Тлумачення основних характеристик Аналізатора Спектру в Реальному Часі. Частина 2

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з пропонованими Аналізаторами спектру, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Взаємозалежність Дозволи по Смузі Частот та Інтервалу

Віконний аналіз також служить реалізації фільтра RBW в аналізі спектра FFT. Виконання аналізу FFT на віконних зразках призводить до появи відгуку смугового фільтра навколо частотних компонентів, захоплених у смузі аналізу FFT. На малюнку 7 показаний спектр FFT для входу, що складається з кількох сигналів CW, які рознесені частотою на один RBW. При одному захопленні FFT ефективно застосовує банк паралельних фільтрів RBW до вхідного сигналу. Зверніть увагу, що відгук фільтра RBW неповний на частотах поблизу початку та кінця діапазону FFT. Через це смуга пропускання, що використовується, складає всього близько 80% від повної смуги аналізу FFT, що дорівнює частоті вибірки I/Q входу FFT (Fs).

Малюнок 7. Аналіз FFT із віконним методом ефективно формує банк паралельних фільтрів RBW. На малюнку показаний частотний спектр для кількох входів CW-сигналу з частотним інтервалом, що дорівнює одному RBW.

Існує безліч різних типів віконних функцій, які різняться за своїми характеристиками в частотній області, таким як ширина головної пелюстки, спад бічних пелюсток та рівномірність смуги пропускання.

Малюнок 8. Тимчасові та частотні характеристики загальних віконних функцій.

Зверніть увагу, що кожна віконна функція має різну ширину головної пелюстки (рисунок 8). Смуга пропускання фільтра RBW дорівнює смузі пропускання головної пелюстки вікна за рівнем 3 дБ і керується регулюванням довжини вікна (W) та частоти дискретизації I/Q на вході FFT (Fs). Довжина вікна може дорівнювати або менше розміру FFT (N). Аналізатор спектру Field Master Pro MS2090A використовує віконну функцію Кайзера-Бесселя з RBW, встановленим за цією формулою:

RBW=2.3×Fs/W and W≤N

Оскільки діапазон одного FFT також визначається частотою дискретизації, RBW і діапазон є взаємозалежними. Ця взаємозалежність помітна в аналізаторі спектру RTSA, оскільки вимір обмежений діапазоном одного FFT. Наприклад, щоб задати вузький RBW, довжина вікна може збільшуватися доти, доки досягне максимальної межі розміру FFT N, а потім частота дискретизації Fs повинна бути зменшена, що потім змушує зменшити діапазон. Аналізатори спектру, що не належать до RTSA, можуть зшивати декілька FFT для покриття ширшого діапазону, але це потребує налаштування LO, протягом якого аналізатор не бачить подій сигналу.

Перекриття вікон

Оскільки віконне перетворення звужує тимчасові вибірки на початку та в кінці кадру вибірки до нуля, перехідні події сигналу на краях губляться (рисунок 9). Перекриття використовується для забезпечення цих подій сигналу (Малюнок 10). Кожен кадр вибірки для БПФ частково заповнений вибірками, які були захоплені попередньому кадрі вибірки.

Малюнок 9. Перехідні сигнали, що виникають на краях кадру віконного зразка, будуть втрачені.

Малюнок 10. Вибірки, що перекриваються, дозволяють фіксувати події на краях будь-якого кадру вибірки.

Ступінь перекриття RTSA обмежена швидкістю обчислення БПФ щодо вхідної частоти дискретизації (Fs) для БПФ.

Максимально допустимий відсоток перекриття = (FFT Clock – Fs) / FFT Clock

Частота тактової частоти FFT – це частота, з якою FFT може обробляти одну вибірку. Наприклад, в аналізаторі спектру Field Master Pro MS2090A частота тактової частоти FFT становить 270 МГц, тому він може виконати 512-точкове FFT за 512 x 1/270 МГц = 1,9 мкс або 527 тис. FFT за секунду. Чим вища частота тактової частоти FFT, тим вище допустиме перекриття. У наступному розділі буде показано, як вище перекриття призводить до більш короткої тривалості POI сигналу.

Вимога POI (пам'ятка або інший об'єкт, позначений точкою на карті) до точності амплітуди, що відтворюється.

Малюнок 11. Сигнальні пакети з різною тривалістю та часом початку мають різні амплітуди спектра.

В аналізі FFT спектральна величина сигналу залежить від його тривалості та моменту, коли сигнал присутній щодо початку кадру вибірки та віконної функції. Амплітуда пропорційна площі, яка займається під віконною функцією. Для однієї і тієї ж тривалості сигналу амплітуда може відрізнятися залежно від того, коли стався сплеск сигналу (Малюнок 11). Теоретичний мінімальний сигнал, що виявляється, дорівнює 5 нс, що задається максимальною частотою дискретизації в FFT 200 MSPS (I/Q).

Для повної точності амплітуди сигнал повинен займати всю площу під віконною функцією. Щоб гарантувати цю умову, сигнал повинен залишатися увімкненим протягом двох послідовних кадрів вибірки у найпростішому випадку, коли немає перекриття, а довжина вікна дорівнює розміру FFT (розміру кадру вибірки). Виконання цієї умови гарантує, що принаймні один кадр вибірки та його FFT захоплять повну амплітуду сигналу, оскільки початок події сигналу може статися у будь-який час щодо будь-якого кадру вибірки (Малюнок 12).

Малюнок 12. Для 100% POI і повної точності амплітуди сигнал повинен бути присутнім як мінімум протягом двох послідовних кадрів вибірки, коли немає перекриття, а довжина вікна (W) дорівнює розміру БПФ (N).

Якщо аналіз FFT виконується з використанням кадрів вибірки, що перекриваються, необхідна тривалість сигналу для 100% POI коротше (Малюнок 13). 

Малюнок 13. Перекриття зменшує мінімальну необхідну тривалість сигналу для 100% POI та повної амплітудної точності. Сигнал повинен бути присутнім як мінімум протягом двох послідовних кадрів вибірки за вирахуванням кількості вибірок, що перекриваються.

Якщо довжина вікна менша за розмір FFT (Малюнок 14), необхідна тривалість сигналу буде коротшою, тим самим покращуючи POI. Оскільки довжина вікна регулюється для зміни RBW, налаштування RBW впливає на POI. Більш широкий RBW відповідає більш короткій довжині вікна та більш короткому POI.

Малюнок 14. При використанні довжини вікна (W = 256), меншої за розмір БПФ, N = 512, необхідна тривалість сигналу для 100% POI зменшується.

Магазин Gtest® – постачальник Аналізаторів Спектру. https://gtest.com.ua/izmeritelne-pribory/analizatory-radiochastotnogo-spektra

ДАЛІ БУДЕ...