Анализаторы спектра реального времени

В статье рассматриваются основные сведения об анализаторах спектра реального времени, которые открывают новую веху в анализе сигналов.

Никита Болдырев, руководитель направления радиоизмерительного оборудования, nb@dipaul.ru

Теория Фурье гласит, что любое электрическое явление во временной области состоит из одной или нескольких синусоидальных волн с соответствующими частотами, амплитудами и фазами. Таким образом, можно преобразовать сигнал во временной области в его эквивалент в частотной области. Измерения в частотной области показывают количество энергии на каждой конкретной частоте.

Во многих случаях частотная область гораздо удобнее для определения гармонического состава сигнала. Те, кто занимаются связью, радиолокацией, радионавигацией и телеметрией, очень заинтересованы в определении внеполосного и паразитного излучений, наличия гармоник несущего сигнала. Инженеры и техники также часто обеспокоены искажением сообщений, транслирующихся с модуляцией несущего сигнала. Интермодуляция 3-го порядка (т. е. две составляющие сложного сигнала, модулирующие друг друга) причиняет много хлопот, если компоненты искажения надлежащим образом не отфильтрованы и попадают в заданную полосу частот. Устройством для наблюдения за спектром является анализатор спектра или (все более часто употребляемое обозначение для современных приборов) анализатор сигналов (АС). Основными параметрами АС являются:

• частотный диапазон (до 1 ТГц компании Keysight);
• чувствительность;
• полоса анализа сигнала (до 1 ГГц, N9040B Keysight);
• точностные характеристики (погрешность амплитудная и фазовая);
• динамический диапазон;
• искажения (в западной литературе используется понятие точки пересечения по интермодуляционным составляющим 3-го порядка – TOI);
• полоса анализа сигнала.

Анализаторы функционируют в терагерцовом частотном диапазоне. Чувствительность и точность – те параметры, которые постоянно улучшаются. За последнее десятилетие задачи по увеличению полосы и реализации анализа в реальном времени приобрели большую актуальность, и такая тенденция продолжается. Связано это с развитием широкополосных систем связи, радиолокации и РЭБ, с использованием систем с множественным доступом, в которых несущие сигналов меняются во времени. Для детального понимания анализа сигнала в режиме реального времени необходимо рассмотреть эволюцию архитектуры анализаторов сигналов.

Свипирующий анализатор спектра

В свипирующих анализаторах (см. рис. 1) зависимость мощности от частоты определяется путем преобразования исследуемого сигнала с понижением частоты и его свипирования в пределах полосы пропускания фильтра промежуточной частоты (ПЧ), называемой полосой разрешения (RBW).

Рис. 1. Структурная схема свипирующего анализатора

Детектор, включенный за фильтром ПЧ, вычисляет амплитуду на каждой частоте выбранной полосы обзора. Такое решение обеспечивает широкий динамический диапазон, но обладает существенным недостатком: в каждый момент времени амплитуду можно вычислить только на одной частоте. Данный подход основан на допущении, что в течение полного свипирования измеряемый сигнал остается практически неизменным. Следовательно, достоверные измерения можно получить только для относительно стабильных входных сигналов. При резких изменениях сигнала возможен пропуск некоторых из этих изменений.

Как видно из рисунка 2, свипирующий анализатор спектра анализирует частотный сегмент Fa, тогда как кратковременное изменение в спектре происходит в сегменте Fb (изображение слева). Когда свипирование достигает сегмента Fb, это событие прекращается, не будучи обнаруженным (изображение справа).

Рис. 2. Свипирующий анализатор спектра позволяет просматривать последовательность частотных сегментов

Поскольку свипирующие анализаторы спектра не могут надежно регистрировать подобные явления, при их использовании для исследования радиочастоты сигналов большинства современных средств связи нельзя рассчитывать на высокую производительность. Помимо пропуска кратковременных сигналов, имеется вероятность неправильного представления спектра импульсных сигналов, используемых в современных системах радиосвязи и РЛС. Свипирующие анализаторы обеспечивают спектр импульсного сигнала только при многократном свипировании.

Векторные анализаторы сигналов

При анализе сигналов с цифровой модуляцией для получения информации об амплитуде и фазе сигнала необходимы векторные измерения. Упрощенная структурная схема векторного анализатора сигналов (VSA) приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Векторный анализ спектра

Векторный анализатор преобразует входной РЧ-сигнал в цифровую форму в пределах полосы пропускания прибора и записывает в память информацию об амплитуде и фазе преобразованного сигнала, которая используется цифровым сигнальным процессором для демодуляции, обработки и отображения результатов измерений АЦП. Входящий в состав векторных анализаторов сигналов АЦП оцифровывает широкополосный сигнал ПЧ, после чего преобразование с понижением частоты, фильтрация и детектирование выполняются цифровым способом. Алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ) применяются для преобразования из временной области в частотную. Векторный анализатор измеряет параметры модуляции, например девиацию частоты ЧМ-сигнала, мощность в кодовой области, амплитуду вектора ошибки (EVM) и диаграмму созвездий. Кроме того, с помощью векторного анализатора сигналов можно отображать мощность в канале, ее зависимость от времени и спектрограммы. Несмотря на возможность сохранения осциллограмм в памяти, векторный анализатор имеет ограниченные функции анализа кратковременных переходных процессов. В режиме автоматической развертки, обычном для таких анализаторов, захваченные сигналы перед обработкой должны заноситься в память. При последовательной обработке пакетов данных прибор не реагирует на события, появляющиеся между моментами регистрации данных. Это затрудняет и даже делает невозможным обнаружение одиночных или редких событий.

Анализаторы спектра реального времени

Термин "реальное время" появился на ранних этапах цифрового моделирования физических систем. Анализ сигналов в режиме реального времени предполагает выполнение операций анализа со скоростью, достаточной для точной обработки всех составляющих сигнала в интересующей полосе частот. Для этого необходимо соблюдение следующих условий:

• частота дискретизации входного сигнала отвечает критерию Котельникова (частота дискретизации должна минимум в два раза превышать заданную полосу пропускания);
• все измерения выполняются непрерывно и достаточно быстро, чтобы отслеживать изменения входного сигнала.

Архитектура анализатора спектра реального времени (RTSA) рассчитана на решение проблем, связанных с невозможностью использования свипирующего и векторного анализаторов спектра для анализа динамических РЧ-сигналов и переходных процессов (см. рис. 4).

Рис. 4. Структурная схема анализатор спектра реального времени

RTSA анализирует сигнал с использованием цифровой обработки сигналов (DSP) перед занесением данных в память, что коренным образом отличается от обработки после захвата сигналов, заложенной в архитектуру векторного анализатора. Обработка в реальном времени позволяет обнаруживать события, которые не могут регистрироваться анализаторами с другой архитектурой, и выполнять запуск по этим событиям, чтобы избирательно сохранять данные в памяти.

На рисунке 5 представлен спектр сигнала в свипирующем анализаторе и в реальном времени. Отличие в рассматриваемом случае далеко не только в цвете, сколько в детализации структуры эфира и спектра.

Рис. 5. Спектр сигнала: а) в свипирующем анализаторе; б) в реальном времени

Какие возможности открывает анализ в реальном времени и где он необходим?

• Системы с множественным доступом, в которых несущие информационных сигналов могут менять частоту несколько сотен раз в секунду. ППРЧ (псевдослучайная перестройка рабочей частоты) используется как в военной, так и гражданской сферах: сигнал, передающийся с использованием этого метода, устойчив к глушению.
• Анализ переходных процессов. Анализ сигнальных аномалий, зачастую позволяющий идентифицировать причину возникновения неисправностей, среди которых могут быть частотные ограничения средств передачи сигналов (когда отфильтровываются высокочастотные составляющие сигнала), неправильная конструкция печатных узлов, трактов передачи сигнала, некорректная работа интегральных и дискретных компонентов.
• Определение характеристик радиолокационных и импульсных сигналов. Радары, работающие в импульсном режиме, передают сигналы в течение очень короткого времени и применяют скачкообразную перестройку частоты. Чтобы зарегистрировать такой сигнал и выставить помеху, необходимо обнаруживать слабые сигналы очень малой длительности.

Таким образом, анализаторы спектра реального времени открывают новую веху в анализе сигналов и позволяют обнаруживать события, которые еще вчера остались бы непознанными.

Инженеры, использующие WiFi, Bluetooth и другие современные ВЧ технологии, сталкиваются с комплексом проблем, например, сигналы со скачкообразной перестройкой частоты, конфликты частотных каналов и частотная интерференция. Анализаторы спектра реального времени, позволяющие непрерывно во времени выполнять ВЧ анализ спектра, облегчают мониторинг и исследование характеристик таких сложных ВЧ систем. Анализаторы спектра реального времени серии RSA5000 сочетает в себе лучшие на текущий момент возможности (100% захват событий до 7.45 мкс), богатство режимов отображения данных и расширенные дополнительные функции запуска, позволяющие пользователю быстро захватывать, идентифицировать и анализировать такие сложные сигналы.

• Технология Ultra-Real
• Два режима работы: анализатор спектра (GPSA) и анализатор спектра реального времени (RTSA)
• Частота: до 6.5 ГГц
• Минимальный отображаемый средний уровень шумов (DANL): меньше -165 дБм (типовое)
• Фазовый шум: меньше -108 дБн/Гц (типовое)
• Погрешность измерения амплитуды: меньше 0.8 дБ
• Следящий генератор 6.5 ГГц
• Наилучшее разрешение по частоте (RBW) 1 Гц
• Фильтр ЭМС и квазипиковый детектор
• Разнообразие функций измерения
• Полоса реального времени до 40 МГц (опционально), базовая комплектация 25 МГц
• Разнообразие режимов запуска и запуск по маске
• Плотность, спектрограмма и другие режимы отображения результатов измерений
• Программное обеспечение для персонального компьютера PC (опционально)
• Дисплей 10.1 дюйма, сенсорный емкостной экран, поддержка жестов пальцами
• USB, LAN, HDMI и другие коммуникационные и прочие интерфейсы

Особенности технологии Ultra-Real:

Анализ спектра без слепого времени
Непрерывная регистрация данных сигнала в полосе частот реального времени
Непрерывный анализ спектра, отсутствие слепых зон по времени

Запуск по частотной маске (FMT)
Запуск по частотной маске (FMT) для измерения случайных и переходных процессов на спектрограмме

Сложные режимы отображения
Спектрограмма без слепого времени отображает изменение спектрального состава сигналов
Режим отображения плотности позволяет визуализировать, как часто по времени появляются сигналы.

Характеристики и особенности анализаторов спектра реального времени Rigol серии RSA5000:

При использовании дополнительного предусилителя минимальный отображаемый средний уровень шумов (DANL) меньше -165 дБм
Позволяет видеть малые сигналы (гармоники, источники помех) и облегчает поиск неисправностей как в режиме анализатора спектра последовательного типа, так и в режиме анализатора спектра реального времени.

При использовании дополнительного предусилителя RSA5000 позволяет увидеть сигналы вплоть до уровня -165 дБм. Кроме выявления в спектре малых сигналов, это позволяет более точно оценить все характеристики критичных компонентов ВЧ приемопередающих систем, включая аттенюаторы, фильтры, смесители и антенны.

Наилучшее разрешение по частоте 1 Гц (RBW)
Обеспечивает высокую разрешающую способность для локализации сигналов с близкими частотами. Это позволяет легче идентифицировать сигнал для оценки характеристик и расширенных измерений.

Выявление близких по частоте сигналов при анализе спектра часто имеет решающее значение при проверке многих устройств и ВЧ систем. Анализаторы спектра реального времени Rigol серии RSA5000 позволяют получать спектр сигнала с разрешением по частоте (RBW) до 1 Гц, обеспечивая более детальное исследование сигналов с близкими частотами.

Время для развертки до 1 мс
Время для развертки до 1 мс позволяет быстро идентифицировать интересующий сигнал.

Экспресс-оценка широкого спектра для интересующих сигналов и выявление признаков интерференции или нежелательных источников излучения сигналов может занять много времени, поскольку длительность излучения сигнала у многих таких источников становится все более короткой. Анализаторы спектра реального времени Rigol серии RSA5000 позволяют выполнить развертку спектра всего за 1 мс. Это позволяет захватить большинство сигналов уже при первом проходе и быстро получить более полное представление о нежелательных источниках излучения сигналов даже без дополнительного использования режима анализатора спектра реального времени.

Полоса реального времени до 40 МГц
За один проход без дополнительных настроек визуализация широкой полосы и сигналов со скачкообразной перестройкой частоты позволяет быстрее и проще выявлять и анализировать сигналы.

Время, затрачиваемое на отладку, является критичным ресурсом при любом новом проектировании. Отладка ВЧ систем – это сложная задача. Расширение полосы реального времени для анализаторов спектра Rigol серии RSA5000 с опцией RSA5000-BW40 до 40 МГц позволяет быстрее и проще захватить и выявлять особенности сигналов в широкой полосе при одной настройке анализатора спектра.

100% захват событий длительностью до 7.45 мкс
Гарантированный захват и точность измерения мощности импульсного сигнала с продолжительностью передачи до 7.45 мкс.

Вероятность перехвата импульсного сигнала является важным параметром для любого серьезного анализатора спектра реального времени и единственным способом оценить возможность точного измерения мощности сигнала с короткой продолжительностью. У многих анализаторов реального времени это значение не указано или зависит от используемого компьютера. В то время как платформа RSA5000 на базе полосы реального времени и возможностей разрешения по частоте (RBW) обеспечивает 100% захват событий длительностью до 7.45 мкс. Использование анализатора с такими характеристиками позволяет уверенно фиксировать и производить измерения мощности у сигналов с короткой продолжительностью.

7 режимов визуализации для режима реального времени
Расширенные возможности отладки и анализа объединены в данных приборах с разнообразными режимами визуализации, например: нормальный, плотность, спектрограмма или мощность в зависимости от времени.

7 режимов визуализации RSA5000 в режиме реального времени позволяет легче захватить, выявить особенности и анализировать ВЧ сигналы. Режимы визуализации: мощность в зависимости от времени или спектрограмма показывают, как сигнал изменяется с течением времени при единичном захвате или в результате нескольких последовательных захватов. Режимы визуализации: нормальный режим и плотность показывают распределение мощности в диапазоне частот с различной трассировкой и параметрами детектирования или вероятность появления сигнала. Сочетание возможностей визуализации с использованием маркеров и различных режимов запуска делает приборы серии RSA5000 гибким инструментом для отладки и анализа спектра в режиме реального времени высокочастотных систем.

Мощные возможности запуска
Регистрация интересующих определенных сигналов по частотной маске, запуск по мощности или использование внешнего запуска для корреляции по времени цифровых сигналов расширяет возможности анализа спектра для дополнительного анализа.

Гибкость возможностей запуска важна для отладки в реальном времени ВЧ систем. При оценке задержки и воздействия потребляемой мощности это позволяет соотнести время событий с внутренними процессами, а также выполнить поиск первопричин нежелательных сигналов или ошибок. Анализатор спектра Rigol серии RSA5000 сочетает в себе мощные возможности запуска по частотной маске и запуска по мощности сигнала с наличием входа и выхода пускового сигнала, а также выхода, воспроизводящего полосу реального времени на несущей 430 МГц. Все эти перспективные возможности анализа спектра появятся на рабочем столе инженера с приобретением анализатора спектра реального времени Rigol серии RSA5000.

Следящий генератор и измерение КСВН
Использование следящего генератора (опция) позволяет проверять кабели, антенны, фильтры и активные компоненты. Функция измерения КСВН автоматизирует измерение параметров стоячей волны.

Модели RSA5000-TG имеют опцию встроенного следящего генератора и автоматизированного измерения КСВН. Следящий генератор с устанавливаемой амплитудой выходного сигнала от -40 до 0 дБм позволяет выполнять сканирование от 100 кГц до максимальной частоты анализатора спектра. Измерения КСВН требуют подключения с помощью моста или непосредственно подключения к анализатору. Изготовитель предлагает дополнительно приобрести для измерения КСВН VB1040 или VB1080.

Гибкие варианты использования
Возможность использования кнопок передней панели, сенсорного экрана, клавиатуры/мыши/монитора и персонального компьютера с ПО дистанционного управления в любой комбинации позволяет удовлетворить любые задачи и предпочтения заказчика.

Анализатор спектра Rigol серии RSA5000 позволяет полностью управлять прибором с помощью мыши и клавиатуры, подключить внешний монитор через порт HDMI. Этот анализатор идеально подходит для рабочего места инженера. Оператор также может управлять прибором, используя традиционные регуляторы и кнопки, или использовать для управления сенсорный экран. Гибкость использования и сочетание возможностей управления делают работу с прибором интуитивно понятной и эффективной даже на этапе ознакомления.

Фильтры для ЭМС и квазипиковые детекторы
Стандартные фильтры 6 дБ для ЭМС, а также квазипиковые детекторы.

Тестирование и отладка на ЭМС – это важный этап в любом проекте по разработке электроники. Используйте фильтры ЭМС и детекторы для анализа вызывающих беспокойство частот перед отправкой вашего изделия для испытаний. Если уровень излучения слишком высок, можно легко переключиться на режим реального времени для дальнейшего изучения характеристик сигнала и выявить причину помех. Дополнительно приобретите и установите программное обеспечение S1210 EMI PreCompliance для полного тестирования ЭМС на базе персонального компьютера, а также для выполнения отладки приобретите дополнительно набор пробников ближнего поля NFP-3.

Откройте невидимое

• Обзор
• Модели
• Опции

• Диапазон частот от 10 Гц до 7 ГГц, 13,6 ГГц, 30 ГГц или 40 ГГц
• Ширина полосы анализа в реальном масштабе времени 40 МГц
• Запуск по частотным маскам

R&S ® FSVR сочетает полнофункциональный анализатор спектра и сигналов с анализатором спектра реального масштаба времени. В режиме реального масштаба времени прибор R&S ® FSVR непрерывно измеряет и отображает спектр во временной области с полосой обзора до 40 МГц. В результате он захватывает все события для анализа независимо от того, насколько кратковременным может быть событие.

• Анализ спектра в реальном масштабе времени до 40 ГГц
• Полнофункциональный анализатор сигналов и спектра
• Простое и интуитивно-понятное управление с помощью сенсорного экрана

• Диапазон частот от 10 кГц до 7 ГГц, 13,6 ГГц, 30 ГГц или 40 ГГц
• Ширина полосы анализа в реальном масштабе времени 40 МГц

• Спектр с функцией послесвечения
• Отображение спектрограммы
• Отображение зависимости мощности от времени

Запуск по частотным маскам

Измерительные приложения для стандартов сотовой связи, стандартов беспроводной связи и общих целей, например измерения фазового шума, коэффициента шума, векторного анализа сигналов и т. д.

Диапазон частот до 110 ГГц с R&S ® FSVR30 или R&S ® FSVR40, опцией R&S ® FSV-B21 и гармоническими смесителями R&S ® FS-Z60/-Z75/-Z90/-Z110

R&S ® FSVR сочетает полнофункциональный анализатор спектра и сигналов с анализатором спектра реального масштаба времени. В режиме реального масштаба времени прибор R&S ® FSVR непрерывно измеряет и отображает спектр во временной области с полосой обзора до 40 МГц. В результате он захватывает все события для анализа независимо от того, насколько кратковременным может быть событие.

Особенности и преимущества

• Анализ спектра в реальном масштабе времени до 40 ГГц

• Функция спектрограммы для непрерывного отображения спектра во временной области
• Запуск по частотной маске (FMT) для запуска измерения при возникновении отдельных случайных событий в спектре
• Режим послесвечения для визуализации частоты возникновения сигналов
• Зависимость мощности от времени для анализа изменения сигналов по продолжительности/времени
• Потоковая передача I/Q-данных в реальном масштабе времени для записи ВЧ-последовательностей

• Развертка по частоте в полном диапазоне частот от 10 Гц до 40 ГГц в течение всего нескольких миллисекунд
• Увеличение максимальной входной частоты до 110 ГГц с использованием внешних смесителей
• Выдающаяся точность измерения уровня до 7 ГГц
• Великолепный динамический диапазон и низкий фазовый шум
• Высокая скорость измерения
• Функции измерения мощности и статистической оценки для анализа сигналов с цифровой модуляцией
• Универсальный маркер и функции анализа кривых
• Программные опции для измерения коэффициента шума или фазового шума
• Общий векторный анализ сигналов (VSA) и специальные опции анализа для GSM/EDGE, WCDMA/HSPA+, LTE, WiMAX ™ , WLAN, а также методы аналоговой модуляции
• Большая глубина памяти для I/Q-данных

• Управление с помощью сенсорного экрана: использование пальца в качества указателя мыши
• Быстрый доступ ко всем важным функциям
• Функция встроенной справки
• Функция отмены/повтора

• Удобная настройка опций на месте
• Простое масштабирование для учета требований конкретных приложений
• Регулярные обновления встроенного ПО

“WiMAX Forum” является зарегистрированным товарным знаком организации WiMAX Forum. “WiMAX”, логотип WiMAX Forum, “WiMAX Forum Certified” и логотип WiMAX Forum Certified представляют собой товарные знаки организации WiMAX Forum.

“>