А измерения скоро будем делать? Часть 4

ГЛАВА 3. Измерения с помощью анализатора спектра в реальном масштабе времени

В этой главе описаны режимы работы анализатора спектра в реальном масштабе времени и проведение измерений. Некоторые подробности, например частота выборки и число точек БПФ, зависят от типа прибора. Как и в других примерах измерений, приведенных в данном документе, информация в этом разделе относится к анализаторам спектра в реальном масштабе времени Tektronix серии RSA3300A и серии WCA200A.

Измерения в частотной области

Анализ спектра в реальном масштабе времени

Этот режим был описан в главе 1 при обсуждении непрерывного захвата и спектрограмм. Он обеспечивает непрерывный захват в реальном масштабе времени, синхронизацию в реальном масштабе времени и возможность анализировать данные, захваченные во временной области с помощью представлений в виде зависимости мощности от частоты и спектрограммы. Кроме того, в этом режиме выполняются некоторые автоматические измерения, например измерение несущей частоты, как показано на рис. 3-1.

Рис.3-1 Просмотр спектрограммы сигнала со скачкообразным изменением частоты в режиме анализа в реальном масштабе времени

Как было сказано в главе 1, спектрограмма строится по трем координатным осям: 
► горизонтальной оси, представляющей частоту;
► вертикальной оси, представляющей время;
► координате цвета, представляющей амплитуду.
В сочетании с возможностями синхронизации в реальном масштабе времени, как показано на рис. 3-2, спектрограмма служит мощным средством для измерения радиосигналов.

Рис.3-2 Режим анализа спектра в реальном масштабе времени: несколько блоков, зарегистрированных с использованием синхронизации по частотной маске для измерения повторяемости нестационарных сигналов с переключением частоты

При использовании отображения в виде спектрограммы необходимо помнить несколько основных правил.
► Длина кадра во времени зависит от диапазона частот (шире диапазон — короче кадр).
► Один вертикальный шаг спектрограммы соответствует одному кадру в реальном масштабе времени.
► Один кадр в реальном масштабе времени — 1024 выборки во временной области.
► Самый старый кадр находится в верхней части экрана, самый новый — в нижней части.
► Данные в пределах блока записаны непрерывно во времени.
► Горизонтальные черные линии на спектрограмме представляют границы между блоками. Это разрывы во времени между отдельными регистрациями сигналов.
► Белая линия с левой стороны спектрограммы обозначает данные после момента синхронизации.

Обычный анализ спектра

В обычном режиме анализа спектра, изображенном на рис. 3-3, обеспечиваются измерения в частотной области путем имитации анализатора спектра с разверткой. Для частотных диапазонов, превосходящих полосу частот прибора в реальном масштабе времени, анализ спектра выполняется путем перестройки анализатора в исследуемом диапазоне частот аналогично обычному анализатору спектра (более подробные сведения приведены в конце этой главы, в разделе о регистрации сигналов). Кроме того в этом режиме обеспечивается настройка разрешения по частоте, функции усреднения и возможность настройки БПФ и функций окна. Синхронизация и непрерывный захват сигналов в реальном масштабе времени в режиме обычного анализа спектра не выполняются.

Рис.3-3 Измерение параметров телевизионного сигнала в частотном диапазоне 1 ГГц с запоминанием максимума в стандартном режиме работы анализатора спектра

Анализ спектра со спектрограммой

В режиме анализа спектра со спектрограммой обеспечиваются те же функциональные возможности, что и в обычном режиме анализа спектра, а кроме того — отображение спектрограммы. В этом режиме пользователь также может выбрать частотный диапазон, превышающий максимальную полосу частот выборки анализатора в реальном масштабе времени. В отличие от режима анализа спектра в реальном масштабе времени, при анализе спектра со спектрограммой отсутствует синхронизация
в реальном времени, непрерывный захват сигнала, и данные не сохраняются в памяти прибора. Это делает невозможной обратную прокрутку во времени данных, отображаемых на спектрограмме.

Измерения во временной области

Зависимость частоты от времени

При измерении зависимости частоты от времени частота отображается по вертикальной оси, а время — по горизонтальной. Полученный результат похож на спектрограмму, однако имеется два важных отличия. Во-первых, как будет описано далее, разрешение во временной области представления в виде зависимости частоты от времени существенно выше, чем у спектрограммы. Во вторых, при этом измерении в каждой точке времени вычисляется одно среднее значение частоты, а это означает, что отображение сложных радиосигналов, как на спектрограмме, невозможно.
Спектрограмма составлена из кадров, и ее разрешение по линиям равно длине одного кадра, а разрешение представления в виде зависимости частоты от времени составляет один интервал выборки. Считая по 1024 выборки в кадре, разрешение в этом режиме в 1024 раза точнее, чем в режиме спектрограммы. Это облегчает поиск малых и кратковременных сдвигов частоты на фоне более крупных деталей. Это представление напоминает весьма быстродействующий частотомер. Каждая из 1024 выборок представляет значение частоты в диапазоне несколько сотен герц или несколько мегагерц. Сигналы постоянной частоты, такие как непрерывная синусоида или АМ-сигнал, дают плоский, ровный график.
Представление в виде зависимости частоты от времени обеспечивает лучшие результаты при наличии относительно сильного сигнала на одной частоте. На рис. 3-4 в упрощенном виде иллюстрируется различие между представлениями в виде спектрограммы и в виде измерений частоты во времени. Отображение в виде зависимости частоты от времени можно рассматривать как масштабированное представление увеличенной части спектрограммы.

Рис.3-4 Сравнение отображения спектрограммы и зависимости частоты от времени

Такое представление помогает изучать нестационарные процессы, например выброс частоты или «звон». Если в исследуемом спектре присутствуют несколько сигналов или один сигнал с повышенным уровнем шума либо нерегулярными выбросами, желательно применять спектрограмму. Спектрограмма обеспечивает визуализацию всех частот и амплитуд в выбранном диапазоне.

Рис.3-5 Спектрограмма установления частоты в интервале 5 МГц по частоте и 35 мс по времени

На рис. 3-5, 3-6 и 3-7 изображен анализ одного и того же зарегистрированного сигнала в трех различных представлениях. На рис. 3-5 изображено применение синхронизации по частотной маске для захвата нестационарного сигнала, поступающего с передатчика, в котором наблюдается случайная нестабильность частоты во время включения. Поскольку генератор не настроен на частоту, соответствующую середине экрана, синхронизация происходит по выходу радиосигнала из частотной маски в левой части экрана. На спектрограмме справа изображен процесс установления выходной частоты устройства.

Рис.3-6 Зависимость частоты от времени для установления частоты в интервале 50 МГц по частоте и 25 мс по времени

На следующих двух рисунках показаны отображения зависимости частоты от времени для этого сигнала. На рис. 3-6 изображен тот же процесс установления частоты в виде спектрограммы с длительностью анализа 25 мс. Рис. 3-7 иллюстрирует возможность масштабирования до длительности анализа, равной 1 мс. Зависимость частоты от времени отображается со значительно большим разрешением во временной области. На этом рисунке видны остаточные колебания сигнала даже после установления заданной частоты.

Рис.3-7 Увеличение масштаба для просмотра установления частоты в интервале 50 кГц по частоте и 1 мс по времени

Зависимость мощности от времени

На отображении зависимости мощности от времени (рис. 3-8) показан график изменения мощности сигнала по выборкам. Амплитуда сигнала отображается в дБ мВТ на логарифмической шкале. Отображение похоже на просмотр сигнала на осциллографе во временной области, где по горизонтальной оси отсчитывается время. По вертикали, вместо напряжения по линейной шкале, отсчитывается мощность по логарифмической шкале, представляющая суммарную мощность, обнаруженную в частотном диапазоне. График сигнала с постоянной мощностью представляет собой горизонтальную линию, поскольку мощность сигнала в течение периода не изменяется.

Рис.3-8 Зависимость мощности от времени

Для каждой выборки во временной области мощность вычисляется по формуле:

Мощность = 10 • log  (I² + Q²)/ 1 мВт

При всех измерениях в реальном времени представление в виде зависимости мощности от времени отображается в обзорном окне. Кроме того, оно отображается в окне анализа, в котором используется режим зависимости мощности от времени.

Дополнительная кумулятивная функция распределения

На представлении в виде дополнительной кумулятивной функции распределения измеряемого сигнала отображается вероятность того, что отношение пиковой мощности к средней мощности превзойдет величину, отображаемую на горизонтальной шкале. Вероятность в процентах отображается по вертикальной шкале. Масштаб вертикальной шкалы логарифмический.
При анализе дополнительной кумулятивной функции распределения измеряется переменный по времени амплитудный коэффициент, что важно для многих цифровых сигналов, особенно при использовании множественного доступа с кодовым разделением (CDMA) и ортогонального мультиплексирования частотным делением (OFDM). Амплитудный коэффициент — это отношение пикового напряжения сигнала к его среднему напряжения, выраженное в децибелах:

С = 20 • log (V_peak/V_rms)

Амплитудный коэффициент сигнала показывает, насколько линейным должен быть приемник или передатчик, чтобы избежать неприемлемых искажений сигнала. На рис. 3-9 кривые дополнительной кумулятивной функции распределения сигнала выделены желтым цветом, и опорный гауссов сигнал — голубым. Дополнительная кумулятивная функция распределения и амплитудный коэффициент представляют особый интерес для конструкторов, которым приходится обеспечивать компромисс между потреблением энергии и величиной искажений в таких устройствах как усилители.

Рис.3-9 Измерение дополнительной кумулятивной функции распределения

Зависимость квадратурных сигналов (I/Q) от времени

Зависимость нестационарных квадратурных сигналов (I/Q) от времени (рис. 3-10) — еще одно представление в реальном масштабе времени, в котором отображаются амплитуды сигналов I и Q в функции времени. В этом режиме отображаются необработанные сигналы I и Q, поступающие с цифрового преобразователя с понижением частоты. В результате отображение не синхронизировано с какой-либо модуляцией, которая может присутствовать в анализируемом сигнале, в отличие от отображения сигналов I/Q во времени, имеющегося в пакете цифровой демодуляции.

Рис.3-10 Измерение зависимости I/Q от времени при установлении нестационарного сигнала

Измерения в области модуляции

Анализ аналоговой модуляции

Режим аналоговой демодуляции обеспечивает демодуляцию и анализ сигналов с амплитудной модуляцией (рис. 3-11), частотной модуляцией (рис. 3-12) и фазовой модуляцией (рис. 3-13). Как и при измерениях во временной области, эти средства основаны на анализе в нескольких областях. Окна спектра и анализа могут относиться к любому месту блока, отображаемого в обзорном окне.

Рис.3-11 Анализ демодуляции импульсного АМ-сигнала с использованием модуляции с амплитудной манипуляцией для кодирования данных

Рис.3-12 Анализ демодуляции ЧМ-сигнала, модулируемого синусоидальным сигналом

Рис.3-13 Анализ демодуляции ФМ-сигнала, показывающий фазовую нестабильность во время продолжительного импульса

Анализ цифровой модуляции

В режиме цифровой демодуляции производится демодуляция и анализ многих распространенных видов цифровых сигналов на основе фазовой манипуляции, модуляции с частотной манипуляцией и квадратурной амплитудной модуляции. Анализатор спектра в реальном масштабе времени обеспечивает проведение разнообразных измерений, в том числе: диаграмма «созвездие», величина вектора ошибок, ошибка амплитуды, ошибка фазы, демодулированные сигналы I/Q во времени, таблица символов и глазковая диаграмма. Для выполнения этих измерений необходимо соответствующим образом настроить такие переменные как тип модуляции, частоту символов, тип фильтра измерений (фильтра приемника) и параметр (α/BT), а также тип опорного фильтра.
Анализатор спектра в реальном времени обеспечивает мощные средства исследования динамических модулированных сигналов благодаря сочетанию цифровых демодуляционных измерений, характерных для векторного анализатора сигналов с синхронизацией в реальном масштабе времени со средствами анализа в нескольких областях, как показано на рис. 3-14, 3-15 и 3-16.

Рис.3-14 Анализ поведения модуля ошибки во времени для сигнала квадратурной амплитудной модуляции 16 QAM позволяет выявить синусоидальное возмущение амплитуды

Рис.3-15 Диаграмма «созвездие», на которой показана фазовая нестабильность в сигнале главного контроллера домена

Рис.3-16 Глазковая диаграмма, на которой показана небольшая амплитудная ошибка в сигнале главного контроллера домена

Анализ стандартов модуляции

Анализатор спектра с реальном масштабе времени обеспечивает также средства анализа модуляции для многих стандартов связи, например W-CDMA, HSDPA, GSM/EDGE, CDMA2000, 1xEV-DO и многих других. На рис. 3-17 и 3-18 приведены примеры анализа стандартов модуляции.

Рис.3-17 Анализ модуляции гарнитуры W-CDMA в условиях управления мощностью с петлей обратной связи. Диаграмма «созвездие» (внизу справа), на которой представлена ошибка, связанная с большими выбросами, происходящими во время переходов между уровнями, которые можно увидеть на графике зависимости мощности от времени (вверху слева)

Рис.3-18 Спектрограмма, диаграмма «созвездие», оценка модуля ошибки, зависимость ошибки фазы от времени для сигнала GSM с переключением частоты

Отображение кодограммы

На отображении кодограммы (рис. 3-19) в анализаторе спектра в реальном масштабе времени к измерениям мощности в области кодов для стандартов связи на основе CDMA добавляется ось времени. Как и на спектрограмме, на кодограмме отображается интуитивно понятный процесс в зависимости от времени. На рис. 3-20 изображена кодограмма сигнала W-CDMA, полученная с помощью анализатора спектра в реальном масштабе времени. На этих кодограммах отображается имитированный выходной сигнал W-CDMA в режиме сжатия, в котором скорость передачи данных мгновенно увеличивается, благодаря чему появляются кратковременные перерывы в передаче. Эти перерывы позволяют пользовательскому оборудованию в стандарте W-CDMA/GSM выполнить поиск доступной базовой станции GSM, в то время как остальные подсоединяются к узлу B W-CDMA.

Рис.3-19 Пример отображения кодограммы

Рис.3-20 Измерение кодограммы для режима сжатия W-CDMA

Продолжение следует...

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