Тлумачення основних характеристик Аналізатора Спектру в Реальному Часі. Частина 1

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

Аналізатори спектру є основним інструментом, який використовується інженерами радіочастот для вимірювання окремих сигналів у певному діапазоні частот. Вони захоплюють та відображають бажані та небажані сигнали, дозволяючи виконувати ряд вимірювань, включаючи потужність, частоту, модуляцію та спотворення. Існує кілька різних типів архітектур систем аналізаторів спектра. У цій статті буде розглянута архітектура аналізаторів спектра в реальному часі (RTSA), аналізаторів спектра з частотою, що коливається, і векторних аналізаторів сигналів, а також будуть відзначені їх відносні переваги і недоліки. Аналіз спектра в реальному часі дозволяє аналізатору спектра проводити безперервний, без пропусків захоплення та аналіз невловимих і перехідних сигналів, у той час як звичайні аналізатори спектра і векторні аналізатори сигналів не мають такої можливості через свою конструкцію. Аналізатор спектру з частотою, що коливається, сканує вхід, качаючи свій гетеродин (LO) для зниження вхідного частотного діапазону до фіксованої проміжної частоти (IF), яка потім фільтрується фільтром смуги пропускання дозволу (RBW) і виявляється. У міру хитання гетеродина частоти вхідного сигналу ефективно пропускаються через фільтр RBW з фіксованою частотою. По суті, аналізатор спектру може бачити лише невелику частину частотного діапазону у будь-який момент часу, тому сигнал видно тільки тоді, коли він з'являється у фільтрі RBW у потрібний час та на потрібній частоті. Він сліпий до перехідних сигналів, які з'являються, коли розгортка сканує іншу частину частотного вхідного діапазону (рисунок 1).

Малюнок 1. Схема класичного аналізатора спектру з частотою, що коливається. У сучасних аналізаторах фільтрація смуги роздільної здатності, а також виявлення та відображення огинаючої реалізовані за допомогою цифрової обробки сигналу. 

Малюнок 2. Реакція аналізатора спектра з частотою, що коливається, на перехідні сигнали під час гойдання частоти.

Векторний аналізатор сигналів перетворює цікавий сигнал у межах певної смуги пропускання у фіксовану частоту ПЧ. Аналоговий сигнал ПЧ оцифровується аналого-цифровим перетворювачем (АЦП), і потік вибірок часової області може використовуватися для аналізу модуляції. Для аналізу спектра вибірки часової області перетворюються на спектр частотної області за допомогою швидкого перетворення Фур'є (БПФ). БПФ обробляє блок вибірок, який називатиметься кадром вибірки. Кількість вибірок у кадрі вибірки у цій замітці із застосування називається розміром кадру вибірки або розміром БПФ. Коли розрахунок БПФ завершено і результати передаються на дисплей, набувається наступний кадр вибірки. Хоча гетеродин нерухомий, на відміну аналізатора спектра з розгорткою, векторний аналізатор сигналів бачить подій сигналу, які у часовому проміжку між кадрами вибірки (рисунок 2). 

Малюнок 3. Структурна схема спрощеного векторного аналізатора сигналів та потік обробки сигналів.

Майже всі сучасні аналізатори спектра поєднують функції як традиційного аналізатора спектра з розгорткою, і векторного аналізатора сигналів. Якщо діапазон більше смуги аналізу FFT, гетеродин покроково зшиватиме кілька FFT для відображення спектра з бажаним діапазоном. Однак те, що відрізняє аналізатор спектру RTSA, - це його здатність безперервно отримувати вибірки сигналу та виконувати аналіз FFT. Малюнок 3 ілюструє різницю. Аналізатори спектру без RTSA або векторні аналізатори сигналів, що використовують аналіз FFT, мають послідовний потік процесу отримання вибірок і обчислення FFT. Потік процесу RTSA є паралельним (рисунок 4), у тому сенсі, що він може отримувати новий кадр вибірки одночасно виконуючи FFT на попередньому кадрі вибірки. Ця паралельна обробка вимагає швидкого цифрового обладнання та великого буфера пам'яті. Аналізатори спектру RTSA, такі як рішення Field Master Pro MS2090A від Anritsu, здатні виконувати 527 тис. FFT в секунду для 512-точкового FFT. Число точок FFT - це число частотних точок, що охоплюють смугу аналізу FFT. Воно також дорівнює кількості вибірок I/Q, зібраних у кадрі вибірки. Чим більше точок, тим краще роздільна здатність, але час обчислення FFT збільшується.

Малюнок 4. Структурна схема аналізатора спектра у часі і потік обробки сигналу.

Ключовою метрикою продуктивності є можливість перехоплення (POI), що визначається як мінімальна тривалість сигналу, необхідна для точного вимірювання амплітуди безперервного сигналу (CW). На POI впливають кілька факторів: швидкість обробки FFT, частота дискретизації, перекриття вікон, RBW та діапазон. У наступному розділі буде пояснено взаємозалежність цих факторів та їх вплив на POI.

Генерування вікон

Коли блок вибірок збирається для аналізу БПФ, математика БПФ передбачає, що сигнал у часовій області є періодичним з періодом, що дорівнює тривалості кадру вибірки.

Рисунок 5. Застосування БПФ до вибіркового кадру без віконного перетворення може призвести до витоку спектра.

На малюнку 5 показана проста синусоїда, яка дискретизується протягом часового інтервалу. Коли кадр вибірки аналізується за допомогою БПФ, вибірки на початку та наприкінці кадру вибірки створюють небажаний розрив, коли дискретизований сигнал обробляється як періодичний сигнал. Цей розрив у часовій області призводить до того, що енергія частотної області розсіюється, а чи не концентрується на частоті вихідної синусоїди. Спектральний витік також небажаний у спектральному аналізі БПФ, оскільки втрачається можливість дозволяти близько розташовані частотні компоненти з різними рівнями амплітуди. Крім того, амплітуда сигналу більше не є точним уявленням істинного рівня сигналу, оскільки енергія спектра розосередилася.

Щоб усунути ці ефекти, вибірки у кадрі вибірки множаться на віконну функцію, яка плавно звужує вибірки поблизу початку та кінця кадру до нуля. Таким чином, коли ці змінені вибірки представляються для аналізу БПФ, періодичне розширення цього кадру вибірки не має різкого розриву, і виток спектру зменшується (рисунок 6).

Малюнок 6. Віконна обробка даних вхідного сигналу перед застосуванням ШПФ зменшує витік спектру. 

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

ДАЛІ БУДЕ...