Может, попытаться обойтись без этого самого "реального времени"? . Часть 2

ГЛАВА 2. Работа анализатора спектра в реальном масштабе времени

Современные анализаторы спектра в реальном масштабе времени способны регистрировать сигнал в любой полосе частот (диапазоне) в пределах входного диапазона частот анализатора. Эта возможность реализуется за счет преобразователя частоты радиосигналов с понижением частоты и широкополосного тракта промежуточной частоты (ПЧ). Сигнал ПЧ преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП, и дальнейший анализ производится в цифровом виде. Преобразование из временной области в частотную выполняется с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ); последующая обработка позволяет представлять сигнал в виде спектрограмм, кодограмм и другими способами.
Удачная схема анализатора реального времени отличается некоторыми основными характеристиками. 
► АЦП, обеспечивающий преобразование в цифровую форму сигнал во всей полосе частот реального времени с точностью, достаточной для выполнения нужных измерений. 
► Встроенная система анализа сигнала, обеспечивающая несколько совпадающих по времени представлений исследуемого сигнала.
► Объем памяти захвата и мощность средств цифровой обработки сигнала, достаточные для непрерывной регистрации сигнала в реальном масштабе времени в течение заданного интервала.
► Мощность средств цифровой обработки сигнала, достаточная для обеспечения синхронизации в частотной области в реальном масштабе времени.
В этой главе приведено несколько структурных схем основных блоков регистрации и анализа, применяемых в анализаторе спектра в реальном масштабе времени Tektronix. Описание некоторых дополнительных функций (второстепенных блоков синхронизации, контроллеров клавиатуры и дисплея и т. п.) опущено для упрощения изложения.

Цифровая обработка сигналов в анализаторах спектра в реальном масштабе времени

В анализаторах спектра в реальном масштабе времени Tektronix применяется сочетание аналоговой и цифровой обработки сигнала для преобразования радиосигналов в результаты калиброванных и синхронных измерений в нескольких областях. В этом разделе описана цифровая часть тракта обработки сигнала в анализаторе спектра в реальном масштабе времени.

Рис.2-1. Блок-схема цифрового преобразования сигналов в анализаторе спектра в реальном масштабе времени

На рис. 2-1 изображены основные блоки цифровой обработки, используемые в анализаторах серии Tektronix RSA. Аналоговый сигнал ПЧ пропускается через полосовой фильтр и преобразуется в цифровую форму. В процессе преобразования с понижением частоты и прореживания аналого-цифровые выборки сигнала преобразуются в потоки синфазной (I) и квадратурной (Q) составляющих сигнала модуляции. Блок синхронизации обнаруживает состояния сигнала, по которым производится управление регистрацией и временными соотношениями. Aодулирующие сигналы I и Q, а также информация синхронизации используются в системе цифровой обработки модулирующего сигнала для выполнения спектрального анализа на основе БПФ, анализа модуляции, измерения мощности, измерения временных соотношений и статистического анализа.

Рис.2-2. Блок-схема цифрового преобразователя с понижением частоты

Преобразователь ПЧ в цифровую форму

В анализаторах спектра в реальном масштабе времени Tektronix обычно производится преобразование в цифровую форму сигнала в полосе частот с центром, лежащим на промежуточной частоте (ПЧ). Эта полоса частот (диапазон) соответствует самой высокой частоте. для которой возможен анализ в реальном масштабе времени. Выполнение преобразования в цифровую форму на ПЧ, а не на постоянном токе или частоте модуляции, дает некоторые преимущества при цифровой обработке сигнала (избирательность по побочному каналу, подавление постоянной составляющей, расширение динамического диапазона и т. п.), но при этом требуются дополнительные вычисления для фильтрации и анализа по сравнению с непосредственной обработкой. В анализаторах спектра в реальном масштабе времени Tektronix для преобразования ПЧ в сигналы модуляции I и Q с эффективной частотой выборки, достаточной для выбранного диапазона частот, используется цифровой преобразователь с понижением частоты (рис. 2-2) и устройство прореживания.

Цифровой преобразователь с понижением частоты

Преобразование сигнала ПЧ в цифровую форму производится с частотой выборки FS. Затем преобразованный в цифровую форму сигнал ПЧ подается на цифровой преобразователь с понижением частоты. Цифровой генератор, имеющийся в преобразователе, генерирует синусоидальный и косинусоидальный сигналы на центральной частоте исследуемого диапазона. Производится цифровое перемножение синусоидального и косинусоидального сигнала с ПЧ, преобразованной в цифровую форму, в результате чего генерируются потоки выборок огибающей I и Q, содержащие всю информацию, имеющуюся в исходном сигнале ПЧ. Затем потоки I и Q пропускаются через низкочастотные фильтры с регулируемой полосой пропускания. Частота среза низкочастотных фильтров изменяется в зависимости от выбранного диапазона.

Квадратурные модулирующие сигналы (I и Q)

На рис. 2-3 изображен процесс выделения полосы частот и преобразования его в модулирующий сигнал с помощью квадратурного преобразования с понижением частоты. Исходный сигнал ПЧ занимает полосу частот от полутора частот выборки до частоты выборки. Во время выборки создается образ сигнала, лежащий в полосе частот от нуля до половины частоты выборки. Затем сигнал перемножается с когерентными синусоидальным и косинусоидальным сигналами, лежащими в центре исследуемой полосы частот. В результате получаются сигналы модуляции I и Q. Модулирующие сигналы имеют действительные значения и симметричны относительно начала координат. В положительных и отрицательных частотах содержится одна и та же информация. В этих двух сигналах содержится вся информация, наличествующая в исходном модулирующем сигнале. Теперь минимальная необходимая частота модуляции составляет половину от исходной частоты модуляции. Затем можно проредить эти отсчеты вдвое.

Рис.2-3. Данные, относящиеся к полосе частот, хранятся в потоках I и Q, даже при вдвое меньшей частоте дискретизации

Прореживание

Согласно теореме Найквиста (Котельникова — прим. перев.) для отображения сигнала в заданной полосе частот достаточно делать выборки с частотой, вдвое превышающей верхнюю частоту исследуемого диапазона. Время и частота являются взаимно обратными величинами. Для изучения низкочастотных сигналов необходимо наблюдать их на значительных интервалах времени. Прореживание используется для достижения равновесия между диапазоном, временем обработки, длиной записи и использованием памяти.
Например, в анализаторах серии Tektronix RSA3300A при преобразовании в цифровую форму сигнала с полосой частот 15 МГц используется частота выборки АЦП 51,2 Мвыб/с. Эффективная частота выборки сигналов I и Q для этого 15-МГц диапазона, полученных после цифрового преобразования с понижением частоты, фильтрации и прореживания, равна половине исходной частоты выборки, то есть 25,6 Мвыб/с. суммарное количество выборок не изменилось, поскольку вместо одного набора выборок с частотой дискретизации 51,2 Мвыб/с сохраняется два набора выборок с эффективной частотой 25,6 Мвыб/с каждый. Дальнейшее прореживание производится для более узких диапазонов частот; в результате более продолжительная во времени запись занимает то же число выборок. Недостатком уменьшения эффективной частоты выборки является снижение разрешения по времени. Преимуществом уменьшения эффективной частоты выборки является сокращение объема вычислений и размера используемой памяти для записи с заданной продолжительностью, как показано в табл. 2-1.

Таблица 2-1. Некоторые значения диапазона, прореживания и эффективной частоты дискретизации (Tektronix RSA3300A и WCA200A)

Влияние частоты выборки во временной и частотной областях

Прореживание, используемое для уменьшения эффективной частоты дискретизации, оказывает влияние на важные параметры измерений в частотной и временной областях. Примеры с широким и узким диапазоном частот показаны на рис. 2-4 и рис. 2-5. Более подробное описание и дополнительные примеры приведены в главе 4, в разделе часто задаваемых вопросов.В широкой полосе частот захвата отображается широкий диапазон частот с относительно низким разрешением в частотной области. По сравнению с более узкими полосами частот захвата частота выборки выше, а полоса частот разрешения шире. Во временной области длина кадра меньше, а разрешение по времени выше. Длина записи в смысле количества сохраненных выборок остается той же самой, но это число выборок представляет меньший отрезок времени. На рис. 2-4 изображен захват сигнала в широкой полосе частот,а в табл. 2-2 приведен реальный пример.

Таблица 2-2. Сравнение влияния изменения диапазона на представление сигнала во временной и частотной областях (Tektronix RSA3300A и WCA200A)

В узкой полосе частот, наоборот, отображается малый диапазон частот с большим разрешением в частотной области. По сравнению с более широкими полосами частот захвата частота выборки ниже, а полоса частот разрешения уже. Во временной области длина кадра больше, разрешение по времени ниже, а доступная длина записи соответствует большему промежутку времени. На рис. 2-5 изображен захват сигнала в узкой полосе частот, а в табл. 2-2 приведен реальный пример. Следует отметить, что масштаб таких числовых параметров как разрешение по частоте на несколько порядков величины отличается от параметров при широкой полосе захвата.

Синхронизация в реальном масштабе времени

В анализаторе спектра в реальном масштабе времени к средствам анализа спектра и модуляции добавляются возможности работы во временной области. Синхронизация имеет особенно большое значение при захвате информации во временной области. В анализаторе спектра в реальном масштабе времени имеются уникальные функции синхронизации, обеспечивающие синхронизацию по мощности и по частотной маске, а также обычную внешнюю синхронизацию и синхронизацию по уровню. 
Наибольшее распространение получила система синхронизации,  используемая в осциллографах. В обычных аналоговых осциллографах наблюдаемый сигнал подается на один вход, а сигнал синхронизации — на другой. Событие синхронизации вызывает запуск горизонтальной развертки, а амплитуда сигнала отображается в виде вертикального смещения на калиброванной масштабной сетке. В простейшем случае при аналоговой синхронизации можно наблюдать события, происшедшие после запуска синхронизации, как показано на рис. 2-6.

Рис.2-6. Синхронизация в обычном осциллографе

Синхронизация в системах с цифровой регистрацией сигнала

Возможность представления и обработки сигнала в цифровом виде в сочетании с большой емкостью памяти позволяет захватывать события, происходящие как до момента синхронизации, так и после него.
В системах с цифровой регистрацией сигнала, аналогичных системе, используемой в анализаторах Tektronix, заполнение памяти выборками принимаемого сигнала осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Представим себе, что новые выборки постоянно поступают в память, в то время как самые старые выборки уходят из нее. В примере, изображенном на рис. 2-7, используется память, настроенная для хранения N выборок. С наступлением момента синхронизации регистрация сигнала прекращается, и содержимое памяти фиксируется. При добавлении переменной задержки в тракт синхронизации появляется
возможность захвата как событий, происшедших до момента синхронизации, так и тех, которые произошли после этого момента.

Рис.2-7. Синхронизация в системах цифровой регистрации сигналов

Рассмотрим случай, когда задержка отсутствует. При наступлении события синхронизации содержимое памяти фиксируется сразу после сохранения выборки, одновременной с этим событием. Память содержит выборку на момент синхронизации, а также N выборок, поступивших до момента синхронизации. В памяти сохраняются только события до момента синхронизации.
Теперь рассмотрим случай, когда задержка установлена в точности равной длине памяти. После события синхронизации и до момента фиксации содержимого памяти в память передается N выборок. В памяти сохраняются N выборок сигнала, поступивших после момента синхронизации. В памяти сохраняются только события после момента синхронизации.
Если задержка установлена равной части длины памяти, захватываются события, происходящие как до, так и послесинхронизации. Если задержка установлена равной половине длины памяти, половина сохраненных выборок предшествует моменту синхронизации, а половина поступает после этого момента. Эта идея аналогична идее использования задержки синхронизации в обычном анализаторе спектра с разверткой в режиме с нулевым диапазоном. Однако в анализаторе спектра в реальном масштабе времени длительность регистрируемых записей намного больше, и данные сигнала могут впоследствии быть проанализированы в частотной и временной областях и в области модуляции. Это мощное средство, используемое в таких областях как мониторинг сигналов и отладка устройств.

Режимы и функции синхронизации

В свободном режиме регистрируются выборки принимаемого сигнала ПЧ без учета каких-либо условий синхронизации. Результаты измерения спектра, модуляции и других параметров отображаются по мере регистрации и накопления сигнала.

Для работы в синхронизированном режиме требуется источник сигнала синхронизации, а также настройка различных параметров, определяющих условия синхронизации и действия, выполняемые прибором в ответ на событие синхронизации.
При выборе режима непрерывной или однократной синхронизации регистрация повторяется при каждом возникновении события синхронизации или выполняется однократно при каждой активизации измерения. Настройка положения синхронизации выполняется в пределах от 0 до 100%; при этом выбирается, какая часть зарегистрированного блока отводится на события, происходящие до момента синхронизации. При выборе значения 10% данные до момента синхронизации составляют одну десятую часть выбранного блока, а данные после синхронизации — девять десятых. Настройка фронта синхронизации позволяет выбрать запуск по нарастающему фронту, нисходящему фронту или по их сочетанию. Запуск по нарастанию и спаду позволяет полностью регистрировать пакеты импульсов. Запуск по спаду и нарастанию позволяет фиксировать провалы непрерывного сигнала.

Источники синхронизации анализаторов спектра в реальном масштабе времени

В анализаторах спектра в реальном масштабе времени Tektronix реализованы различные способы внутренней и внешней синхронизации. В табл. 2-3 приведены сводные данные об источниках сигнала синхронизации в реальном масштабе времени, их настройке и разрешении по времени, обеспечиваемом каждым из этих источников.

Таблица 2-3. Сравнение источников синхронизации анализатора спектра в реальном масштабе времени

Внешняя синхронизация позволяет управлять регистрацией сигнала с помощью внешнего сигнала с уровнями TTL. Как правило, используется сигнал управления исследуемой системы, например команда переключения частоты. Этим внешним сигналом запускается регистрация событий в исследуемой системе.
Способы внутренней синхронизации зависят от характеристик исследуемого сигнала. В анализаторе спектра в реальном масштабе времени предусмотрена синхронизация по уровню сигнала, преобразуемого в цифровую форму, по мощности этого сигнала после фильтрации и прореживания и по появлению заданных спектральных компонент, с использованием синхронизации по частотной маске. Каждый из источников и режимов синхронизации обеспечивает какие-либо преимущества в смысле избирательности по частоте, разрешения по времени или динамического диапазона. Функциональные элементы, обеспечивающие синхронизацию, изображены на рис. 2-8.

Рис.2-8. Обработка синхронизации анализатора спектра в реальном масштабе времени

При синхронизации по уровню сигнал в цифровой форме на выходе АЦП сравнивается с величиной, заданной пользователем. Используется полная полоса частот сигнала, преобразованного в цифровую форму, даже при наблюдении в узких диапазонах частот, в которых требуется последующая фильтрация и прореживание. При синхронизации по уровню используется полная частота преобразования в цифровую форму, что позволяет обнаруживать события, длительность которых равна длительности одной выборки при полной частоте выборки. Однако при последующем анализе разрешение по времени ограничено эффективной частотой выборки после прореживания. Уровень синхронизации устанавливается в процентах уровня ограничения АЦП. то есть максимального двоичного значения («все единицы»). Это значение измеряется по линейной шкале, и его не следует путать с логарифмическим отображением, которое отсчитывается в децибелах (дБ).
При синхронизации по мощности вычисляется мощность сигнала после фильтрации и прореживания. Мощность каждой пары выборок I/Q после фильтрации (I²+Q²) сравнивается с величиной, заданной пользователем. Эта настойка вводится в децибелах относительно полной шкалы (дБ по полной шкале), как показано на экране с логарифмическим отсчетом. При настройке 0 дБ по полной шкале уровень синхронизации находится на верхней линии сетки, и синхронизация происходит, когда суммарная мощность, содержащаяся в данном диапазоне, превосходит уровень синхронизации. При настройке –10 дБ по полной шкале синхронизация происходит, когда суммарная мощность с данном диапазоне достигает уровня на 10 дБ ниже верхней линии сетки. Следует отметить, что синхронизация происходит по полной мощности в данном диапазоне. Например, два непрерывных синусоидальных сигнала с уровнем по –3 дБ мВт в сумме дают мощность 0 дБ мВт.

При синхронизации по частотной маске форма спектра сравнивается с маской, заданной пользователем. Этот прием позволяет выполнять синхронизацию по изменениям формы спектра. Синхронизация по частотной маске позволяет надежно обнаруживать сигналы, уровень которых существенно ниже полной шкалы, даже в присутствии других сигналов боле высокого уровня. Эта возможность запуска по слабым сигналам в присутствии сильных имеет решающее значения для обнаружения периодически появляющихся сигналов, наличия взаимной модуляции, нестационарных нарушений спектра и других аналогичных явлений. Для сравнения с маской требуется выполнить БПФ по полному кадру. Разрешение по времени при синхронизации по частотной маске примерно равно одному кадру БПФ или 1024 выборкам на эффективной частоте выборки. События синхронизации определяются в частотной области с помощью специального аппаратного процессора БПФ, как показано на блок-схеме на рис. 2-8.

Создание частотной маски

Для синхронизации по частотной маске (известной также под названием синхронизации в частотной области), как и для других видов измерений с маской, прежде всего необходимо создать маску на экране. Маска создается в виде набора точек по частоте и амплитуд в этих точках. Создание маски производится поточечно или путем вычерчивания мышью или иным указывающим устройством. Синхронизация задается либо на вход в границы маски сигнала, находящегося снаружи маски, либо на выход из границ маски сигнала, находящегося внутри маски.

Рис.2-9. Определение частотной маски

На рис. 2-9 изображена частотная маска, заданная таким образом, чтобы пропускать нормальный спектр сигнала и реагировать на его кратковременные искажения. На рис. 2-10 изображена спектрограмма для регистрации сигнала, синхронизированной с кратковременным выходом сигнала за пределы маски.

Рис.2-10. Спектрограмма, на которой представлен нестационарный сигнал рядом с несущей. Курсор помещен в точку синхронизации, поэтому данные, соответствующие времени до начала синхронизации отображаются выше линии курсора, а данные, соответствующие времени после начала синхронизации — ниже линии курсора. Узкая белая линия слева от области голубого цвета обозначает данные, относящиеся к периоду после синхронизации

На рис. 2-11 изображен спектр одного из первых кадров, в которых сигнал вышел за пределы маски. Следует отметить, что на спектрограмме отображены данные, собранные как до момента синхронизации, так и после него.

Рис.2-11. Один кадр спектрограммы, на котором показано событие синхронизации, когда нестационарный сигнал нарушает границу частотной маски

Временные соотношения и синхронизация 

Использование управления временными соотношениями в сочетании с синхронизацией дает мощное средство анализа нестационарных процессов и различных параметров, связанных с временными соотношениями. Длина записи задает промежуток времени после момента синхронизации, в течение которого выборки сохраняются в памяти. Накопление регистраций определяет, сколько предыдущих регистраций сигнала сохраняется после каждой новой синхронизации. В анализаторах Tektronix RSA полная длина записи отображается в обзорном окне временной области.
Длина спектра определяет промежуток времени, для которого вычисляется отображение спектра. Смещение спектра определяет задержку или опережение между моментом синхронизации и началом отображаемого кадра БПФ. Длина спектра и смещение спектра задаются с разрешением в один кадр БПФ (1024 отсчета на эффективной частоте выборки). В анализаторах Tektronix RSA смещение спектра и длина спектра отображаются в виде цветных линий в нижней части обзорного окна временной области. Цвет линии соответствует цвету рамки соответствующего окна на экране.
Длина анализа определяет продолжительность интервала, на котором производится анализ модуляции и другие измерения по шкале времени. Смещение анализа определяет задержку или опережение между моментом синхронизации и началом анализа. В анализаторах Tektronix RSA смещение анализа и длина анализа отображаются в виде цветных линий в нижней части обзорного окна временной области. Цвет линии соответствует цвету рамки соответствующего окна на экране.
Индикатор выхода синхронизации позволяет избирательно включать выход TTL-сигнала на задней панели прибора в момент синхронизации. Эту функцию можно использовать для синхронизации измерений анализатором спектра с другими измерительными приборами, например с осциллографами и логическими анализаторами.

Цифровая обработка модулирующего сигнала

Практически все измерения в анализаторах спектра в реальном масштабе времени выполняются с помощью цифровой обработки сигналов (ЦОС) в потоках данных I и Q, поступающих из блока цифрового преобразования с понижением частоты и прореживания и сохраняемых в памяти данных. Далее приведено описание основных функциональных блоков, реализованных с помощью ЦОС.

Калибровка и нормализация

Калибровка и нормализация позволяют вводить компенсацию для учета коэффициента усиления и частотной характеристики аналоговых схем, предшествующих аналого-цифровому преобразователю. Калибровка выполняется на заводе, и ее результаты хранятся в памяти в виде калибровочных таблиц. Коррекция по сохраненным таблицам применяется к измерениям во время вычислений. Калибровка обеспечивает воспроизводимую точность измерений в соответствии с требованиями организаций по стандартизации.
Нормализация — это внутренние измерения, выполняемые для коррекции погрешностей, вызванных изменением температуры, старением компонентов и различиями между устройствами. Константы нормализации, как и таблицы калибровки, хранятся в памяти и применяются для коррекции при вычислениях во время измерений.

Фильтрация

Во время многих измерений и калибровок требуется проводить фильтрацию в дополнение к фильтрам, установленным в тракте ПЧ и в устройстве цифрового преобразования с понижением частоты и прореживания. Фильтрация выборок I и Q, хранимых в памяти, выполняется цифровым способом.

Временные соотношения, синхронизация и повторная выборка

Во многих современных радиосистемах особое значение имеют временные соотношения между сигналами. В анализаторах Tektronix RSA производится синхронный анализ спектра, модуляции и мощности, что позволяет измерить и изучить временные соотношения между различными радиочастотными характеристиками. Синхронизация тактовым сигналом и повторная выборка требуются при демодуляции и обработке импульсов.

Продолжение следует...

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