Важно определиться, какой именно прибор вам нужен

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру Осциллографов и Анализаторов Спектра на приводимой страничке сайта в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для самообразования

Современные осциллографы достигли такого уровня развития, что теперь они могут напрямую захватывать сигналы микроволнового и миллиметрового диапазона, что традиционно было задачей анализаторов сигналов и спектра. Это развитие поднимает вопрос о том, может ли осциллограф полностью заменить анализатор. Итак, каковы ограничения осциллографа, и в каких сценариях анализатор сигналов и спектра по-прежнему является предпочтительным инструментом?

Новейшие осциллографы высокого класса теперь оснащены высокоскоростными аналого-цифровыми преобразователями, которые позволяют им исследовать диапазоны частот, которые раньше были доступны только с помощью анализатора спектра. Благодаря интеграции широкополосного аналогового интерфейса современная архитектура осциллографа позволяет производить прямую выборку высокочастотных сигналов без необходимости аналогового понижающего преобразования. Это технологическое достижение позволяет использовать беспрецедентные диапазоны полосы пропускания анализа. Фактически, некоторые из доступных сегодня осциллографов имеют замечательную полосу пропускания до 16 ГГц и способны напрямую получать номинальный 8 ГГц РЧ-сигнал с полосой пропускания 16 ГГц. Такая возможность в настоящее время находится за пределами досягаемости любого анализатора сигналов и спектра на рынке.

С другой стороны, анализаторы спектра могут охватывать диапазоны частот до 85 ГГц и выше. Этот широкий диапазон позволяет им обслуживать широкий спектр приложений в беспроводной, сотовой или спутниковой связи, радиолокационном оборудовании и устройствах IoT. В этих сценариях качества, присущие исключительно анализаторам спектра, оказываются особенно выгодными. Например, высокий динамический диапазон анализаторов сигналов и спектра позволяет им отображать очень слабые сигналы вблизи сильного несущего сигнала. Кроме того, их также можно использовать для измерений во временной области, таких как оценка выходной мощности передатчика систем временного мультиплексирования как функции времени.

Двигаясь дальше, мы углубимся в различия между этими двумя приборами и рассмотрим идеальные варианты использования для каждого из них.

Анализаторы сигналов и спектра

Анализатор спектра отображает силу сигнала как функцию частоты для выбранной полосы разрешения. С помощью этого дисплея можно измерять основные свойства сигнала, а также делать оценки относительно настроек фильтра или частотной характеристики на основе видимой формы сигнала. Другие возможные измерения включают отношение сигнал/шум (SNR) и обнаружение побочных излучений, что может потребовать измерений в широком диапазоне частот.

При работе в режиме свепта-спектра анализатор фокусируется на определенной части спектра в любой момент времени. Эта частотная селективность имеет решающее значение для превосходного динамического диапазона анализатора, позволяя прибору измерять и отображать весь спектр частот от 2 Гц до 85 ГГц за одно измерение. Кроме того, используя внешние смесители, можно увеличить отображаемый диапазон частот на несколько сотен ГГц.

Анализатор спектра часто является инструментом выбора, когда требуются измерения спектра для обеспечения соответствия стандартам и правилам. Например, в мобильной радиосвязи анализатор спектра является основным инструментом для измерения побочных излучений, коэффициента утечки в соседний канал (ACLR) и масок спектрального излучения (SEM). Измерения SEM сосредоточены на отдельных шпорах, в то время как анализ ACLR (рисунок 1) включает в себя изучение интегрированной мощности в диапазоне частот соседних каналов сигнала связи. Оба требуют обнаружения чрезвычайно малых сигналов в непосредственной близости от сильного сигнала, что подчеркивает необходимость динамического диапазона и частотной селективности анализатора спектра.

Рисунок 1 - Измерение ACLR с помощью анализатора спектра

Спектральные анализаторы также обычно выбираются для измерения электромагнитных помех (ЭМП) во время предварительного тестирования на соответствие. Соответствующие стандарты ЭМП требуют измерения минимального количества шпор с помощью соответствующих детекторов ЭМП (квазипиковых, среднеквадратических и среднеквадратических (CISPR-RMS)).

В предварительном тестировании на соответствие анализатор спектра также является предпочтительным инструментом для измерения электромагнитных помех (ЭМП). Стандарты ЭМП требуют измерения минимального количества шпор с помощью соответствующих детекторов ЭМП, таких как квазипиковые, среднеквадратические и среднеквадратические (CISPR-RMS). Используя способность спектрального анализатора обнаруживать и измерять эти шпоры, предварительное тестирование на соответствие может помочь гарантировать, что тестируемое устройство или оборудование соответствует применимым стандартам ЭМП.

Анализ цифрового сигнала

Современные анализаторы спектра оснащены для обработки как цифровых, так и аналоговых сигналов. Ширина полосы входного сигнала обычно составляет до 1 ГГц, а некоторые приборы могут обрабатывать полосы до 8,3 ГГц. Входной каскад анализатора (как показано на рисунке 2) преобразует сигнал с понижением частоты до низкой промежуточной частоты (ПЧ), дискретизирует его с помощью широкополосного АЦП и, наконец, преобразует его в цифровом виде с понижением частоты в основную полосу для выравнивания. Полученные цифровые значения I/Q содержат всю информацию о сигнале в пределах полосы пропускания и динамического диапазона. Впоследствии сигнал может быть подвергнут дальнейшей обработке с использованием соответствующих измерений, специфичных для конкретного приложения. Такие измерения могут быть доступны либо на устройстве, либо с помощью программного обеспечения для ПК, такого как R&S VSE (Vector Signal Explorer).

Рисунок 2 - Анализ цифрового сигнала с помощью анализатора спектра/сигнала

Таким образом, анализаторы спектра используются для цифрового анализа сигналов в системах связи и радиолокационных приложениях. Они измеряют важные параметры сигнала, такие как величина вектора ошибки (EVM), смещение или дисбаланс I/Q и отношение уровня пилот-каналов к каналам данных. Кроме того, они могут измерять фазу, частоту, модуляцию и уровень импульсных сигналов в течение длительности импульса в радиолокационных приложениях.

Эти анализаторы также могут измерять коэффициент шума и усиление усилителей, а также фазовый шум генераторов на уровне компонента, модуля и устройства. Кроме того, некоторые высококлассные приборы могут выполнять очень точные измерения, почти до уровня теплового шума.

В дополнение к этим возможностям некоторые анализаторы спектра могут выполнять непрерывный анализ спектра в реальном времени и непрерывную потоковую передачу цифровых данных I/Q.

Тестирование радиочастот с помощью осциллографов

Современные осциллографы с их широкими полосами анализа имеют широкий спектр применения, включая радары, где полоса пропускания напрямую определяет разрешение диапазона радара. Кроме того, для сценариев, где интересующий сигнал является узкополосным, осциллограф может измерять внеполосные сигналы, такие как гармоники, соседние каналы и сигналы помех.

Однако при получении узкополосных сигналов с высокой полосой анализа необходимо проявлять особую осторожность, чтобы избежать получения всех возможных сигналов помех от постоянного тока до максимальной частоты осциллографа. Некоторые высококлассные осциллографы позволяют пользователям применять цифровые фильтры с помощью программных инструментов и импорта коэффициентов фильтров. Это ограничивает окно анализа интересующим сигналом, улучшая отношение сигнал/шум (SNR).

Однако даже при использовании цифровых фильтров достижимое время захвата для узкополосных сигналов может быть ограничено. Время захвата для сигнала BLE в предыдущем примере составляет менее одной секунды, даже если частота дискретизации снижена до минимума, указанного теоремой Найквиста. Некоторые высокопроизводительные осциллографы с возможностями цифрового понижающего преобразования могут продлить время захвата таких сигналов. Например, сигнал Bluetooth®Low Energy (BLE) шириной 2 МГц на центральной частоте 2,4 ГГц может быть захвачен в течение примерно 500 секунд с помощью цифрового понижающего преобразования.

Расширенная система срабатывания

По сравнению с анализаторами сигналов и спектра, осциллографы имеют более совершенную систему запуска, которая позволяет точно обнаруживать короткие, пакетные, прерывистые или импульсные сигналы. Эта функция особенно полезна в радиолокационных приложениях, где точное обнаружение начала импульса или чирпа имеет решающее значение. В отличие от осциллографов с обычным аналоговым запуском, осциллографы Rohde & Schwarz поставляются с полностью цифровой системой запуска, которая работает непосредственно с выборками АЦП. Это приводит к меньшему джиттеру запуска и более гибкой чувствительности запуска. Кроме того, все типы запуска могут поддерживать полную полосу пропускания осциллографа.

Фазово-когерентный многоканальный анализ

Многоантенные конструкции становятся все более важными для беспроводных приложений, например, при оценке угла прибытия (AoA) в радиолокационных системах. Несколько плотно выровненных каналов, предоставляемых осциллографами, являются экономически эффективным и простым решением для тестирования многоантенных систем. В отличие от анализаторов спектра, они не требуют дополнительных усовершенствований для выполнения фазово-когерентных измерений, гарантируя, что все каналы постоянно фазово-когерентны.

Однако при тестировании оборудования с частотными диапазонами за пределами максимальной полосы пропускания осциллографа для получения сигналов необходим внешний смеситель. Осциллограф с деэмбеддингом в реальном времени может компенсировать потери, вызванные дополнительными компонентами на пути сигнала. Хотя базовые инструменты анализа для временной и частотной области часто встроены (рис. 3), для углубленного анализа импульсов и переходных процессов может потребоваться специальный инструмент, такой как программное обеспечение R&S VSE.

Рисунок 3 - Анализ сигнала автомобильного радара с использованием бортовых инструментов осциллографа

Системы с несколькими антеннами также важны для связи 5G NR. Формирование луча, которое требуется для передачи сигнала в определенном направлении, требует нескольких антенн и точного, последовательного сдвига фазы каждого соседнего входного потока сигнала. Осциллограф, такой как R&S RTP, который предлагает до четырех входных потоков и поддерживает фазовую когерентность, может обрабатывать несколько входных каналов 5G NR. Программное обеспечение R&S VSE позволяет выполнять широкий спектр измерений, включая измерения, специфичные для MIMO, такие как разность фаз между входными сигналами, которые могут помочь охарактеризовать лучи и протестировать передатчики на базовых станциях 5G NR или малых сотах.

Отладка на системном уровне

В отличие от анализаторов сигналов и спектра, осциллографы являются универсальными приборами, которые предлагают широкий спектр измерительных возможностей, помимо получения радиочастотного сигнала. Кроме того, они поставляются с несколькими опциями для запуска и декодирования шины, а также измерения мощности, времени и частотной области. Обеспечивая согласованное временное выравнивание между всеми этими измерениями, осциллографы позволяют пользователям сопоставлять полученные радиочастотные сигналы с другими сигналами, такими как напряжение питания или сигналы цифровой шины. Например, при разработке и отладке автомобильных радиолокационных модулей пользователи могут использовать осциллографы для одновременного захвата сигналов CAN или Ethernet вместе с радиолокационными сигналами.

БПФ и зональный триггер

Расширенные осциллографы обычно включают возможности FFT, которые позволяют пользователям сопоставлять сигналы во временной и частотной областях. Например, растущее использование стандарта UWB 802.15.4z в автомобильных приложениях требует одновременного изучения сигналов UWB в обеих областях. Функция стробируемого FFT на осциллографах Rohde & Schwarz предлагает возможность выбора определенной части сигнала во временной области и отображения соответствующего ей спектра. Также возможны спектральные измерения, такие как мощность канала и занимаемая полоса пропускания (см. рис. 4).

Рисунок 4 - Измерения UWB-сигнала во временной и частотной области

Выводы

Анализатор спектра и сигналов — идеальный инструмент для приложений, требующих частотной селективности. Он имеет широкий динамический диапазон и позволяет проводить измерения ACLR и SEM