Толкование основных характеристик Анализатора Спектра в Реальном Времени. Часть 1

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с предлагаемыми Анализаторами спектра, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Анализаторы спектра являются основным инструментом, используемым инженерами радиочастот для измерения отдельных сигналов в определенном диапазоне частот. Они захватывают и отображают желаемые и нежелательные сигналы, позволяя выполнять ряд измерений, включая мощность, частоту, модуляцию и искажения. Существует несколько различных типов архитектур систем анализаторов спектра. В этой статье будет рассмотрена архитектура анализаторов спектра в реальном времени (RTSA), анализаторов спектра с качающейся частотой и векторных анализаторов сигналов, а также будут отмечены их относительные достоинства и недостатки. Анализ спектра в реальном времени позволяет анализатору спектра проводить непрерывный, без пропусков захват и анализ неуловимых и переходных сигналов, в то время как обычные анализаторы спектра и векторные анализаторы сигналов не обладают такой возможностью из-за своей конструкции. Анализатор спектра с качающейся частотой сканирует вход, качая свой гетеродин (LO) для понижения входного частотного диапазона до фиксированной промежуточной частоты (IF), которая затем фильтруется фильтром полосы пропускания разрешения (RBW) и обнаруживается. По мере качания гетеродина частоты входного сигнала эффективно пропускаются через фильтр RBW с фиксированной частотой. По сути, анализатор спектра может видеть только небольшую часть частотного диапазона в любой момент времени, поэтому сигнал виден только тогда, когда он появляется в фильтре RBW в нужное время и на нужной частоте. Он слеп к переходным сигналам, которые появляются, когда развёртка сканирует другую часть входного частотного диапазона (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема классического анализатора спектра с качающейся частотой. В современных анализаторах фильтрация полосы разрешения, а также обнаружение и отображение огибающей реализованы с помощью цифровой обработки сигнала.

Рисунок 2. Реакция анализатора спектра с качающейся частотой на переходные сигналы во время качания частоты.

Векторный анализатор сигналов преобразует интересующий сигнал в пределах определенной полосы пропускания в фиксированную частоту ПЧ. Аналоговый сигнал ПЧ оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и поток выборок временной области может использоваться для анализа области модуляции. Для анализа спектра выборки временной области преобразуются в спектр частотной области с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). БПФ обрабатывает блок выборок, который будет называться кадром выборки. Количество выборок в кадре выборки в этой заметке по применению называется размером кадра выборки или размером БПФ. Когда расчет БПФ завершен и результаты передаются на дисплей, приобретается следующий кадр выборки. Хотя гетеродин неподвижен, в отличие от анализатора спектра с разверткой, векторный анализатор сигналов не видит событий сигнала, происходящих во временном промежутке между кадрами выборки (рисунок 2).

Рисунок 3. Структурная схема упрощенного векторного анализатора сигналов и поток обработки сигналов.

Почти все современные анализаторы спектра сочетают в себе функции как традиционного анализатора спектра с разверткой, так и векторного анализатора сигналов. Если диапазон больше полосы анализа FFT, гетеродин будет пошагово сшивать несколько FFT для отображения спектра с желаемым диапазоном. Однако то, что отличает анализатор спектра RTSA, — это его способность непрерывно получать выборки сигнала и выполнять анализ FFT. Рисунок 3 иллюстрирует разницу. Анализаторы спектра без RTSA или векторные анализаторы сигналов, использующие анализ FFT, имеют последовательный поток процесса для получения выборок и вычисления FFT. Поток процесса RTSA является параллельным (рисунок 4), в том смысле, что он может получать новый кадр выборки, одновременно выполняя FFT на предыдущем кадре выборки. Эта параллельная обработка требует быстрого цифрового оборудования и большого буфера памяти. Анализаторы спектра RTSA, такие как решение Field Master Pro™ MS2090A от Anritsu, способны выполнять 527 тыс. FFT в секунду для 512-точечного FFT. Число точек FFT — это число частотных точек, которые охватывают полосу анализа FFT. Оно также равно числу выборок I/Q, собранных в кадре выборки. Чем больше точек, тем лучше разрешение по частоте, однако время вычисления FFT увеличивается.

Рисунок 4. Структурная схема анализатора спектра в реальном времени и поток обработки сигнала.

Ключевой метрикой производительности является вероятность перехвата (POI), определяемая как минимальная длительность сигнала, необходимая для точного измерения амплитуды непрерывного сигнала (CW). На POI влияют несколько факторов: скорость обработки FFT, частота дискретизации, перекрытие окон, RBW и диапазон. В следующем разделе будет объяснена взаимозависимость этих факторов и их влияние на POI.

Генерирование окон

Когда блок выборок собирается для анализа БПФ, математика БПФ предполагает, что сигнал во временной области является периодическим с периодом, равным длительности кадра выборки.

Рисунок 5. Применение БПФ к выборочному кадру без оконного преобразования может привести к утечке спектра.

На рисунке 5 показана простая синусоида, которая дискретизируется в течение временного интервала. Когда кадр выборки анализируется с помощью БПФ, выборки в начале и конце кадра выборки создают нежелательный разрыв, когда дискретизированный сигнал обрабатывается как периодический сигнал. Этот разрыв во временной области приводит к тому, что энергия частотной области рассеивается, а не концентрируется на частоте исходной синусоиды. Спектральная утечка также нежелательна в спектральном анализе БПФ, поскольку теряется возможность разрешать близко расположенные частотные компоненты с разными уровнями амплитуды. Кроме того, амплитуда сигнала больше не является точным представлением истинного уровня сигнала, поскольку энергия спектра рассредоточилась.

Чтобы устранить эти эффекты, выборки в кадре выборки умножаются на оконную функцию, которая плавно сужает выборки вблизи начала и конца кадра до нуля. Таким образом, когда эти измененные выборки представляются для анализа БПФ, периодическое расширение этого кадра выборки не имеет резкого разрыва, и утечка спектра уменьшается (рисунок 6).