequency  (from  blue  =  0%  to  red  =  100%,  see  figure  8).  As  more   often  the  signal  hits  a  single  pixel  point  (power  vs  frequency)  within  a  certain  time  it  increases  the  probability   and  changes  the  color  of  this  pixel.  For  example  a  constant  wave  [CW]  signal  would  be  visible  in  red  color.  A   very  short  single  signal  event  would  be  visible  in  blue  color.  The  color  percentage  can  be  calculated  as  follow:     𝑛 = 𝑇!!"# 𝑇!"#$%&' ∗ 100%     Density  View  is  particularly  useful  for  identifying  superimposed  signals  and  separating  signals  that  share  the   same  frequency  and  for  seeing  time  varying  and  frequency  hopping  signals.    
  • 55.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  53   Density  Mode  Display       In  normal  and  density  mode  it  is  possible  to  activate  a  Spectogram  measurement.  Spectrogram  is  a  waterfall   displaying  frequency  over  time  allowing  users  to  measure  out  duration  of  pulses  (like  for  Bluetooth  signals),  to   clearly  view  frequency  changes  over  time  and  to  identify  interference.    A  spectrogram  also  works  with  a  color   scheme  for  signal  level  (DANL:  0%  =  blue,  Reference  level:  100%  =  red).  Density  in  combination  with   spectrogram  is  a  4D  measurement  (power  over  frequency  over  repetition  rate  and  power  over  time,  see  figure   12  with  a  Bluetooth  example).                
  • 56.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  54   Spectogram  Display                             In  Power  vs  Time  (PvT)  mode  it  is  possible  to  display  the  time  domain  of  a  signal  within  adjusted  real  time   bandwidth.  The  acquisition  time  can  be  changed  in  this  measurement.  The  Power  vs  Time  analysis  is  displayed   for  the  used  real  time  bandwidth  and  not  to  RBW  like  in  SA  with  zero-­‐span  configuration.  Signal  bursts  of   modulated  signals  and  pulses  can  be  displayed  to  measure  duty  cycle  and  amplitude  of  a  pulse  or  to  display   pulse  trains  over  certain  time.  PvT  can  be  used  in  combination  of  normal  trace  analysis  (frequency  spectrum)   and  spectrogram  (see  figure  13).     Comparing  the  measurement  result  of  Bluetooth  signal  in  figure  12  and  figure  13  and  the  result  of  traditional   swept  spectrum  analyzer  (figure  2)  shows  the  engineer  has  much  more  information  available  with  Real-­‐time.   Within  the  adjusted  real  time  bandwidth  all  frequency  components  can  be  measured.  Time  information  can  be   displayed  in  parallel  of  spectrum  measurement,  it  is  visible  that  this  signal  is  a  frequency  hopping  spread   spectrum  signal  and  the  length  of  data  block  can  be  analyzed.  The  Power  vs  Time  is  no  longer  depended  on   RBW  bandwidth  like  in  SA  and  frequency  domain  and  time  domain  can  be  displayed  in  one  time.       Figure  9:  Bluetooth  signal  measured  with  density  spectrogram  
  • 57.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  55   PvT  Display                                         Figure  10:  normal  trace  vs  spectrogram  vs  PvT  of  a  Bluetooth  signal  
  • 58.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  56   Chapter  5:  Common  Component  Tests   Now  that  we  have  a  basic  understanding  of  the  instrumentation  used  for  measuring  RF,  let’s  take  a  closer  look   at  measuring  the  performance  of  some  common  RF  components  using  a  spectrum  analyzer.     The  Tracking  Generator     Many  component-­‐level  tests  require  an  RF  source  to  deliver  a  signal  to  the  device-­‐under-­‐test  (DUT)  with  a   known  amplitude  and  frequency.  When  testing  an  RF  filter,  for  example,  the  idea  would  be  to  deliver  a  series  of   known  amplitudes  at  specific  frequencies  to  see  where  the  filter  is  most  effective.  It  would  be  possible  to   synchronize  an  external  RF  source  with  the  sweep  of  a  spectrum  analyzer  to  perform  this  test,  but  many   spectrum  analyzers  are  available  with  a  tracking  generator  that  can  simplify  this  type  of  testing.     A  tracking  generator  is  an  extension  of  the  sweep  circuit.  It  is  a  programmable  RF  source  with  the  ability  to   synchronize  the  output  frequency  with  the  sweep  steps  of  the  spectrum  analyzer.  In  this  way,  the  source  and   measurement  frequencies  are  locked.  If  measuring  from  1MHz  to  100MHz  on  the  spectrum  analyzer,  the   tracking  generator  outputs  a  continuous  sine  wave  with  a  frequency  that  will  sweep  from  1MHz  to  100MHz  in   full  synchronization  with  the  measurement.      
  • 59.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  57   Figure  4-­‐1:  Example  of  a  spectrum  analyzer  with  tracking  generator  sweeping  a  DUT.   Testing  Filters   A  filter  is  a  useful  component  in  many  designs.  The  primary  goals  of  a  filter  are  to  remove  unwanted   frequencies  and  to  enhance  desired  frequencies  from  an  input  signal.     Here  are  some  commonly  used  filters:     Low  pass:   Allows  frequencies  lower  than  a  certain  value  to  pass  through,  and  rejects  higher  frequencies.  This   can  be  used  to  remove  high  frequency  noise  from  a  signal.       High  pass:   Allows  frequencies  higher  than  a  certain  value  to  pass  through,  and  rejects  lower  frequencies.  This   can  be  used  to  remove  low  frequency  components  from  the  input  signal.    
  • 60.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  58     Bandpass:   Allows  a  certain  frequency  range,  or  band,  to  pass  through  the  filter  and  rejects  those  frequencies   that  are  outside  of  the  operating  frequency  band.  This  type  of  filter  will  allow  a  band  of  frequencies   to  pass  through  the  filter  with  little  to  no  changes  while  drastically  lessening  the  amplitude  of   signals  having  frequencies  outside  of  the  operating  band.       Notch:     Rejects  those  frequencies  that  are  inside  of  the  operating  frequency  band  and  rejects  those  within   the  operating  band  of  the  filter.  This  type  of  filter  will  allow  all  frequencies  outside  of  the  operating   band  to  pass  through  the  filter  with  little  to  no  changes  while  drastically  lessening  the  amplitude  of  
  • 61.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  59   signals  having  frequencies  inside  of  the  operating  band.  This  is  the  exact  opposite  of  a  bandpass   filter.     In  all  cases,  testing  a  filter  provides  information  about  its  quality,  such  as  how  well  it  decreases  unwanted   signals  and  how  well  it  allows  wanted  signals  through.   Testing  a  filter  using  a  spectrum  analyzer  has  a  number  of  common  steps.   Required  Hardware:   • Spectrum  analyzer  with  tracking  generator   • Cabling  and  adapters  to  connect  to  the  filter   • Filter  to  test   Test  Steps:   • Normalize  the  trace  (optional)   Many  elements  in  an  RF  signal  path  can  have  nonlinear  characteristics.  In  many  cases,  these  nonlinear   effects  on  the  base  measurements  can  be  minimized  by  normalizing  the  instrument.  Normalization  is   the  process  of  mathematically  removing  the  effects  of  cabling,  adapters,  and  connections  that  could  add   unnecessary  error  to  the  characterization  of  the  filter.    
  • 62.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  60   1. Connect  the  tracking  generator  output  to  the  RF  input  using  the  same  cabling  that  will  be  used  to   test  the  device.  Any  element,  like  an  adapter,  used  during  normalization  should  also  be  used  during   device  measurement  because  any  changes  to  the  RF  signal  path  could  affect  the  accuracy  of  the   measurement.   NOTE:  Clean  the  surfaces  of  the  adapters  and  input  with  a  lint-­‐free  cloth  or  swab  and  electronics   contact  cleaner  to  prevent  damage  and  ensure  repeatability.   2. Enable  the  tracking  generator.   3. Store  the  reference  trace.     4. Enable  the  normalization.  Now,  the  displayed  trace  will  more  accurately  represent  the  filter  by   removing  cable  and  adapter  losses.       • Measure  the  filter   1. Connect  the  tracking  generator  output  to  the  filter  input  using  the  appropriate  cabling  and   connectors.     2. Connect  the  filter  output  to  the  instrument  RF  input.     NOTE:  Clean  the  surfaces  of  the  adapters  and  input  with  a  lint-­‐free  cloth  or  swab  and  electronics   contact  cleaner  to  prevent  damage  and  ensure  repeatability.       Figure  4-­‐2:  Front  panel  of  a  spectrum  analyzer  equipped  with  a  tracking     generator.  This  view  shows  connections  to  the  RF  output  of  the  tracking     generator  and  the  RF  input  of  the  analyzer.  
  • 63.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  61     3. Configure  the  stop,  start  frequency  for  the  span  of  interest.     4. Set  the  tracking  generator  amplitude.     NOTE:  If  the  instrument  is  equipped  with  a  preamplifier,  enabling  it  can  lower  the  displayed  noise   floor.       5. Enable  the  tracking  generator.  Note  the  small  bump  in  Figure  4-­‐3.     Figure  4-­‐3:  A  bandpass  filter  trace.       Adjust  the  amplitude,  start,  and  stop  frequency  to  zoom  in  on  the  trace.       Some  analyzers  have  a  convenient  auto-­‐scale  feature  that  can  automatically  configure  the  analyzer  to  display  a   full  view  of  the  area  of  interest  on  the  trace.    
  • 64.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  62     Figure  4-­‐4:  After  Auto.     NOTE:  Some  analyzers  also  have  markers.  These  are  cursors  that  can  show  the  frequency  and  amplitude  of   specific  points  on  the  trace,  as  well  as  the  ability  to  measure  bandwidth  at  a  particular  dB  level.        Figure  4-­‐5:  3dB  bandwidth  measurement  of  a  bandpass  filter.        
  • 65.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  63   Cable/Connector  Loss   Cables  and  connectors  can  have  a  dramatic  effect  on  the  accuracy  and  validity  of  measurements  on  additional   components.  They  also  wear  with  time  and  use.  This  wear  can  show  up  as  an  increase  in  attenuation  over   particular  frequency  ranges.   A  spectrum  analyzer  and  a  tracking  generator  allow  testing  the  insertion  loss  (loss  vs.  frequency)  of  the  cables   and  adapters  easily.     Required  Hardware:   • Two  N-­‐type  to  BNC  adapters  (Figure  4-­‐6).  Select  adapters  that  convert  N-­‐type  (in/out  connectors  on   most  spectrum  analyzers)  to  the  cable  type  being  tested.  Also  note  that  higher  quality  connectors   (silver-­‐plated,  beryllium  copper  pins,  etc.)  equal  better  longevity  and  repeatability.       Figure  4-­‐6:  N-­‐type  to  BNC  adapter.     • A  short  reference  cable  with  terminations  that  match  the  adapters  being  used  and  the  cable-­‐under-­‐test.   • An  adapter  to  go  between  the  reference  cable  and  the  cable-­‐under-­‐test.  This  experiment  will  use  a  BNC   “barrel  connector”  (Figure  4-­‐7).  Note  that  higher  quality  connectors  (silver-­‐plated,  beryllium  copper   pins,  etc.)  equal  better  longevity  and  repeatability.     Figure  4-­‐7:  BNC  barrel  adapter.  
  • 66.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  64     • Alternately,  use  two  adapters  and  a  short  cable  as  a  reference  assembly  to  normalize  the  display  before   making  cable  measurements.  This  removes  the  need  to  have  the  cable-­‐to-­‐cable  adapter.     • A  spectrum  analyzer  with  tracking  generator  (TG).   Test  Steps:   1. Attach  the  adapters  to  the  tracking  generator  (TG)  output  and  RF  input.   NOTE:  Clean  the  surfaces  of  the  adapters  and  input  with  a  lint-­‐free  cloth  or  swab  and  electronics  contact   cleaner  to  prevent  damage  and  ensure  repeatability.   2. Connect  the  reference  cable  to  the  TG  out  and  RF  In  on  the  analyzer.     Figure  4-­‐8:  Measuring  the  reference  cable.     3. Adjust  the  span  of  the  scan  for  the  frequency  range  of  interest.   4. Adjust  the  tracking  generator  output  amplitude  and  spectrum  analyzer  display  to  view  the  entire  trace.   5. Enable  the  tracking  generator  output.    
  • 67.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  65     Figure  4-­‐9:  Reference  cable  insertion  loss  before  normalization.     6. Normalize  the  reference  insertion  loss.  This  mathematically  subtracts  a  reference  signal  (stored   automatically)  from  the  input  signal.       Figure  4-­‐10:  Reference  cable  insertion  loss  after  normalization.     7. Disconnect  the  reference  cable  from  the  RF  input.  Place  cable-­‐to-­‐cable  adapter  (BNC  barrel  or  other)   and  connect  to  the  cable  to  test.   8. Connect  the  cable-­‐under-­‐test  to  test  to  RF  input  and  enable  the  tracking  generator.          
  • 68.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  66     Figure  4-­‐11:  Cable-­‐under-­‐test  connected.   The  screen  displays  the  cable-­‐under-­‐test  losses  plus  the  error  of  the  cable-­‐to-­‐cable  adapter.       Figure  4-­‐12:  Zoomed  view  of  cable-­‐under-­‐test  loss  vs.  frequency.            
  • 69.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  67   VSWR  of  an  Antenna   As  described  previously,  electromagnetic  radiation  can  be  described  using  terms  and  concepts  from  wave   theory.  Electromagnetic  waves  add,  cancel,  and  reflect  much  like  waves  on  water.     Imagine  a  small  wave  in  a  bucket  of  water.  When  the  wave  hits  the  inside  wall  of  the  bucket,  a  portion  of  the   wave  is  reflected  back  into  the  center  of  the  bucket  and  interacts  with  other  reflected  waves  as  it  travels  back-­‐ and-­‐forth  along  the  surface  of  the  water.  The  wave  direction  and  velocity  change  when  the  wave  interacts  with   the  bucket  because  there  is  a  density  difference  between  the  water  and  the  bucket.  A  similar  situation  occurs   with  electromagnetic  waves.   With  the  bucket  analogy,  the  water  and  bucket  have  different  densities.  This  difference  affects  the  speed  of  the   wave  and  causes  a  portion  of  the  incoming,  or  incident,  wave  to  be  reflected  directly  opposite  to  the  original   path  of  motion.  As  the  waves  travel  back-­‐and-­‐forth  across  the  surface,  they  will  add  and  subtract  depending  on   their  relative  phases.     When  an  electromagnetic  wave  travels  from  one  material  to  another,  it  can  also  undergo  reflection.  When  an   electromagnetic  wave  encounters  a  material  with  a  different  impedance,  some  or  all  of  the  wave  can  be   reflected.  If  the  impedance  of  the  new  material  is  much  greater  than  the  original  impedance,  a  large  amount  of   the  original  wave  can  be  reflected.  Large  amounts  of  reflected  energy  can  be  inefficient  and  could  cause   damage  to  sensitive  components  in  the  circuit.   The  Voltage  Standing  Wave  Ratio  (VSWR)  is  a  measurement  that  can  be  used  to  judge  the  quality  of  the   impedance  matching  for  cables  and  other  passive  devices.  It  is  also  mainly  used  to  determine  the  efficiency  of   antennas  to  radiate  power.     A  perfectly  matched  antenna/cable  system  will  have  a  VSWR  of  1.  In  reality,  the  best  systems  will  have  VSWR   values  of  1.1  or  1.2.   Higher  VSWRs  indicate  a  greater  degree  of  impedance  mismatch.  For  antenna  users,  this  indicates  that  more  of   the  original  signal  is  reflected  back  towards  the  transmitter  and  it  indicates  a  system  that  has  low  efficiency.        
  • 70.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  68   Required  Hardware:    A  spectrum  analyzer  with  a  tracking  generator,  such  as  the  Rigol  DSA815-­‐TG   • Coaxial  Directional  Coupler  or  VSWR  Bridge  with  an  impedance  match  for  the  component  being  tested.   This  is  typically  50Ω  for  most  antenna  and  RF  networks.     • An  antenna  or  other  component  to  test   • Impedance-­‐matched  coaxial  cable  to  connect  the  coupler  to  the  tracking  generator.  Depending  on  the   Directional  Coupler  design,  you  may  need  another  cable  or  adapter  to  connect  it  to  the  DSA.       Figure  4-­‐13:  A  Rigol  VB1032  VSWR  bridge.     Test  Steps:   1. Clean  all  connectors  with  a  lint-­‐free  cloth  or  swab  and  electronics  contact  cleaner.  Make  sure  to  remove   any  contamination,  dirt,  or  metallic  flakes  in  and  around  mating  surfaces.   2. Connect  the  RF  coupler  coupled  (CPL)  connection  to  the  RF  input  of  the  DSA.   3. Connect  the  cable  from  the  TG  output  on  the  front  panel  of  the  DSA  to  the  output  (OUT)  of  the  coupler.   NOTE:  Leave  the  input  (IN)  of  the  coupler  open.  This  will  provide  100%  reflection  and  be  used  to   minimize  the  effects  of  the  cabling,  adapters,  and  coupler.      
  • 71.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  69   4. Configure  the  DSA  frequency  span  for  the  DUT.Correct  for  the  cabling,  adapters,  and  coupler  effects  by   storing  the  open  circuit  (no  DUT  =  Max  Reflection)  conditions  by  normalizing  the  current  setup.Enable   the  tracking  generator.     5. Connect  the  DUT  of  interest  to  the  coupler  input  (IN).     6. If  the  analyzer  is  equipped  with  markers,  select  a  marker  to  identify  your  location  on  the  trace.     The  minimum  value  displayed  on  the  DSA  is  the  return  loss  of  the  DUT.  Record  this  value  in  dB.        
  • 72.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  70   Calculations:    The  VSWR  can  be  calculated  by  the  following   a  =  Return  Loss  (dB)   r  =  Reflection  coefficient  of  the  DUT   s  =  VSWR   r  =  10^(-­‐0.05  *  a)   s  =  (1  +  |r|)  /  (1-­‐  |r|)     For  example,  if  measuring  an  antenna  with  the  following  parameters:   a  =  -­‐26.22  dB   r  =  10^(-­‐0.05  *  26.22)  =  10^(-­‐1.31)  =  0.05   The  result  is:   s  =  (1+0.05)  /  (1-­‐0.05)  =  1.11                      
  • 73.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  71     Chapter  6:  Common  Transmitter  Tests   RF  transmitters  are  classified  as  any  device  that  intentionally  sources  signals  in  the  RF  band  of  the   electromagnetic  spectrum.  The  main  role  of  the  transmitter  is  to  create  a  signal  with  specific  characteristics   (power,  frequency,  encoding/modulation)  and  deliver  it  to  a  receiver  that  can  “read”  the  signal.  Most   transmitters  are  wireless  in  nature.  AM/FM  radio  stations,  Bluetooth,  and  WiFi  hot  spots  are  examples  of   wireless  transmitters  that  use  air  as  a  transmission  medium.  But  some  RF  can  be  transmitted  by  wire:  cable   television  (CATV)  is  the  most  widely  used  wired  RF  transmitter  application.     Whether  wireless  or  wired,  the  main  requirements  remain  the  same.  The  transmitted  signal  must  have  the   proper  amplitude  in  the  proper  frequency  band  to  be  picked  up  by  the  receiver.  Measuring  transmitters  is   common  practice  throughout  the  design  process  and  is  also  used  to  monitor  existing  transmitters  to  ensure   that  the  signals  remain  in  their  specific  operating  bands.  For  example,  AM  and  FM  radio  stations  commonly   monitor  their  transmitters  to  ensure  that  they  are  operating  within  their  licensed  frequency  band.     This  section  will  describe  some  common  tests  that  can  be  used  to  verify  transmitter  performance,  then  build  on   those  ideas  by  citing  some  specific  tests  used  within  a  specific  transmission  type.       Output  Power     The  strength  of  an  RF  transmission  can  be  affected  by  many  outside  factors.  Imagine  all  the  different  materials   that  an  FM  radio  transmission  will  encounter  as  the  signal  leaves  the  radio  station  antenna  and  arrives  at  a   receiver.  The  signal  may  have  to  pass  through  glass,  drywall,  furniture,  trees,  and  even  people  before  it  reaches   its  intended  target.  Even  weather  conditions,  like  air  density,  humidity,  and  storms,  can  affect  the  transmission.   By  measuring  the  output  power,  it’s  possible  to  verify  the  signal  is  present  and  has  enough  power  to  be  picked   up  at  the  receiver.     The  output  power  is  simply  a  measure  of  the  transmitted  signal’s  strength.  Measuring  the  output  power   directly  at  the  transmitter  allows  verifying  if  the  transmitter  is  working  correctly.  If  all  is  well,  it’s  time  to  move   down  the  transmission  path  and  perform  remote  measurements  at  a  distance  from  the  transmitter,  using   antennas  in  place  of  the  cable  from  the  transmitter  to  the  measurement  instrument.    
  • 74.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  72     Figure  5-­‐1:  Transmitter  direct  output  measurement  using  a  cable  and  measurement  instrument.       Figure  5-­‐2:  Transmitter  remote  output  measurement  using  antennas  and  a  measurement  instrument.     A  simple  power  measurement  can  be  performed  using  a  dedicated  RF  power  meter  or  a  spectrum  analyzer.   Although  power  meters  tend  to  be  more  accurate,  they  often  have  a  longer  measurement  time  than  spectrum   analyzers.       Transmission  Band     The  transmission  frequency  is  another  important  measurement  that  must  be  performed  to  characterize  a   transmitter.  Testing  the  frequency  band  means  directly  measuring  the  frequency  (or  frequencies,  in  some   cases)  that  a  signal  is  occupying  in  the  RF  spectrum.  It’s  important  to  be  sure  that  the  transmission  signal  has   the  proper  frequency  to  be  detected  by  the  receiver  and  that  the  signal  is  not  interfering  in  frequency  bands   near  the  desired  frequency.     Signals  that  bleed  into  or  occupy  adjacent  bands  can  cause  interference  and  disturb  the  reception  of  the  signals   that  are  supposed  to  be  occupying  that  band.    
  • 75.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  73     AM  Transmission  Test   Amplitude  modulation  (AM)  is  a  common  method  of  adding  information  to  an  RF  signal.  The  amplitude  of  the   carrier  waveform  changes  proportionally  to  the  input  signal.  AM  is  typically  used  to  transmit  voice  information   and  was  the  primary  modulation  scheme  for  initial  research  in  radio  communications  in  the  early  twentieth   century.   In  the  time  domain,  a  typical  AM  signal  will  look  something  like  Figure  5-­‐3.     Figure  5-­‐3:  10MHz  carrier,  1kHz  modulation  AM  signal  on  a  scope.     In  this  case,  the  carrier  signal  has  a  frequency  of  10MHz  and  the  amplitude  modulation  is  set  to  1kHz.  Note  that   the  base  period  in  the  oscilloscope  display  in  Figure  5-­‐3  shows  periodic  beats,  or  nulls,  in  the  time-­‐based   waveform.  These  are  areas  where  the  carrier  amplitude  is  near  zero.  Note  that  the  beat  frequency  matches  the   amplitude  modulation  of  1kHz.      
  • 76.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  74   By  zooming  in  to  a  single  beat,  notice  that  the  carrier  waveform  is  still  present  at  10MHz  (Figure  5-­‐4).      Figure  5-­‐4:  10MHz  carrier,  1kHz  modulation  AM  signal  zoom  view  on  scope.     Although  it’s  possible  to  use  an  oscilloscope  to  verify  the  frequency  and  amplitude  of  an  AM  signal,  it  is  more   common  to  use  a  spectrum  analyzer.  The  analyzer  can  provide  a  better  impedance  match  and  obtain  a  more   accurate  measurement  of  the  performance  of  the  transmitter,  especially  with  signals  that  have  low  power  and   high  carrier  frequencies.   Here’s  how  to  perform  a  basic  AM  transmitter  test  using  a  spectrum  analyzer.     Required  Hardware:   • Spectrum  analyzer     • Transmitter   • Cables,  adapters,  or  antennas  to  connect  to  the  transmitter  and  analyzer  
  • 77.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  75   • An  external  attenuator  (optional)  may  be  required  to  limit  the  signal  power  that  is  directed  to  the   analyzer.     Test  Steps:   1. Connect  the  transmitter  to  the  cable/adapters  or  transmission  antenna.     NOTE:  Clean  the  surfaces  of  the  adapters  and  input  with  a  lint-­‐free  cloth  and  an  electronics  contact  cleaner  to   prevent  damage  and  ensure  repeatability.     2. Connect  the  other  end  of  the  cable/adapters  or  receiver  antenna  to  the  RF  input  of  the  spectrum   analyzer.     NOTE:  If  using  an  external  attenuator,  place  it  on  the  RF  input  of  the  analyzer.       3. Set  the  center  frequency  of  the  analyzer  to  the  carrier  frequency  of  the  input  signal.  In  the  example  in   Figure  5-­‐5,  a  900MHz  AM  transmission  is  being  monitored.       4. Set  the  analyzer  frequency  span  to  10¥  the  expected  modulation  frequency.  In  this  example,  the  carrier   is  modulating  at  1kHz,  so  the  span  should  be  set  to  10kHz.       5. Set  the  resolution  bandwidth  (RBW)  to  a  value  less  than  the  modulation  frequency.  In  Figure  5-­‐5,  the   RBW  is  set  to  100Hz.  If  an  RBW  close  to  the  modulation  frequency  is  used,  there  might  not  be  sufficient   resolution  to  see  the  modulation.    
  • 78.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  76     Figure  5-­‐5:  10MHz  carrier,  1kHz  modulation  AM  signal  on  a  spectrum  analyzer.     Delta  markers  are  enabled  to  show  the  frequency  and  amplitude  differences  between  the  carrier  and   modulation  peaks.  Note  that  the  center  peak  matches  the  carrier  frequency  of  900MHz  and  the  two  additional   peaks  are  1kHz  away  from  the  carrier.  It’s  also  possible  to  measure  the  power  of  the  signal.  In  this  case,  the   carrier  is  -­‐50dBm.     The  input  signal  in  this  case  was  modulated  with  a  fixed  1kHz  input.  With  an  AM  signal  modulated  by  audio  or   voice  information,  the  modulated  peaks  will  actually  vary  with  time.  Many  analyzers  have  a  few  features  that   can  help  with  these  real-­‐world  measurements.     If  the  instrument  is  so  equipped,  consider  enabling  the  Max  Hold  trace  type  (Figure  5-­‐6).  Max  Hold  traces  are   similar  to  histograms.  Each  frequency  bin  value  will  only  display  the  maximum  value.  This  value  will  remain  for   successive  scans  until  a  greater  value  is  measured  for  that  frequency  bin.  This  allows  the  analyzer  to  “build  up”   the  full  modulation  envelope  over  a  series  of  scans.    
  • 79.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  77     Figure  5-­‐6:  10MHz  carrier  with  varying  modulation  AM  signal  on  a  spectrum  analyzer.  The  yellow  trace    is  a  “Clear  Write”  trace  type.  The  pink  trace  is  a  “Max  Hold”  trace  type  that  was  built  over  successive  scans.     If  the  spectrum  analyzer  is  equipped  with  pass/fail  masking,  set  up  a  limit  mask  to  indicate  quickly  whether  a   particular  signal  is  within  the  test  limits,  as  shown  in  Figure  5-­‐7:     Figure  5-­‐7:  Spectrum  analyzer  showing  a  pass/fail  mask  on  an  AM  Max  Hold  trace    
  • 80.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  78     FM  Deviation   Frequency  modulation  (FM)  is  another  common  method  of  adding  information  to  an  RF  signal.  The  frequency  of   the  carrier  waveform  changes  proportionally  to  the  input  signal.  FM  is  typically  used  to  transmit  voice   information.   In  the  time  domain,  a  typical  FM  signal  will  look  like  Figure  5-­‐8:     Figure  5-­‐8:  10MHz  carrier,  1kHz  modulation  FM  signal  on  a  scope  with  persistence  on  to  help  show  frequency     modulations.       In  this  case,  the  carrier  signal  has  a  frequency  of  10MHz  and  the  frequency  modulation  is  set  to  1kHz.   Frequency  modulation  on  an  oscilloscope  can  be  difficult  to  capture  due  to  the  triggering  model  most  scopes   use.  In  order  to  visualize  the  modulations  of  the  frequency  components  of  the  incoming  signal,  it’s  necessary  to   lengthen  the  persistence  time  of  the  display.  Persistence  determines  the  length  of  time  that  a  waveform  is  held   on  the  display.  Longer  persistence  times  will  hold  waveforms  on  the  display  for  a  longer  period  of  time  and   allow  for  a  direct  comparison  of  waveforms  over  a  period  of  time.  As  shown  in  Figure  5-­‐8,  the  frequency  of  the  
  • 81.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  79   sine  wave  is  changing  with  time.  This  is  shown  by  the  wider  waveform  thickness  near  the  edges  of  the  displayed   waveform.     Due  to  their  constantly  changing  frequency,  FM  signals  are  difficult  to  analyze  on  an  oscilloscope,  even  one  with   FFT  analysis  capabilities.  Because  a  spectrum  analyzer  displays  frequency  information,  it  can  be  very  handy.   Follow  these  steps  to  perform  a  basic  FM  transmitter  test  using  a  spectrum  analyzer.   Required  Hardware:   • Spectrum  analyzer     • Transmitter   • Cables,  adapters,  or  antennas  to  connect  to  the  transmitter  and  analyzer   • An  external  attenuator  (optional)  may  be  required  to  limit  the  signal  power  that  is  directed  to  the   analyzer.   Test  Steps:   1. Connect  the  transmitter  to  the  cable/adapters  or  transmission  antenna.     NOTE:  Clean  the  surfaces  of  the  adapters  and  input  with  a  lint-­‐free  cloth  and  electronics  contact  cleaner   to  prevent  damage  and  ensure  repeatability.     2. Connect  the  other  end  of  the  cable/adapters  or  receiver  antenna  to  the  RF  input  of  the  spectrum   analyzer.     NOTE:  If  using  an  external  attenuator,  place  it  on  the  RF  input  of  the  analyzer.     3. Set  the  center  frequency  of  the  analyzer  to  the  carrier  frequency  of  the  input  signal.  In  the  example  in   Figure  5-­‐9,  a  100MHz  FM  transmission  is  being  monitored.       4. Set  the  analyzer  frequency  span  to  10¥  the  expected  modulation  frequency.  In  this  example,  the  carrier   is  being  modulated  at  1kHz,  so  the  span  is  set  to  10kHz.      
  • 82.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  80   5. Set  the  resolution  bandwidth  (RBW)  to  a  value  less  than  the  modulation  frequency.  In  the  Figure  5-­‐9,   the  RBW  is  set  to  100Hz.  If  an  RBW  close  to  the  modulation  frequency  is  used,  there  might  not  be   sufficient  resolution  to  see  the  modulation.        Figure  5-­‐9:  100MHz  carrier,  1kHz  modulation  FM  signal  on  a  spectrum  analyzer     The  input  signal  in  Figure  5-­‐9  was  modulated  with  a  fixed  1kHz  input.  A  real-­‐world  FM  signal  would  be   modulated  by  audio  or  voice  information  that  could  have  a  non-­‐linear  change  in  frequency.  This  would  cause   the  frequency  to  vary  with  time.  If  the  Max  Hold  trace  type  is  available,  it  can  be  enabled,  just  as  suggested   with  the  AM  signal.  The  FM  Frequency  Deviation  of  the  signal  can  be  measured  in  this  way  by  collecting  sweep   data  over  a  period  of  time.    
  • 83.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  81     Figure  5-­‐10:  100MHz  carrier  with  varying  modulation  FM  signal  on  a  spectrum  analyzer.  The  yellow  trace  is  a   “Clear  Write”  trace  type.  The  pink  trace  is  a  “Max  Hold”  trace  type  that  was  built  over  successive  scans.     FM  deviation  measurements  are  important  because  they  allow  visualizing  the  frequencies  being  used  for   transmission.  If  the  deviation  is  too  large,  the  transmission  may  interfere  with  nearby  channels.  By  monitoring   the  transmission,  adjustments  can  be  made  to  maintain  proper  transmission  characteristics  and  stay  within  the   proper  band.       Harmonics  and  Spurs   An  ideal  transmitter  would  deliver  the  exact  signal  intended,  with  no  additional  unwanted  components.   Unfortunately,  there  are  no  ideal  transmitters.  In  reality,  a  transmitter  can  have  undesirable  signal  components   like  excessive  harmonics  and  spurs.  Luckily,  there  are  a  few  ways  to  identify  and  minimize  them.     Transmitters  commonly  use  amplifiers  to  boost  the  signal  strength.  Unfortunately,  most  amplifier  designs  will   add  and  amplify  the  harmonics  of  the  output  signal.  Chapter  1  discussed  superposition  of  sinusoidal  waveforms   and  how  harmonics  of  a  sine  wave  can  be  built  up  to  create  different  waveform  shapes.  A  harmonic  is  simply  a   waveform  with  a  frequency  that  is  an  integer  value  of  the  intended  signals  frequency.  For  example,  for  a  sine  
  • 84.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  82   wave  with  a  fundamental  frequency  of  10MHz,  the  2nd  harmonic  is  a  20MHz  sine  wave  (Figure  5-­‐11).  The   second  harmonic  is  two  times  the  fundamental  frequency,  the  third  is  three  times,  etc.     Figure  5-­‐11:  An  oscilloscope  displaying  a  sine  wave  with  a  frequency  of  10MHz  (yellow)  and  another   sine  wave  with  a  frequency  of  20MHz  (light  blue).     Figure  5-­‐12  is  a  screen  capture  of  a  10MHz  sinewave  from  a  high  quality  RF  source.    
  • 85.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  83    Figure  5-­‐12:  10MHz  sine  input  into  a  spectrum  analyzer.  Note  1 st  and  2 nd  harmonics.     Note  that  the  2nd  harmonic  has  a  frequency  that  is  twice  the  fundamental  (20MHz)  and  the  third  peak  is  at   30MHz,  or  three  times  the  fundamental.  Even  though  the  source  was  programmed  to  source  an  output  at   10MHz,  there  are  still  some  additional  components  to  the  output  sinewave.     When  searching  for  harmonics,  it  is  important  to  widen  the  frequency  span  on  the  analyzer  in  order  to  capture   them.  If  the  fundamental  frequency  of  the  transmitter  is  100MHz,  it  may  be  wise  to  look  at  a  span  from   100MHz  to  500MHz  or  more,  in  order  to  capture  a  larger  span  of  potential  harmonics.     Harmonics  also  tend  to  be  significantly  lower  in  power  than  the  fundamental  frequency.  Note  how  the  power   level  drops  significantly  between  the  fundamental  (-­‐10dB)  and  the  harmonics  (-­‐64dBm,  -­‐73dBm)  in  Figure  5-­‐12.   This  can  make  them  difficult  to  capture  using  an  oscilloscope.  Lowering  the  RBW  value  and  using   preamplification  (if  available)  will  lower  the  noise  level  of  the  analyzer  and  help  to  isolate  these  low  powered   signals.     If  issues  with  excessive  harmonics  arise,  note  that  many  can  be  minimized  by  using  filters  or  alternative   transmitter  designs.     Spurious  emissions,  or  spurs,  can  also  be  problematic.  A  spur  is  typically  the  unwanted  result  of  nonlinear   components  in  a  circuit  or  transmission  path.  Nonlinear  components  include  amplifiers,  mixers,  and  diodes,  but   they  can  also  be  created  by  oxide  layers  on  the  mating  surfaces  of  cables  and  adapters.     Hunting  for  spurs  is  very  similar  to  hunting  for  harmonics.  Configure  the  spectrum  analyzer  span  to  cover  a   frequency  range  wide  enough  to  cover  the  expected  location  of  the  spurs  and  lower  the  noise  floor  by  using  the   RBW  and  preamplifier  (if  available).  Unfortunately,  spurs  can  be  caused  by  different  events.  This  leads  to  their   location  at  unexpected  frequencies,  not  even  multiples  of  a  fundamental  like  harmonics.     Many  spurs  are  products  of  intentional  or  unintentional  mixing  of  signals.  Investigating  areas  where  mixing   products  from  known  signals  is  a  good  starting  spot.  Chapter  3  addressed  mixers  and  mixing  products.  In  the   simplest  case,  a  mixer  takes  two  signals  as  inputs  and  the  resultant  output  contains  the  original  signals,  as  well   as  the  addition  and  subtraction  of  the  inputs.    
  • 86.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  84     Figure  5-­‐13:  A  simple  mixer.       The  best-­‐case  scenario  is  to  identify  the  cause  of  the  spurs  and  minimize  the  unwanted  components  by  filtering,   but  investigation  into  connector  torque  (the  “tightness”  of  a  connection)  and  the  cleanliness  of  physical   connections  can  also  be  helpful.                                                                                            
  • 87.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  85   Chapter  7:  Common  Receiver  Tests   An  RF  system’s  receiver  is  designed  to  collect  an  input  signal  at  a  specific  frequency,  filter  out  unwanted  signals,   and  demodulate  the  input  in  a  way  that  allows  analyzing  the  base  information.  A  typical  example  is  the  FM   radio.  Setting  the  channel  on  the  radio  dial  is  configuring  the  receiver  to  be  more  sensitive  to  the  channel  with   that  particular  base  frequency.  It  will  then  demodulate  the  audio  information  from  the  carrier,  and  play  the   audio  through  a  speaker.     Receivers  are  available  in  both  analog  (AM/FM  radio)  and  digital  (WiFi,  Bluetooth,  Zigbee)  types,  but  they  all   operate  on  similar  base  principles.  Figure  6-­‐1  is  a  generic  block  diagram  of  a  typical  receiver.       Figure  6-­‐1:  Block  diagram  of  a  typical  radio  receiver.  Note  that  other  receiver  types  are  similar  in  their  block   diagrams.  The  major  differences  are  the  demodulation  (analog  vs.  digital)  and  output  (speaker  vs.  data).       This  chapter  provides  a  brief  overview  of  each  element  in  a  typical  audio  receiver  and  presents  some  common   test  procedures  for  each,  moving  backward,  starting  at  the  speaker  and  ending  with  the  antenna.  In  real  life,  it’s   possible  to  jump  to  test  any  section  on  its  own,  but  this  backward  technique  allows  using  the  speaker  to   provide  instant  audible  feedback  when  stepping  through  each  design  area.     Receivers  typically  contain  filters  and  amplifiers  that  can  also  be  tested  individually  using  techniques  presented   in  chapter  4.  Review  those  sections  for  more  specific  tests  on  each  component,  if  desired.        
  • 88.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  86   The  Speaker  (Optional)   The  speaker  converts  electrical  signals  to  sound  waves.  The  easiest  method  of  testing  a  speaker  is  simply  to   connect  a  function  generator  to  the  speaker  inputs.  Function  generators  are  instruments  that  can  output   voltages  in  specific  waveform  shapes  like  Sinusoidal,  Square,  and  Ramp.  They  are  typically  low  power  (<1W),   but  they  should  have  enough  power  to  test  the  functionality  of  most  simple  speakers.     Required  Hardware:   • Function  or  arbitrary  waveform  generator  like  the  Rigol  DG1022  (Figure  6-­‐2)   • Cabling  to  connect  generator  to  the  speaker.  This  is  typically  a  BNC-­‐to-­‐alligator  connection.     Figure  6-­‐2:  An  arbitrary  waveform  function  generator.        
  • 89.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  87   Test  Steps:   1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.     2. Disconnect  the  speaker  wires  from  the  receiver.   3. Check  to  make  sure  the  speaker  connections  are  clear  of  any  contamination  or  dirt.  Clean  connectors   with  a  cotton  or  lint-­‐free  swab  and  an  electronics  contact  cleaner  like  DeoxIT®  D5  if  needed.  Allow   solvents  to  evaporate  before  turning  on  any  electrical  devices  nearby.   4. Connect  the  function  generator  output  to  the  speaker  input  wires.   5. On  the  generator,  set  the  waveform  to  Sine,  the  frequency  to  1kHz,  and  the  amplitude  to  1V  (peak-­‐to-­‐ peak)  and  listen  for  sounds  from  the  speaker.   6. OPTIONAL:  Adjust  the  frequency  and  voltage  of  the  generator  to  test  the  frequency  response  and   volume  of  the  speaker.  Humans  can  typically  hear  frequencies  from  20Hz  up  to  20kHz.     A  properly  working  speaker  should  have  a  noticeable  change  in  output  sound  when  the  frequency  and   amplitude  of  the  input  signal  are  adjusted.  If  the  speaker  does  not  have  sound  output,  it  may  need  to  be   replaced.       Audio  Amplifier  (Optional)   The  audio  amplifier  circuit  is  designed  to  take  the  low-­‐level  audio  signal  output  from  the  audio  decoder  and   amplify  the  power  so  that  the  signal  is  strong  enough  to  power  the  speaker.  If  the  audio  amplifier  is  not   working,  the  speaker  may  have  low  or  inaudible  output.     A  simple  functional  test  for  an  audio  amplifier  is  this:  Does  the  amplifier  take  a  small  input  signal  and  produce   an  output  signal  that  can  drive  the  speaker?  More  specific  tests  that  can  help  characterize  the  performance  of   an  amplifier  are  available  but  are  beyond  the  scope  of  this  document.     Required  Hardware:  
  • 90.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  88   • Audio  analyzer  or  oscilloscope  like  the  Rigol  DS1054Z   • Function  or  arbitrary  waveform  generator  like  the  Rigol  DG1022   Improving  Test  Steps:   1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.  Disconnect  the  audio  input  and  output  wires  from  the  audio  amplifier.     2. Connect  the  function  generator  to  the  amplifier  audio  inputs  and  set  the  generator  to  an  audio  tone   (1kHz  for  example)  at  a  low  voltage  (10mVp-­‐p  or  so)   3.     Connect  the  oscilloscope  to  the  amplifier  outputs.  A  speaker  can  also  be  used  in  place  of  the   oscilloscope,  to  hear  the  results  rather  than  see  them.     4.      Power  on  the  amplifier  and  turn  on  the  generator  and  scope.     5.     Configure  the  generator  to  output  a  sine  wave  at  2kHz  or  so.  The  audio  range  of  human  hearing  lies   from  20Hz  to  20kHz,  so  2kHz  offers  a  nice  starting  point.     6.      Enable  the  output  on  the  generator  and  observe  the  output  on  the  oscilloscope.  Start  with  a  small   voltage  output  on  the  generator  (10mV  or  less)  and  compare  this  to  the  output  of  the  amplifier  as   shown  on  the  oscilloscope.       The  output  frequency  measured  by  the  scope  should  match  the  input  frequency  from  the  generator  and  the   output  amplitude  should  be  higher.     Adjust  the  frequency  and  amplitude  of  the  generator  and  observe  the  output  on  the  scope.  If  the  output  signal   shows  excessive  distortion,  incorrect  frequencies,  or  excessive  noise,  it  may  require  repair  or  replacement.       Detector/Demodulator   The  detector  removes  the  carrier  RF  frequency  (the  channel  to  which  the  transmitter  is  tune)  and  passes  the   data  (or  audio)  through  to  the  next  stage.    
  • 91.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  89   The  simplest  test  to  perform  on  the  detector/demodulator  is  to  input  a  signal  at  the  receiver  IF  frequency   (determined  by  the  type  of  receiver  and  the  specific  design)  that  includes  the  modulation  type  for  the  receiver   type.  For  an  AM  receiver,  add  AM  modulated  audio.  For  FM  add  FM  modulated  audio.  For  data,  add  the  specific   data  modulation  type  to  the  RF  carrier.     In  any  case,  the  idea  is  the  same.  Deliver  a  known  test  signal  to  the  detector  and  monitor  the  output.       Required  Hardware:   • A  signal  source  capable  of  creating  the  modulated  signal  (AM,  FM,  or  data  type  that  matches  the   receiver  type)  at  the  IF  frequency  of  the  receiver.  This  could  be  a  single  instrument  or  it  could  be   combination  of  a  standalone  frequency  or  pattern  generator  coupled  with  an  RF  source  (Figure  6-­‐3).   Many  RF  sources  have  external  modulation  inputs  that  can  accept  a  modulated  input  signal  and  will  mix   it  with  an  RF  output.      
  • 92.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  90      Figure  6-­‐3:  A  Rigol  DG1022  arbitrary  waveform  generator  and  a  Rigol  DSG815  RF  Source.       • Oscilloscope  (optional).  Visually  verify  the  output  of  the  detector  stage  using  an  oscilloscope  if  there  is   no  audio  capability  with  the  receiver.  The  oscilloscope  can  also  be  used  to  check  the  data  output  visually   if  the  receiver  is  designed  for  data  transmission  as  well.   Test  Steps:   1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.    
  • 93.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  91   2. Configure  the  RF  source  to  output  the  proper  IF  signal;  this  includes  the  modulated  and  carrier  portions   of  the  signal.     3. Connect  the  RF  source  to  the  detector  input  and  set  it  to  an  appropriate  power  level  for  the  input  to  the   detector.   4. Enable  the  power  to  the  detector  and  output  for  the  RF  source.  The  output  signal  can  be  monitored   using  the  speaker  (if  applicable)  by  using  an  oscilloscope  to  verify  the  amplitude  and  waveform  output   from  the  detector  visually.       Selection  and  IF  Stages   The  intermediate  frequency  (IF)  and  selection  stages  are  responsible  for  filtering  the  desired  signal  from  the   unwanted  signals  brought  in  by  the  receiving  antenna,  separating  (or  demodulating)  the  data  (audio,  data,  or  a   combination)  from  the  RF  carrier,  and  presenting  the  data  to  the  next  stage  for  further  processing.  This  stage  is   outlined  in  orange  in  Figure  6-­‐4.     Not  all  receivers  have  this  specific  design.  Some  designs  incorporate  other  hardware  or  integrate  the   individual  components  shown  in  one  package.        Figure  6-­‐4:  Receiver  with  Selection  and  IF  sections  outlined  in  orange      
  • 94.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  92   IF  Amplification   The  input  signal  amplitude  can  be  decreased  significantly  in  the  IF  section.  To  make  demodulation  more   successful,  there  can  also  be  an  IF  amplification  stage.     Testing  the  IF  amplifier  is  simply  a  matter  of  sourcing  a  known  modulated  signal  and  carrier  into  the  amplifier   and  measuring  the  output.     Required  Hardware:   o A  signal  source  capable  of  creating  the  modulated  signal  (AM,  FM,  or  data  type  that  matches  the   receiver  type)  at  the  IF  frequency  of  the  receiver.  This  could  be  a  single  instrument  or  it  could  be  the   combination  of  a  standalone  frequency  or  pattern  generator  coupled  with  an  RF  source.  Many  RF   sources  have  external  modulation  inputs  that  can  accept  a  modulated  input  signal  and  will  mix  it  with  an   RF  output.     o Spectrum  analyzer,  oscilloscope,  or  the  previously  tested  portions  of  the  receiver  (Audio  detector,   Amplifier,  and  Speaker)  to  monitor  the  true  audio  output,  if  the  rest  of  the  system  has  tested  to  be   functioning  properly.     Test  Steps:   1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.   2.  Configure  the  RF  source  to  output  the  proper  IF  signal;  this  includes  the  modulated  and  carrier  portions   of  the  signal.     3. Connect  the  RF  source  to  the  detector  input  and  set  it  to  an  appropriate  power  level  for  the  input  to  the   amplifier.     NOTE:  Input  IF  signals  to  the  amplifier  are  typically  very  small  (-­‐100dBm).  If  the  RF  source  being  used  is   not  capable  of  output  amplitude  values  that  are  low  enough,  add  external  attenuation.  External  
  • 95.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  93   attenuation  is  also  useful  to  help  protect  the  spectrum  analyzer  input  if  the  amplifier  output  is  expected   to  be  high  enough  to  damage  the  input  of  the  spectrum  analyzer.       4. Enable  the  power  to  the  amplifier  and  output  for  the  RF  source.  The  output  signal  can  be  monitored   using  a  spectrum  analyzer  or  use  an  oscilloscope  to  verify  the  amplitude  and  waveform  output  from  the   amplifier  visually.       Local  Oscillator  (LO)     The  local  oscillator,  commonly  referred  to  as  the  LO,  provides  a  common  frequency  for  the  intermediate   frequency  (IF)  stage.  The  LO  should  be  stable  over  wide  environmental  shifts  in  temperature  as  well  as  time.  An   unstable  LO  can  cause  the  receiver  to  tune  incorrectly  or  not  function.     Testing  the  LO  is  as  simple  as  monitoring  the  output  frequency  using  a  spectrum  analyzer,  oscilloscope,  or   frequency  counter.       Required  Hardware:   • Spectrum  analyzer  or  oscilloscope   Test  Steps:     1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.     2. Connect  the  output  of  the  LO  to  the  input  of  the  spectrum  analyzer.   3. Configure  the  analyzer  center  frequency  to  correspond  to  the  expected  output  frequency  of  the  LO.     4. Apply  power  to  the  LO  and  check  the  output  frequency  and  amplitude  on  the  analyzer.  Compare  these   values  to  the  specifications  for  the  LO  being  tested.      
  • 96.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  94   If  the  analyzer  is  capable  of  performing  a  Max  Hold  trace,  enable  it  and  monitor  the  LO  over  a  period  of  time.   Max  Hold  traces  provide  a  histogram  of  the  input  over  successive  scans.  This  effectively  holds  maximum   amplitude  encountered  at  each  frequency  step  and  can  allow  identifying  drifting  LO  values.  Figure  6-­‐5  shows   the  drift  of  an  LO  over  time  captured  using  a  Max  Hold  (purple)  trace  over  a  period  of  time.  Note  that  the   frequency  of  this  oscillator  has  drifted  across  a  range  of  frequencies.         Figure  6-­‐5:  10MHz  LO  output  on  a  spectrum  analyzer.  The  yellow  trace  is  a  Clear  Write  trace  type.  The  purple  trace       is  a  Max  Hold  trace  type  showing  the  drift  of  the  LO  over  time.   If  the  LO  is  not  working  properly,  a  function  generator  set  to  the  LO  frequency  can  be  used  as  a  temporary   replacement  for  the  nonfunctional  LO  stage.  This  will  allow  troubleshooting  the  remaining  portions  of  the   receiver.     Frequency  Conversion/Mixer   The  main  function  of  the  frequency  conversion  stage  is  to  mix  the  input  signal  (RF  and  modulated  signal)  with   the  LO  and  convert  it  to  the  intermediate  frequency  (IF)  and  filter  out  unwanted  mixing  products.  This  is  similar   to  the  Mixer  and  IF  stage  of  the  swept  superheterodyne  spectrum  analyzer  discussed  in  chapter  3.  
  • 97.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  95   In  this  test,  an  RF  source  with  modulation  capabilities  (or  a  separate  function  generator  acting  as  the   modulation  input)  is  used  to  deliver  an  RF  signal  with  modulation  to  the  input  of  the  IF  section.  A  spectrum   analyzer  (or  the  previously  tested  receiver  sections,  if  functional)  is  used  to  check  the  performance  of  the  IF   stage.       Required  Hardware:   • A  signal  source  capable  of  creating  the  modulated  signal  (AM,  FM,  or  data  type  that  matches  the   receiver  type)  at  the  IF  frequency  of  the  receiver.  This  could  be  a  single  instrument  or  it  could  be  the   combination  of  a  standalone  frequency  or  pattern  generator  coupled  with  an  RF  source.  Many  RF   sources  have  external  modulation  inputs  that  can  accept  a  modulated  input  signal  and  will  mix  it  with  an   RF  output.     • Spectrum  analyzer     Improving  Test  Steps:   1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.     2. Configure  the  RF  source  to  output  the  proper  RF  signal;  this  includes  the  modulated  and  carrier  portions   of  the  signal.     3. Connect  the  RF  source  to  the  mixer  input  and  set  it  to  an  appropriate  power  level  for  the  input  to  the   amplifier.       NOTE:  The  input  signals  at  this  stage  typically  very  small  (-­‐100dBm).  If  the  RF  source  being  used  is  not   capable  of  output  amplitude  values  that  are  low  enough,  add  external  attenuation.  External   attenuation  can  also  help  protect  the  spectrum  analyzer  input  if  the  amplifier  output  is  expected  to  be   high  enough  to  damage  the  input  of  the  spectrum  analyzer.      
  • 98.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  96   4. Enable  the  power  to  the  amplifier  and  output  for  the  RF  source.  Monitor  the  output  signal  using  a   spectrum  analyzer  or  use  an  oscilloscope  to  verify  the  amplitude  and  waveform  output  from  the   amplifier  visually.       If  access  to  the  mixer/frequency  conversion  section  is  available,  a  spectrum  analyzer  with  a  tracking  generator   can  be  used  to  test  the  filter  performance,  as  outlined  in  the  Testing  Filters  section  of  chapter  4.     Selection/RF  Stage   The  selection  portion  of  a  receiver  is  a  tunable  filter  designed  to  accept  a  defined  frequency  and  reject  others   outside  of  the  selected  band.  A  properly  operating  selection  stage  should  allow  the  selected  frequency  through   and  reject  out-­‐of-­‐band  signals.       Required  Hardware:   • Spectrum  analyzer  with  a  tracking  generator.   Test  Steps:   1. Study  the  schematics  for  the  design.  Clearly  identify  high  voltages  and  ensure  adequate  shielding  from   any  high  voltage  areas.     2. Configure  the  tracking  generator  of  the  spectrum  analyzer  to  output  an  amplitude  appropriate  for  the   input  to  the  selection  stage.     3. Connect  the  tracking  generator  output  to  the  selection  stage  input.   4. Configure  the  spectrum  analyzer  to  scan  a  frequency  range  that  is  appropriate  to  the  selection  filter   setting  and  bandwidth.     5. Connect  the  output  of  the  selection  stage  to  the  tracking  generator.  
  • 99.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  97   6. Enable  the  tracking  generator  output  and  observe  the  output  of  the  selection  stage  on  the  spectrum   analyzer  display.       The  output  of  the  selection  stage  should  effectively  filter  any  out-­‐of-­‐band  frequencies  and  pass  in-­‐band   frequencies.  It’s  recommended  to  test  other  frequency  settings  on  the  selection  stage  by  changing  the  tuner  on   the  receiver  to  different  channels.  Remember  to  change  the  analyzer  frequency  scan  range  as  well  to  coincide   with  these  new  settings.         Antennas,Cabling,  and  Adapters   The  antenna  is  designed  to  collect  RF  signals  and  deliver  them  through  the  cable  to  the  receiver.  Antennas   come  in  many  shapes,  sizes,  and  materials.  They  can  be  general  purpose,  like  the  old  “rabbit  ears”  antennas   used  with  broadcast  television  or  they  can  be  ruggedized  and  designed  to  be  wavelength  or  directionally   specific.  Regardless  of  their  design,  antennas  are  built  to  transmit  or  receive  electromagnetic  radiation.     A  visual  inspection  of  the  antenna,  the  physical  mounting  hardware,  and  all  cables  and  connectors  can  go  a  long   way  towards  identifying  problem  areas  with  the  receiver.  Antennas  and  cables  that  are  outdoors  are  subject  to   wide  temperature  swings  and  constantly  changing  environmental  conditions.  Corrosion  and  weathering  can   lead  to  high  impedances,  open/broken  connections,  and  a  host  of  other  issues.     Additional  information  can  be  found  in  the  section  on  VSWR  testing  as  covered  in  the  components  section  of   chapter  4.   Thanks  to  Jeff  Covelli  (WA8SAJ)  for  his  assistance  on  this  chapter.          
  • 100.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  98           Chapter  8:  EMI   Much  of  the  previous  discussion  on  RF  signals  has  been  about  creating  or  receiving  some  sort  of   electromagnetic  signal  intentionally.  Radios,  WiFi  receivers,  Bluetooth  devices,  and  mobile  phones  are  all   examples  of  devices  that  are  intended  to  emit  or  receive  RF  signals.  A  host  of  other  devices  create  RF  signals  as   a  side  effect,  based  on  their  design.  The  processor  and  internal  digital  circuits  on  a  smart  phone  or  tablet  are   perfect  examples  of  this.     Many  processors  and  digital  communications  buses  are  rated  by  their  clock  speed.  Faster  clocks  generally   indicate  faster  performance.  Many  processors  feature  clocks  in  the  4–6GHz  range,  and  many  chip-­‐to-­‐chip   communications  on  the  circuit  board  are  into  the  hundreds  of  megahertz.  Signals  in  these  frequency  ranges  can   interfere  with  intentional  transmissions  in  these  frequency  bands  and  can  also  cause  other  devices  to  behave   erratically.  These  effects  aren’t  localized  to  processors  and  digital  buses.  Any  circuit  element  that  exhibits  sharp   rise  times,  square  pulse  edges,  or  transient  signals  can  emit  radiation  that  can  interfere  with  other  devices.     To  minimize  the  side  effects,  a  few  standard  measurements  can  be  performed  on  a  design.  This  chapter   introduces  test  methodologies  and  some  fundamental  first  steps  that  can  help  one  gain  a  better  understanding   of  some  common  electromagnetic  interference  (EMI)  tests.       Compliance  vs.  Pre-­‐Compliance   Almost  any  electronic  design  slated  for  commercial  use  is  subject  to  EMC  (electromagnetic  compatibility)   testing.  Any  company  intending  to  sell  a  product  must  ensure  that  it  is  tested  to  the  specifications  set  forth  by   the  regulatory  body  of  the  country  in  which  it  will  be  sold.  In  the  United  States,  the  Federal  Communications   Commission  (FCC)  specifies  rules  on  EMC  testing  using  guidelines  and  test  plans  developed  by  the  International   Special  Committee  on  Radio  Interference  (CISPR)  and  the  International  Electrotechnical  Commission  (IEC).  
  • 101.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  99   To  be  sold  legally,  a  sample  of  the  electronic  product  must  pass  a  series  of  specific  tests.  In  many  cases,   companies  can  self-­‐test  and  certify  that  the  product  meets  the  standard  limits,  but  they  must  have  detailed   reports  of  the  test  conditions  and  data.  Many  companies  choose  to  have  these  tests  performed  by  accredited   compliance  company.  Testing  that  meets  all  of  the  details  outlined  in  the  test  specifications  for  the  device  is   referred  to  as  compliance  testing.     Fully  compliant  tests  follow  the  guidelines  and  setup  exactly  and  the  results  can  be  used  to  certify  the  device   for  compliance  to  the  test  procedures.  However,  this  type  of  testing  can  be  expensive  and  may  require   specialized  test  environments  and  equipment  that  might  be  beyond  the  reach  of  many  companies.     One  method  to  lower  the  additional  costs  associated  with  ensuring  EMC  compliance  is  to  perform  EMC  testing   throughout  the  design  process,  well  before  sending  the  product  off  for  full  compliance  testing.  This  pre-­‐ compliance  testing  can  be  very  cost-­‐effective  and  can  be  tailored  to  match  the  conditions  used  for  compliance   testing  closely.  This  will  increase  the  company’s  confidence  in  passing  compliance  the  first  time,  lower  test   costs,  and  speed  time  to  market.     The  following  sections  introduce  pre-­‐compliance  test  methods  that  can  be  used  to  troubleshoot  a  design’s   potential  EMI-­‐related  issues.  Although  the  simple  tools  and  test  methods  described  can  ease  the  reader  into   the  world  of  EMI/EMC  testing,  there  is  much  more  that  can  be  learned  independently  about  full  compliance   testing.  Of  the  many  texts  available  for  independent  study,  we  recommend  Henry  Otts’s  Electromagnetic   Compatibility,  as  well  as  EMI  Troubleshooting  Cookbook  for  Product  Designers  by  André  and  Wyatt.     Measuring  Radiated  EMI/Near-­‐Field   An  unintentional  radiator  is  a  device  that  transmits  RF  as  a  byproduct  or  side  effect  of  its  intended  operation.  In   simple  terms,  an  unintentional  radiator  is  much  like  a  radio  transmitting  noise  across  multiple  stations  at  one   time.  These  radiated  transmissions  can  have  an  adverse  effect  on  other  devices  that  receive  this  undesired   signal.     One  common  test  is  to  measure  the  radiated  emission  of  a  product  by  placing  a  spectrum  analyzer  and  an   antenna  a  few  meters  away  from  it.  This  is  called  a  far-­‐field  radiated  emissions  test  (Figure  7-­‐1).  
  • 102.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  100     Figure  7-­‐1:  Simple  block  diagram  of  a  radiated  emissions  test.     In  this  test,  an  antenna  is  attached  to  a  spectrum  analyzer  and  measurements  are  performed  over  a  frequency   span  of  interest.  Although  the  idea  sounds  simple,  this  test  method  has  some  major  problems:     • Most  antennas  are  broadband.  That  is,  they  accept  a  wide  range  of  frequencies  and  do  not  differentiate   between  those  outside  of  the  test  area  and  the  actual  test  device.  This  makes  any  measurements   performed  using  an  antenna  very  susceptible  to  other  RF  signals  like  radio  stations,  WiFi,  etc.   • Other  environmental  factors  (metal  shelving,  desks,  people,  etc.)  can  also  adversely  affect  the   measurements.  This  can  be  due  to  reflections  and  absorption  of  the  signals  by  the  environment  and  can   make  repeatable  and  accurate  measurements  nearly  impossible.     Successfully  executing  fully  compliant  radiated  emissions  tests  involve  a  similar  setup,  but  they  also  require  the   use  of  test  areas  with  very  low  external  RF  sources  that  could  interfere  with  the  measurement.  Open  Air  Test   Sites  (OATS)  are  basically  open  test  areas  in  geographic  locations  that  feature  minimal  RF  signals…  such  as  an   open  prairie  in  the  middle  of  North  Dakota,  for  example.     OATS  facilities  were  very  popular  in  the  twentieth  century,  but  their  numbers  have  dwindled  due  to  the   exponential  increase  in  external  RF  sources.  At  that  time,  most  RF  was  produced  by  AM  and  FM  radio,  and  open   air  facilities  could  be  placed  in  areas  without  much  RF  interference.  Now,  with  WiFi,  mobile  phones,  and   Bluetooth  devices,  RF  signals  are  everywhere.     A  more  useful  solution  comes  in  the  form  of  special  test  chambers  that  attenuate  external  RF  signals  and   minimize  internal  RF  reflections.  These  anechoic  and  semi-­‐anechoic  chambers  provide  this  function  but  can  be  
  • 103.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  101   very  expensive.  A  small  semi-­‐anechoic  chamber  a  few  feet  wide  by  a  few  feet  tall  can  cost  $50,000  or  more,   which  in  most  cases  is  too  costly  for  infrequent  test  needs.     Near-­‐field  probing  is  a  test  technique  that  uses  special  probes  that  minimize  the  effects  of  stray  environmental   RF.  Near-­‐field  probes  typically  have  two  designs.  Magnetic-­‐field,  or  H-­‐field,  probes  feature  loops  that  help   couple  the  magnetic  fields  produced  by  time-­‐varying  currents.  Both  designs  are  very  sensitive  to  distance  from   the  source  of  the  radiation.  They  need  to  be  within  a  few  inches  of  most  sources  to  measure,  even  with  a  very   sensitive  analyzer  or  preamp  attached.        Figure  7-­‐2:  Rigol  NFP  Near  Field  EMC  probes.         The  simplest  test  is  to  configure  the  DSA  to  use  the  peak  detector  and  set  the  RBW  and  Span  for  the  area  of   interest  per  the  regulatory  requirements  for  the  device  being  tested.  Then  select  the  proper  E  or  H  probe  for   the  design  and  scan  over  the  surface  of  the  design.     Probe  orientation  (rotation,  distance)  is  also  important  to  consider.  The  probes  act  as  an  antenna,  picking  up   radiated  emissions  from  seams,  openings,  traces,  and  other  elements  that  could  be  emitting  RF.  A  thorough  
  • 104.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  102   scan  of  all  of  the  circuit  elements,  connectors,  knobs,  openings  in  the  case,  and  seams  is  crucial.  Figure  7-­‐4  shows   using  an  H-­‐field  probe  to  test  emitted  radiation.     For  the  first  pass,  configure  the  spectrum  analyzer  to  use  the  peak  detector.  This  will  provide  a  “worst-­‐case”   reading  on  the  radiated  RF  and  it  is  the  quickest  path  to  determining  the  problem  areas.  Larger  probes  will   allow  a  faster  scanning  rate,  albeit  with  less  spatial  resolution.   Once  problem  areas  are  identified,  a  few  common  techniques  allow  getting  more  details  on  them.  Whenever   possible,  select  a  spectrum  analyzer  that  has  the  standard  configuration  used  in  full  compliance  testing.  This   includes  a  quasi-­‐peak  detector  mode,  EMI  filter,  and  resolution  bandwidth  (RBW)  settings  that  match  the  full   test  requirements  specified  for  the  product.     This  type  of  setup  will  increase  testing  time  but  should  be  used  on  the  problem  areas.  A  full  compliance  test   utilizes  these  settings,  so  pre-­‐compliance  testing  with  this  configuration  will  provide  a  greater  degree  of   visibility  into  the  EMI  profile  of  a  design.     Many  instruments  also  support  storing  cable  and  antenna  correction  factors  that  will  make  it  possible  to  see   the  true  signal,  without  the  added  errors  from  the  setup.     The  next  step  in  radiated  testing  includes  using  antennas  in  place  of  the  near-­‐field  probes  and  a  rotating   platform  for  the  equipment  under  test  (EUT).  It  can  also  include  a  special  room  that  minimizes  environmental   factors  (semi-­‐anechoic).  These  setups  are  beyond  the  scope  of  this  document,  but  references  at  the  end  of  this   chapter  provide  good  references  for  the  details  of  that  setup.       Near-­‐Field  Probing  Setup   Board-­‐level  emission  testing  can  be  performed  using  a  spectrum  analyzer,  like  the  Rigol  DSA-­‐815  (9kHz  to   1.5GHz),  near-­‐field  electric  (E)  and  magnetic  (H)  probes,  and  the  appropriate  connecting  cable.    
  • 105.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  103      Figure  7-­‐3:  The  Rigol  DSA815-­‐TG  Spectrum  Analyzer.     Using  the  near-­‐field  probes  shown  in  Figure  7-­‐3  with  a  Rigol  spectrum  analyzer  requires  a  50Ω  cable  that   terminates  in  an  N-­‐type  connector  (spectrum  analyzer  end)  and  SMB  (probe  end).   It’s  also  possible  to  build  probes  by  removing  a  few  centimeters  of  outer  shield  and  insulator  from  a  semi-­‐rigid   RF  cable,  bending  it  into  a  loop,  and  dipping  in  plastic  tool  dip  or  other  insulating  material.  Larger  diameter   loops  will  pick  up  smaller  signals  but  do  not  have  as  much  spatial  resolution  as  smaller  diameter  loops.     For  the  first  pass,  configure  the  spectrum  analyzer  to  use  the  peak  detector.  This  setting  ensures  that  the   instrument  is  capturing  the  “worst-­‐case”  peak  RF.  It  also  provides  a  fast  scan  rate  to  minimize  the  time  spent  at   one  position  when  scanning  over  the  DUT.  Larger  probes  will  allow  for  a  faster  scanning  rate,  albeit  with  less   spatial  resolution.  Smaller  probes,  like  the  E-­‐field  probe,  provide  fine  spatial  resolution  and  can  be  used  to   detect  RF  on  single  pins  of  circuit  elements.     Probe  orientation  (rotation,  distance)  is  also  important  to  consider.  The  probes  act  as  an  antenna,  picking  up   radiated  emissions.  Exposing  the  loop  to  the  largest  perpendicular  field  possible  will  maximize  the  signal   strength.    
  • 106.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  104     Figure  7-­‐4:  An  example  of  using  an  H-­‐field  probe  and  spectrum  analyzer  to  find  trouble  spots     on  a  board.  Note  the  orientation  of  the  H-­‐field  probe       Take  care  to  test  enclosure  seams,  openings,  traces,  and  other  elements  that  could  be  emitting  RF  signals.  A   thorough  scan  of  all  of  the  circuit  elements,  connectors,  knobs,  openings  in  the  case,  and  seams  is  crucial  to   identifying  potential  areas  where  RF  can  “leak”  out  of  an  enclosure.    
  • 107.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  105     Figure  7-­‐5:  Measuring  a  display  ribbon  cable  for  emissions  using  an  H-­‐field  probe.       Use  tinfoil  or  conductive  tape  to  cover  suspected  problem  areas  like  vents,  covers,  doors,  seams,  and  cables   coming  through  an  enclosure.  Simply  test  the  area  without  the  foil  or  tape,  then  cover  the  suspected  area,  and   rescan  with  the  probe.     Once  problem  areas  have  been  identified,  implementing  a  few  common  techniques  can  provide  additional   detail.  If  possible,  select  a  spectrum  analyzer  that  has  the  standard  configuration  used  in  full  compliance   testing.  This  includes  a  quasi-­‐peak  detector  mode,  EMI  filter,  and  resolution  bandwidth  (RBW)  settings  that   match  the  full  test  requirements  specified  for  the  product.     This  type  of  setup  will  increase  testing  time  but  should  be  used  on  the  problem  areas.  A  full  compliance  test   utilizes  these  settings,  so  pre-­‐compliance  testing  with  this  configuration  will  provide  a  greater  degree  of   visibility  into  the  EMI  profile  of  a  design.     Tips   Near-­‐field  probes  and  a  spectrum  analyzer  can  be  useful  tools  in  troubleshooting  EMI  issues.     • With  H-­‐field  probes,  try  different  probe  orientations  to  help  isolate  problem  areas.  
  • 108.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  106   • Remember  to  probe  all  of  the  seams,  openings,  and  cutouts  around  the  enclosure  of  the  device.  Surface   contact  between  mating  parts,  as  well  as  the  finish  of  the  materials,  can  adversely  affect  the  grounding   and  shielding  properties  of  an  enclosure.   • Openings  radiate  just  like  solid  structures.  They  act  like  antennas.   • Ribbon  cables  and  cables/inputs  with  bad  shielding  and  grounds  are  common  causes  of  radiated   emissions.     Measuring  Conducted  EMI   Conducted  EMI  testing  requires  analyzing  the  RF  energy  that  is  coupled  from  the  instrument  or  test  circuit  to   the  main  power  line  to  which  it  is  connected.  RF  signals  traveling  down  the  power  line  can  cause  interference  in   the  AM  radio  transmission  bands.  In  order  to  minimize  this  interference,  it  is  important  to  quantify  the  RF   power  and  frequencies  that  a  product  produces  when  plugged  into  the  power  grid.   Like  radiated  EMI,  conducted  EMI  is  measured  using  a  spectrum  analyzer,  but  it  also  requires  a  transient  limiter   and  a  Linear  Impedance  Stabilization  Network  (LISN).  An  LISN  isolates  the  power  mains  from  the  equipment   under  test,  isolates  any  noise  generated  by  the  EUT,  and  couples  the  signals  generated  by  the  EUT  to  the   spectrum  analyzer.   As  with  emissions  testing,  the  best  start  is  a  scan  over  the  frequency  range  of  interest  using  the  peak  detector   on  the  spectrum  analyzer.  If  any  peaks  are  within  3dB  or  so  of  the  limit  line,  make  note  of  their  frequencies.   Then,  perform  a  quasi-­‐peak  scan  over  a  1MHz  span  centered  around  each  peak.  This  will  save  you   measurement  time  and  provide  a  more  accurate  representation  of  the  true  amplitude  of  the  RF  power  of  the   EMI.       Conducted  Emission  Measurement  Setup   The  more  closely  this  setup  matches  a  full  compliance  setup,  the  more  closely  the  data  acquired  will  match  with   the  lab.  However,  this  isn't  always  practical.     Figures  7-­‐6  and  7-­‐7  show  the  standard  suggested  electrical  and  physical  setups  for  testing  conducted    
  • 109.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  107   emissions:      Figure  7-­‐6:  Electrical  connections  for  conducted  EMC  testing.       Figure  7-­‐7:  Physical  connections  for  conducted  EMC  testing.        
  • 110.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  108    Here  are  the  key  points  to  remember:   6. The  horizontal  and  vertical  ground  planes  are  typically  sheets  of  metal  with  surface  areas  twice  the   dimensions  of  the  equipment-­‐under-­‐test.     7. The  horizontal  and  vertical  ground  planes  should  be  electrically  bonded  to  each  other.     8. Equipment  should  be  placed  on  an  insulated  table  over  the  horizontal  ground  plane.  No  equipment  or   cabling  should  run  below  the  equipment.     9. The  LISN  should  be  electrically  bonded  to  the  horizontal  ground  plane.  The  LISN’s  job  is  to  separate  the   AC  Mains  noise  from  the  conducted  noise  being  generated  by  the  equipment-­‐under-­‐test.  Select  a  LISN   that  has  the  proper  voltage,  current,  and  frequency  ranges  for  the  equipment-­‐under-­‐test.   10. Do  not  coil  cables;  minimize  inductive  loops  by  laying  cabling  out  smoothly.   11. The  spectrum  analyzer  should  be  placed  some  distance  away  from  the  horizontal  ground  plane,  typically   a  few  feet  away.       Test  Procedure   Once  the  EUT  is  set  up  and  bonded  the  LISN  and  ground  planes,  power  on  the  spectrum  analyzer  for  at  least  30   minutes  to  ensure  stability  and  accuracy.       Configure  Spectrum  Analyzer   • Option:  If  the  analyzer  has  settings  for  enabling  quasi-­‐peak  detection  as  well  as  the  FCC  resolution   bandwidths  of  200Hz,  9kHz,  and  120kHz,  they  can  be  used  to  obtain  data  that  could  more  accurately   represent  data  collected  during  true  compliance  tests.  Be  aware  that  quasi-­‐peak  detectors  can  take  a   much  longer  time  for  scan  completion.   • Set  resolution  bandwidth.   NOTE:  The  resolution  bandwidth  is  determined  by  the  standard  and  specific  device  type  under  test.  As   an  example,  FCC  subpart-­‐15  specifies  an  RBW  of  9kHz  when  testing  from  150kHz  to  30MHz.     • Consult  the  standards  to  which  the  product  or  circuit  is  being  tested  to  for  more  information  on  the   specifications  governing  the  testing  process.    
  • 111.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  109   NOTE:  Many  specifications  give  limits  and  values  in  dBµV  or  V.     • Optional:  Set  scale  for  volts  if  the  analyzer  has  that  capability.   NOTE:  Some  analyzers  have  pass/fail  features  that  allow  configuring  an  upper  limit  line.  This  can  be   useful  when  evaluating  the  frequency  scan  with  respect  to  the  limits  set  forth  by  the  EMC  standard  to   which  testing  is  being  performed.   • Any  limit  lines  can  be  saved  to  the  internal  storage.   • Set  detector  type  to  Positive  Peak.  The  positive  peak  detector  will  show  the  highest  value  and  provide   the  “worst-­‐case”  value  for  pre-­‐compliance  scans.     • Adding  an  external  transient  limiter  and  10dB  to  20dB  of  external  attenuation  is  recommended  to   minimize  the  likelihood  of  damage  to  the  sensitive  front  end  of  the  spectrum  analyzer.  The  attenuator   protects  the  input  circuit  from  any  unknown  signals  that  could  damage  the  input.  It  also  serves  as  a   convenient  check  on  overloading  after  checking  the  background  readings.     • The  DSA  has  protection  circuitry,  but  there  are  transients  that  are  too  fast  to  protect  against.     • Set  frequency  start,  stop  values  set  forth  in  the  EMC  Specifications  that  apply  to  the  product.     • Set  the  resolution  bandwidth  (RBW)  to  the  value  set  forth  in  the  EMC  Specifications  that  apply     Improving  Signal  Fidelity  Check  Background  Readings   • Power  up  LISN.   • Connect  the  spectrum  analyzer  to  the  LISN  output.   • Scan  over  the  frequency  band  of  interest  using  the  detector  set  to  “peak”  and  with  the  attenuator  set  to   10dB.   Peak  Test   • Disconnect  the  spectrum  analyzer  from  the  LISN.   • Connect  the  equipment-­‐under-­‐test  (EUT)  to  the  LISN.   • Reconnect  the  spectrum  analyzer  to  the  LISN.  This  process  helps  to  minimize  damage  to  the  spectrum   analyzer  due  to  transients  on  the  input.   • Observe  the  conducted  emissions  scan  and  adjust  the  attenuation  value  to  20dB.  If  the  line  does  not   change  for  different  attenuation  values,  then  it  is  likely  that  the  input  is  not  being  overloaded  the  input   and  the  measurement  quality  is  high,  so  it’s  safe  to  proceed  with  the  pre-­‐compliance  testing.    
  • 112.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  110     If  the  scan  changes  value  with  different  attenuation  settings,  then  it  is  likely  that  the  input  is  being   overloaded  with  broadband  power  and  additional  attenuation  is  recommended.  Try  comparing  scans  of   20dB  and  30dB,  etc.  until  a  range  without  variation  is  found.  The  objective  is  to  select  the  smallest   attenuation  value  that  does  not  show  errors  due  to  the  overloading  effects  of  the  input  signal.  In  the   worst  case,  the  EUT  may  not  be  able  to  be  tested  successfully  with  a  spectrum  analyzer,  so  a  true  EMI   receiver  with  pre-­‐selection  filters  might  be  needed.     • Observe  conducted  emissions  and  look  for  frequency  lines  that  are  above  the  limit  line  previously  set.   Make  note  of  the  frequencies  failing  the  limit  lines.     Quasi-­‐Peak  Scans   • Using  the  failed  frequencies  noted  previously,  adjust  the  spectrum  analyzer  to  center  the  failed  peak.     • Note  the  RBW  setting  for  the  scan,  and  make  the  frequency  span  twice  the  RBW  setting  used  for  the   peak  scan.  For  example,  if  there  is  an  over  limit  peak  at  10MHz,  and  an  RBW  of  120kHz,  center  the   quasi-­‐peak  scan  at  10MHz,  and  scan  from  9.88MHz  to  10.12MHz.  Optional:  Change  the  detector  type  to   quasi-­‐peak.   NOTE:  The  quasi-­‐peak  detector  is  based  on  charge  and  discharge  times  of  a  standardized  resonant   circuit.  This  detector  type  can  take  more  than  three  times  the  scan  time  of  a  peak  measurement.  That  is   why  it  is  best  to  use  quasi-­‐peak  only  over  short  spans.     • Compare  the  quasi-­‐peak  data  to  the  pass/fail  limit  line  for  that  frequency.     • It  is  advisable  to  keep  the  conducted  emissions  at  least  10dB  lower  than  the  specified  limit  line.  This   margin  of  error  will  increase  the  likelihood  of  passing  a  full  compliance  test.   • It  is  also  advisable  to  compare  the  pre-­‐compliance  data  and  setup  to  that  of  the  full  compliance  lab  that   will  perform  the  EMC  certification  testing.  This  will  make  it  easier  to  identify  any  problems  with  pre-­‐ compliance  testing.  More  comparisons  make  it  possible  to  hone  the  pre-­‐compliance  error  budget  and   allow  more  confidence  in  the  results  obtained.      
  • 113.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  111   Immunity  Testing     Products  that  contain  electronics  can  be  sensitive  to  radio  frequency  (RF)  interference.  Devices  that  experience   RF  interference  can  be  prone  to  improper  or  failed  operations.  Products  that  suffer  problems  when  exposed  to   RF  interference  are  said  to  be  susceptible  to  interference;  products  that  do  not  exhibit  issues  when  exposed  to   RF  interference  are  said  to  be  immune  to  interference.     RF  interference  can  cause:   • Scrambled  display  information   • Slow,  frozen,  or  locked  operations  (no  response  from  keys,  knobs)   • False  or  noisy  data   • System  reset  or  reboot   Design  analysis,  including  part  selection,  shielding,  and  cable  selection  is  the  first  step  in  creating  a  product  that   is  capable  of  operating  “as  expected”  under  a  certain  degree  of  RF  interference;  however,  testing  early  under   real-­‐world  conditions  is  one  sure  way  to  determine  if  a  design  is  susceptible  to  any  issues  with  RF.   The  following  section  illustrates  how  an  RF  generator  and  some  simple  tools  can  be  useful  in  identifying   weaknesses  in  a  product  design.       Radiated  Susceptibility   Radiated  susceptibility  tests  involve  observing  the  operation  of  a  device-­‐under-­‐test  (DUT)  while  it  is  being   subjected  to  a  known  RF  source.  The  signal  is  delivered  to  the  DUT  using  antennas  for  far-­‐field  testing  or  near-­‐ field  probes  for  board-­‐level  tests.   Most  radiated  susceptibility  regulations  are  based  on  IEC  61000-­‐4-­‐3,  which  defines  the  test  signals  range   from  80–1,000MHz.  This  signal  can  be  modulated  by  a  1kHz  AM  sine  wave  with  80%  modulation  depth.  The   modulated  signal  helps  to  identify  any  rectification  issues  within  sensitive  circuit  elements  quickly.     In  far-­‐field  tests,  an  RF  signal  source,  like  the  Rigol  DSG3000  or  DSG800  series,  is  connected  to  an  antenna  that   is  set  up  a  meter  or  two  from  the  DUT.  The  RF  source  is  then  configured  to  source  an  output  with  80%  AM  
  • 114.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  112   modulation  at  1kHz.  The  amplitude  should  be  set  as  high  as  possible,  and  the  carrier  frequency  can  be  set  at   9kHz.       NOTE:  The  DUT  should  be  configured  in  its  most  commonly  used  state.  All  cabling  (power,  I/O,  etc.)   should  be  connected  and  in  place.  Cables  can  act  like  antennas  and  can  directly  influence  performance.       Observe  the  DUT  for  any  functional  changes  or  issues  such  as  a  glitchy  or  noisy  display.  Now,  increase  the   carrier  frequency  and  check  the  DUT.  Step  the  center  frequency  of  the  generator  and  continue  to  observe  the   DUT,  making  note  of  the  carrier  frequencies  that  cause  issues  and  the  type  of  problems  observed.  After  the   stepping  up  to  1GHz  is  complete,  rotate  the  DUT  with  respect  to  the  antenna  and  re-­‐test  to  provide  a  more   thorough  test.       NOTE:  Antennas  should  only  be  used  in  shielded  anechoic  or  semi-­‐anechoic  chambers  to  prevent   interference  with  communications  and  emergency  broadcast  bands.  It  is  illegal  to  broadcast  over  many   frequency  bands  without  proper  licensing.       The  use  of  an  RF  source  like  the  Rigol  DSG3000  or  DSG800  series  offers  the  flexibility  to  adjust  the  wavelength,   power,  and  modulation  of  the  output  to  help  identify  problem  areas  quickly.  
  • 115.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  113     Figure  7-­‐8:  The  Rigol  DSG800  and  DSG3000  RF  Source.     Near-­‐field  testing  is  helpful  because  it  does  not  require  specialized  chambers  for  testing.  The  E-­‐  and  H-­‐field   probes  only  produce  strong  fields  at  distances  less  than  one  inch  from  the  tip  of  the  probe  and  do  not  radiate   efficiently  enough  to  cause  problems  with  broadcast  and  emergency  systems.  Their  small  size  also  allows   pinpointing  the  RF  at  specific  circuit  elements.     A  commercial  example  of  near-­‐field  probes  are  the  Rigol  probes  shown  in  Figure  7-­‐9.  
  • 116.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  114     Figure  7-­‐9:  Rigol  NFP  EMC  probes.  The  loops  are  H-­‐field  type.     The  RF  source  is  configured  exactly  as  in  the  far-­‐field  test,  but  this  time,  the  probe  tip  is  placed  very  close  to  the   circuit  or  elements  of  the  board  at  each  carrier  frequency.  While  scanning  across  the  circuit,  observe  the  DUT   and  be  sure  to  check  for  any  issues,  especially  near  sensitive  analog  circuitry.   Figures  7-­‐10  through  7-­‐12  show  what  happens  when  the  shielding  is  removed  from  an  oscilloscope  board  and   an  E-­‐field  probe  and  a  DSG3000  are  used  to  deliver  RF  signals  into  the  sensitive  analog  front  end.  Note  how,   with  the  shielding  removed,  the  RF  causes  data  corruption  and  changes  the  waveform  significantly.      
  • 117.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  115     Figure  7-­‐10:  Using  a  near-­‐field  probe  on  an  unshielded  oscilloscope  analog     input  circuit.        Figure  7-­‐11:  Oscilloscope  data  with  shielding  in  place.    
  • 118.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  116      Figure  7-­‐12:  Oscilloscope  data  without  shielding.       Additional  Testing   Another  useful  test  technique  is  to  use  a  current  probe  and  RF  source  to  deliver  RF  signals  to  cables  connected   to  the  DUT.  Cables  can  act  like  antennas  and  couple  undesired  signals  to  the  DUT.  This  setup  can  be  used  to   step  through  different  frequencies  and  check  the  susceptibility  of  a  design.  Commercial  current  probes  can  be   used,  but  an  acceptable  current  probe  can  be  built  using  a  snap-­‐on  ferrite  choke,  a  few  winds  of  insulated  wire,   some  epoxy,  and  a  BNC  connector  as  shown  in  Figure  7-­‐13.     Figure  7-­‐13:  Hand-­‐made  current  probe.  
  • 119.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  117     The  first  step  is  to  set  up  the  DUT  and  connect  all  of  the  cables  that  are  common  to  its  usage.  Configure  the   source  to  output  maximum  power  with  the  same  80%  1kHz  AM  modulation  that  was  suggested  previously  for   far-­‐  and  near-­‐field  tests  and  observe  the  DUT  for  problems.  Step  the  carrier  frequency  and  observe.  Perform   this  test  to  the  maximum  desired  frequency  and  repeat  the  process  on  each  cable  used  with  the  DUT.       NOTE:  Clamp  probes  should  only  be  used  in  shielded  anechoic  or  semi-­‐anechoic  chambers  to  prevent   interference  with  communications  and  emergency  broadcast  bands.  It  is  illegal  to  broadcast  over  many   frequency  bands  without  proper  licensing.     To  demonstrate  the  use  of  a  current  probe,  an  experiment  was  performed  on  a  USB-­‐powered  demonstration   board,  using  a  DSG3000  and  a  hand-­‐made  probe  clamped  to  a  non-­‐filtered  USB  cable  connected  to  the  board.   The  output  signal  was  monitored.       Figure  7-­‐14:  Injection  of  RF  to  an  unfiltered  USB  cable.      
  • 120.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  118   With  no  RF  applied,  the  data  was  smooth.       Figure  7-­‐15:  Sine  wave  from  board  without  RF  interference.     However,  when  an  RF  signal  was  applied,  the  output  began  to  show  signs  of  interference.  The  worst   interference  occurred  at  an  RF  carrier  frequency  of  110MHz,  as  shown  in  Figure  7-­‐16.       Figure  7-­‐16:  Noisy  data  showing  RF  interference  at  111.1MHz  due  to  injected  noise.    
  • 121.   RIGOL  –  Uncompromised  Performance...  Unprecedented  Value                                                                                                              PAGE  119        Figure  7-­‐17:  Zoomed  data  to  show  details.     In  conclusion,  an  RF  source  like  the  Rigol  DSG3000  or  DSG800  and  some  simple  tools  allow  testing  designs  for   immunity  issues  early  in  the  development  process,  saving  time  and  money.          
  • 122. RIGOL Technologies Inc. 8140 SW Nimbus Ave. Beaverton, OR 97008 877-4-RIGOL-1 info@rigol.com www.rigolna.com Distribute by : NIHON DENKEI