Анализатор РЧ спектра. Как обойтись "малой кровью" при сложных режимах измерений

Какие есть доступные по цене анализаторы спектра?

Mr. Robert Mueller

На пенсии, работаю дома (2004–настоящее время)

Поищите на eBay анализаторы спектра стоимостью менее 150 долларов, работающие примерно до 4 ГГц. Их производительность, похоже, достаточно хороша для многих применений, и я считаю их ценной заменой подержанным приборам лабораторного исполнения с примерно такими же характеристиками, что и анализаторы на eBay, но которые (лабораторные) легко могут стоить несколько тысяч долларов. В то же время относительно простенькие SA  гораздо компактнее. Для их использования необходим компьютер, который обеспечит дисплей, питание и хотя бы часть управления через USB. Многие модели способны на большее и могут измерять передачу сигнала от входа к выходу для таких схем, как фильтры.

Одно предупреждение, которое не следует игнорировать: убедитесь, что вы сразу получите надлежащее программное обеспечение (ПО) или вам порекомендуют какое иное подходящее ПО. Будьте внимательны, если у вас нет адаптации к сайтами, использующими только китайский язык, иначе у вас могут возникнуть проблемы с загрузкой этого самого надлежащего программного обеспечения. Лично я рекомендую вам уточнить информацию перед оплатой за прибор и убедиться, что у вас есть опыт или помощь для доступа к ПО, что является ключевым компонентом всех ваших усилий. В описании на eBay некоторые устройства указаны в комплектации с маленьким CD-диском, и я подозреваю (не «знаю»!), что с ними проблем не будет. Довольно распространены заявления о том, что такое программное обеспечение не заслуживает доверия (вот и я совершил ошибку с таким ПО). Я потратил много времени, пытаясь разобраться, потому что «предлагаемое» ПО, похоже, было написано в спешке и так и не было доработано; оно выводило результаты на экран по мере сканирования спектра, но ничего полезного так и не отобразилось. У меня есть теории о том, что произошло, но они пока лишь домыслы, поэтому я оставлю их при себе. А вы – думайте сами. 

Если вы приобретёте устройство с программой WinNWT4000, результаты должны быть приемлемыми, но, пожалуйста, не думайте, что это единственно возможный вариант. Есть люди, которые пишут очень хорошее программное обеспечение и предлагают его бесплатно или, возможно, по разумным ценам за высокое качество работы. При должном уходе вы позже порадуетесь возможностям перечисленного выше комплекта оборудования и программного обеспечения к нему.

В целом, я очень доволен своим работоспособным устройством и считаю его выгодной покупкой: много мощности в компактном корпусе. Для анализа спектра звука можно просто скачать программу для анализа, которая работает вместе со звуковой картой на большинстве современных компьютеров. Эта программа охватывает обычный слышимый диапазон частот и обеспечивает хорошее разрешение по частоте и амплитуде. Я упоминаю об этом, потому что в первоначальном варианте ПО не даётся никакого представления о том, какой рабочий диапазон частот необходим, а два предложения на ПО охватывают два общих диапазона, но эти два предложения решают проблемы в своих заваленных на них областях, не имея особой возможности помочь в другой из двух или нескольких областей.

Зачем мы проводим спектральный анализ?

Наиболее естественный способ рассматривать сигналы — это во временной области, наблюдая за изменением амплитуды сигнала с течением времени, то есть во временном домене. Именно для этого используется осциллограф.

Любой сигнал, наблюдаемый во временной области, также имеет эквивалентное представление в частотной области. 

Любой сигнал состоит из множества компонентов разных частот!

Одним из распространённых примеров является прямоугольный сигнал. Он состоит из сигнала, включающего основную гармонику, а также третью, пятую, седьмую и т. д. гармоники в правильных пропорциях.

Использование анализатора спектра

Анализ сигналов в частотной области с помощью анализатора спектра позволяет анализировать такие аспекты, как гармонические и паразитные составляющие сигнала.

Также важна ширина сигнала после модуляции. Эти аспекты имеют особое значение для разработки источников радиочастотных сигналов, и особенно любых типов передатчиков, включая передатчики в сотовой связи, Wi-Fi и других радио- и беспроводных системах.

Излучение нежелательных сигналов будет создавать помехи для других пользователей радиочастотного спектра, поэтому крайне важно следить за тем, чтобы уровень нежелательных сигналов не превышал допустимый уровень, который можно контролировать с помощью конкретного анализатора спектра.

Что такое анализатор спектра? Очень кратко и для наглядности:

Тип инструмента тестирования:

Измеритель мощности: 

Частотные измерения (нет), Интенсивность / Амплитуда сигнала (да), Применение: для точных измерений общей составляющей мощности

Счётчик частоты:

Частотные измерения (да), Интенсивность / Амплитуда сигнала (нет), Применение: для высокоточных измерений доминантной частоты внутри сигнала

Анализатор спектра:

Частотные измерения (да), Интенсивность / Амплитуда сигнала (да), Применение: для отображение на экране спектра радиочастотного сигнала. Также может применяться для измерений мощности и частоты, хотя и не с такой точностью, как специально предназначенные для этого инструменты

Анализатор радиочастотной сети: 

Частотные измерения (да), Интенсивность / Амплитуда сигнала (да), Применение: анализ характеристик РЧ устройств

Ключевым фактором является то, что Анализатор спектра способен рассматривать сигналы в частотной области, то есть отображая спектр конкретного сигнала, можно увидеть множество новых аспектов этого сигнала.

Дисплей анализатора, как и у осциллографа, имеет две оси. Вертикальная ось анализатора спектра отображает уровень или амплитуду, а горизонтальная — частоту. Таким образом, при перемещении сканирования по горизонтальной оси на дисплее отображается уровень любого сигнала на данной частоте.

Это означает, что анализатор спектра, как следует из названия, анализирует спектр сигнала. Он отображает относительные уровни сигналов на различных частотах в диапазоне конкретной развёртки или сканирования.

Какие существуют типы анализаторов спектра?

Существует две основные категории анализаторов спектра: анализаторы с качающейся частотой и анализаторы в реальном времени. Как анализаторы с качающейся частотой, так и анализаторы в реальном времени существуют уже много лет. Однако за последнее десятилетие анализаторы спектра значительно усовершенствовались. Эти новые анализаторы спектра используют цифровую обработку сигналов для расширения возможностей измерений и значительного упрощения интерпретации результатов. Как анализаторы с качающейся частотой, так и анализаторы в реальном времени отображают амплитуду в зависимости от частоты. Однако то, как они обрабатывают и отображают эту информацию, зависит от типа анализатора. Анализатор спектра в реальном времени отображает энергию на всех частотных компонентах одновременно. Анализатор спектра с качающейся частотой отображает результаты измерений последовательно, другими словами, не в «реальном времени». Это связано с тем, что анализатор с качающейся частотой, по сути, использует один узкополосный фильтр, настроенный на весь диапазон частот для формирования спектра. Анализаторы с качающейся частотой традиционно использовались для высокочастотных приложений, например, 100 кГц и выше. Анализаторы в реальном времени обычно используются для низких частот, например, для измерения аудио-частот и х-к вибрации.

Mr. Eric Hakanson

Можно ли использовать сетевой анализатор в качестве анализатора спектра?

Возможно, при определённых обстоятельствах.

Во-первых, существуют продукты, специально разработанные для выполнения обеих функций. Это легко делать на звуковых частотах, но сложно на микроволновых. Пожалуй, самыми известными из них были HP 89410A/89441A.

Во-вторых, большинство современных векторных анализаторов цепей СВЧ имеют ступенчатую настройку. Если полоса обзора достаточно узкая, а полоса ПЧ достаточно широкая, это может работать. 

В-третьих, пользовательские интерфейсы, как правило, сильно различаются. Если в предыдущем абзаце упоминались «полоса обзора» и «полоса ПЧ». Вы часто не встретите эти термины в пользовательском интерфейсе векторного анализатора цепей. И что произойдёт, если вышеуказанные требования не будут выполнены? Это как если бы SPA работал в режиме детектирования отсчётов, поэтому большое количество сигналов могут быть пропущены.

В-четвёртых, существует МНОЖЕСТВО функций анализатора спектра, которых нет в векторных анализаторах цепей, и наоборот. Например, анализаторы цепей (SPA) обычно калибруются для измерения абсолютной амплитуды, в то время как векторные анализаторы цепей (VNA) имеют очень сложную локальную калибровку для измерения относительной амплитуды (хотя VNA часто калибруются локально по измерителю мощности для абсолютных измерений, это очень неудобно для использования в спектро-анализаторах). Векторные анализаторы цепей (VNA) часто имеют несколько приёмников и измеряют относительную фазу, в то время как SPA измеряют модуляцию. SPA обычно имеют режимы с нулевой полосой обзора; в векторном анализаторе цепей (VNA) может не быть эквивалента (хотя я не удивлюсь, если найду эквивалент в векторном анализаторе цепей с другим названием, но, вероятно, без синхронизации).

В-пятых, в векторных анализаторах цепей (VNA) всегда есть источник, а часто и несколько. Каналы VNA обычно синхронизированы по фазе с этими источниками. Обычно существуют тестовые наборы для маршрутизации сигналов, но они не имеют смысла для анализа спектра.

Кроме того, существует множество более тонких различий, часто зависящих от конкретного прибора.

Eric Hakanson

Бакалавр наук в области электротехники, Политехнический университет Вирджинии (выпуск 1979 г.)

При использовании SA как узнать, какая частота используется для какого приложения?

Есть несколько способов, и ни один из них не прост. Вот некоторые из них:

1. Несущая частота в сравнении с частотами, выделенными для данного местоположения государственными органами. Иногда идентифицировать несущую легко, так как она выделяется. В других случаях определить точную несущую сложно, так как она скрыта шумоподобной модуляцией. Похоже, что все остальные ответы направлены именно на этот метод. Одним из ограничений этого метода является то, что диапазоны частот могут иметь несколько выделений. Это работает, если сигналы можно разделить либо расстоянием, либо усилением антенны, либо другим способом. В США, например, существует два совершенно разных набора выделений: один от FCC для коммерческого и индивидуального использования, а другой от NTIA для государственного использования. Конечно, между ними существует некоторая координация, но я уверен, что она не идеальна.

2. Обратите внимание на форму спектра, включая ширину. С практикой вы научитесь различать разные типы модуляции. Например, AM-радио сильно отличается от сотовой связи LTE. Функция Max Hold может в этом помочь.

3. Посмотрите на отображение нулевой полосы обзора. Это может дать больше информации, например, об изменениях амплитуды. AM будет выглядеть совсем иначе, чем FM, которая, в свою очередь, будет выглядеть совсем иначе, чем FSK, например. Будьте внимательны с выбором полосы разрешения (RBW), чтобы получить весь сигнал и ничего больше (что может быть невозможно). Изменяйте временную шкалу, чтобы получить дополнительную информацию; например, сигналы радаров часто содержат как информацию об импульсах, так и информацию о диаграмме направленности антенны/скорости сканирования.

4. Иногда использование спектрограммы может дать дополнительные подсказки, поскольку они отображают временную и частотную области на одном графике.

5. Демодулируйте сигнал. Современные анализаторы спектра часто имеют набор функций демодуляции, обычно опционально. Если вы сможете демодулировать сигнал с помощью одного из них, вы поймете, какой это сигнал. Иногда можно демодулировать его вплоть до аудио или даже видео.

6. Наряду с анализатором спектра могут использоваться и другие источники информации, например, Википедия для получения информации о распределении частот сотовой связи и других сетей, а также тестовый режим, доступный во многих сотовых телефонах. 

 Как снизить уровень отображаемого шума на анализаторе спектра?

Здесь есть несколько довольно хороших ответов, но ни один из них не является исчерпывающим. Как участник нескольких команд разработчиков высокопроизводительных анализаторов, я считаю (без ложной скромности), что достаточно квалифицирован для этого. 

Вот список, который, надеюсь, будет исчерпывающим:

1. Уменьшите ослабление входного сигнала анализатора. Имейте в виду, что это увеличит искажения сигналов и часто приводит к плохому согласованию импеданса, увеличивая амплитудную неопределенность и ухудшая неравномерность АЧХ.

2. Регулировка опорного уровня анализатора может сместить уровень шума на несколько дБ, поскольку коэффициент шума усилителей ПЧ может немного меняться в зависимости от настройки усиления (если используется переменное усиление — некоторые анализаторы делают это полностью цифровым способом).

3. Включите предусилитель анализатора, если он есть. Остерегайтесь сильных сигналов, которые могут перегрузить предусилитель; если они есть, отфильтруйте их, если это возможно.

4. Используйте внешний предусилитель, сфокусированный на сигнале, если это интересно. Коэффициент шума анализаторов спектра обычно составляет около 10 дБ. Действительно хороший внешний предусилитель может обеспечить 1 дБ. Для измерения амплитуды необходимо компенсировать усиление внешнего предусилителя.

5. Уменьшите уровень шума внешнего предусилителя, максимально охладив его. В радиотелескопах часто используются предусилители, охлаждаемые жидким гелием, для достижения минимального уровня шума. Обратите внимание, что уровень шума обычно определяется как KTB, где K — постоянная Больцмана, T — температура, а B — ширина полосы пропускания. Таким образом, снижение температуры с 300 К (примерно комнатной температуры) до 3 К (примерно температуры жидкого гелия) даёт снижение шума на 20 дБ.

6. Обратите внимание, что по крайней мере один известный мне высококлассный анализатор имеет режим для значительно лучшего коэффициента шума предусилителя (КШ), поэтому прочтите руководство к анализатору и включите этот режим, если он есть.

7. Для CW-сигналов уменьшите полосу разрешения (ППР).

8. Для импульсных сигналов в аналоговом анализаторе увеличение ППР может улучшить отношение сигнал/шум (ОСШ). Удивительно, но этого не происходит ни на одном анализаторе с цифровой ПЧ, который я пробовал. 9. Для шумоподобных сигналов определите, какое разрешение по полосе пропускания (RBW) обеспечивает наилучшее отношение сигнал/шум. Коэффициент шума (NF) фильтров разрешения по полосе пропускания может немного варьироваться. Возможно, он составляет всего около дБ, но часто отличается от нуля.

10. Если сигнал стационарен (т.е. среднее значение не меняется), проверьте, можно ли использовать «компенсацию шума». Это усредняет шум до стабильного значения, затем усредняет сигнал и вычитает из него шум.

11. Уменьшение полосы пропускания видеосигнала (VBW) или усреднение трасс уменьшает дисперсию шума, что снижает пики шума, что может помочь обнаружить сигнал. Отношение RBW к VBW, равное примерно 10, часто обеспечивает самую высокую скорость развёртки для заданного минимального сигнала, который можно использовать. Иногда для этого лучше всего уменьшить VBW и использовать усреднение трасс.

12. Найдите способ получить больше сигнала, чтобы улучшить отношение сигнал/шум (что обычно важно) для имеющегося сигнала. Это может быть, например, использование кабеля с низкими потерями, добавление усилителя рядом с источником или использование антенны с более высоким коэффициентом усиления. Иногда может помочь простое приближение к источнику.

13. Иногда может помочь временная селекция импульсного сигнала, поскольку шум, возникающий при отсутствии сигнала, не учитывается.

14. Устраните внешние источники шума или помех. Другой ответ довольно хорошо раскрывает эту сложную тему. Иногда это можно сделать, проведя измерения в другое время суток, когда другие сигналы отсутствуют.

15. Купите или арендуйте более качественный анализатор.

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик Анализаторов Спектра в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/analizatory-radiochastotnogo-spektra

Поставки со склада и под заказ