Може, спробувати обійтися без цього самого "реального часу"? . Частина 2

РОЗДІЛ 2. Робота аналізатора спектра у реальному масштабі часу

Сучасні аналізатори спектра в реальному масштабі часу здатні реєструвати сигнал у будь-якій смузі частот (діапазоні) у межах вхідного діапазону частот аналізатора. Ця можливість реалізується за рахунок перетворювача частоти радіосигналів зі зниженням частоти та широкосмугового тракту проміжної частоти (ПЧ). Сигнал ПЧ перетворюється на цифрову форму за допомогою АЦП, і подальший аналіз проводиться у цифровому вигляді. Перетворення з часової області на частотну виконується за допомогою алгоритму швидкого перетворення Фур'є (БПФ); подальша обробка дозволяє представляти сигнал у вигляді спектрограм, кодограм та іншими способами.
Вдала схема аналізатора реального часу відрізняється деякими основними характеристиками.
► АЦП, що забезпечує перетворення в цифрову форму сигнал у всій смузі частот реального часу з достатньою точністю для виконання потрібних вимірювань.
► Вбудована система аналізу сигналу, що забезпечує кілька збігів за часом уявлень досліджуваного сигналу.
► Об'єм пам'яті захвату та потужність засобів цифрової обробки сигналу, достатні для безперервної реєстрації сигналу в реальному масштабі часу протягом заданого інтервалу.
► Потужність цифрової обробки сигналу, достатня для забезпечення синхронізації в частотній області в реальному масштабі часу.
У цьому розділі наведено кілька структурних схем основних блоків реєстрації та аналізу, які застосовуються в аналізаторі спектру в реальному масштабі часу Tektronix. Опис деяких додаткових функцій (другорядних блоків синхронізації, контролерів клавіатури та дисплея тощо) опущено для спрощення викладу.

Цифрова обробка сигналів в аналізаторах спектра у реальному масштабі часу

В аналізаторах спектру в реальному масштабі часу Tektronix застосовується поєднання аналогової та цифрової обробки сигналу для перетворення радіосигналів на результати каліброваних та синхронних вимірювань у кількох областях. У цьому розділі описано цифрову частину тракту обробки сигналу в аналізаторі спектра в реальному масштабі часу.

Рис.2-1. Блок-схема цифрового перетворення сигналів у аналізаторі спектра у реальному масштабі часу

На рис. 2-1 зображено основні блоки цифрової обробки, які використовуються в аналізаторах серії Tektronix RSA. Аналоговий сигнал ПЧ пропускається через смуговий фільтр і перетворюється на цифрову форму. У процесі перетворення зі зниженням частоти і проріджування аналого-цифрові вибірки сигналу перетворюються на потоки синфазної (I) та квадратурної (Q) складових сигналу модуляції. Блок синхронізації виявляє стани сигналу, якими здійснюється управління реєстрацією і тимчасовими співвідношеннями. Aодулюючі сигнали I і Q, а також інформація синхронізації використовуються в системі цифрової обробки модулюючого сигналу для виконання спектрального аналізу на основі БПФ, аналізу модуляції, вимірювання потужності, вимірювання часових співвідношень та статистичного аналізу.

Рис.2-2. Блок-схема цифрового перетворювача зі зниженням частоти

Перетворювач ПЧ на цифрову форму

В аналізаторах спектра в реальному масштабі часу Tektronix зазвичай проводиться перетворення цифрову форму сигналу в смузі частот з центром, що лежить на проміжній частоті (ПЧ). Ця смуга частот (діапазон) відповідає найвищій частоті. для якої можливий аналіз у реальному масштабі часу. Виконання перетворення на цифрову форму на ПЧ, а не на постійному струмі або частоті модуляції, дає деякі переваги при цифровій обробці сигналу (виборчість побічного каналу, придушення постійної складової, розширення динамічного діапазону тощо), але при цьому потрібні додаткові обчислення для фільтрації та аналізу порівняно з безпосередньою обробкою. В аналізаторах спектра в реальному масштабі часу Tektronix для перетворення ПЧ на сигнали модуляції I і Q з ефективною частотою вибірки, достатньою для обраного діапазону частот, використовується цифровий перетворювач зі зниженням частоти (рис. 2-2) та пристрій проріджування.

Цифровий перетворювач зі зниженням частоти

Перетворення сигналу ПЧ на цифрову форму проводиться з частотою вибірки FS. Потім перетворений на цифрову форму сигнал ПЧ подається на цифровий перетворювач зі зниженням частоти. Цифровий генератор, що є в перетворювачі, генерує синусоїдальний і косинусоїдальний сигнали на центральній частоті досліджуваного діапазону. Виробляється цифрове перемноження синусоїдального і косинусоїдального сигналу з ПЧ, перетвореної на цифрову форму, в результаті чого генеруються потоки вибірок огинаючої I і Q, що містять всю інформацію, що є у вихідному сигналі ПЛ. Потім потоки I та Q пропускаються через низькочастотні фільтри з регульованою смугою пропускання. Частота зрізу низькочастотних фільтрів змінюється залежно від вибраного діапазону.

Квадратурні модулюючі сигнали (I та Q)

На рис. 2-3 зображено процес виділення смуги частот та перетворення його в модульуючий сигнал за допомогою квадратурного перетворення зі зниженням частоти. Вихідний сигнал ПЧ займає смугу частот від півтора частоти вибірки до частоти вибірки. Під час вибірки створюється образ сигналу, що у смузі частот від нуля до половини частоти вибірки. Потім сигнал перемножується з когерентними синусоїдальним і косинусоїдальним сигналами, що лежать у центрі досліджуваної смуги частот. В результаті виходять сигнали модуляції I і Q. Модулюючі сигнали мають дійсні значення та симетричні щодо початку координат. У позитивних та негативних частотах міститься та сама інформація. У цих двох сигналах міститься вся інформація, що є у вихідному модулюючому сигналі. Тепер мінімальна необхідна частота модуляції становить половину вихідної частоти модуляції. Потім можна проредити ці відліки вдвічі.

Рис.2-3. Дані, що відносяться до смуги частот, зберігаються в потоках I і Q, навіть при вдвічі меншій частоті дискретизації

Проріджування

Відповідно до теореми Найквіста для відображення сигналу в заданій смузі частот достатньо робити вибірки з частотою, що вдвічі перевищує верхню частоту досліджуваного діапазону. Час та частота є взаємно оберненими величинами. Для вивчення низькочастотних сигналів необхідно спостерігати на значних інтервалах часу. Проріджування використовується для досягнення рівноваги між діапазоном, часом обробки, довжиною записування та використанням пам'яті.
Наприклад, в аналізаторах серії Tektronix RSA3300A при перетворенні на цифрову форму сигналу зі смугою частот 15 МГц використовується частота вибірки АЦП 51,2 Мвиб/с. Ефективна частота вибірки сигналів I і Q для цього 15-МГц діапазону, отриманих після цифрового перетворення зі зниженням частоти, фільтрації та проріджування, дорівнює половині вихідної частоти вибірки, тобто 25,6 Мвиб/с. сумарна кількість вибірок не змінилася, оскільки замість одного набору вибірок із частотою дискретизації 51,2 Мвиб/с зберігається два набори вибірок із ефективною частотою 25,6 Мвиб/с кожен. Подальше проріджування проводиться для вужчих діапазонів частот; в результаті більш тривалий в часі запис займає таку ж кількість вибірок. Недоліком зменшення ефективної частоти вибірки є зниження роздільної здатності за часом. Перевагою зменшення ефективної частоти вибірки є скорочення обсягу обчислень і розміру пам'яті, що використовується для запису із заданою тривалістю, як показано в табл. 2-1.

Таблиця 2-1. Деякі значення діапазону, проріджування та ефективної частоти дискретизації (Tektronix RSA3300A та WCA200A)

Вплив частоти вибірки у часовій та частотній областях

Проріджування, яке використовується для зменшення ефективної частоти дискретизації, впливає на важливі параметри вимірювань у частотній та часовій областях. Приклади з широким та вузьким діапазоном частот показано на рис. 2-4 та рис. 2-5. Більш детальний опис і додаткові приклади наведені в розділі 4, в розділі часто задаваних питань. У порівнянні з більш вузькими смугами частот захоплення частота вибірки вища, а смуга частот роздільної здатності ширша. У часовій області довжина кадру менша, а роздільна здатність за часом вища. Довжина запису в сенсі кількості збережених вибірок залишається тією ж, але це число вибірок становить менший відрізок часу. На рис. 2-4 зображено захоплення сигналу в широкій смузі частот, а в табл. 2-2 наведено реальний приклад.

Таблиця 2-2. Порівняння впливу зміни діапазону на подання сигналу в часовій та частотній областях (Tektronix RSA3300A та WCA200A)

У вузькій смузі частот, навпаки, відображається малий діапазон частот з великою роздільною здатністю в частотній області. У порівнянні з більш широкими смугами частот захоплення частота вибірки нижче, а смуга частот роздільної здатності вже. У часовій області довжина кадру більша, роздільна здатність за часом нижче, а доступна довжина запису відповідає більшому проміжку часу. На рис. 2-5 зображено захоплення сигналу у вузькій смузі частот, а в табл. 2-2 наведено реальний приклад. Слід зазначити, що масштаб таких числових параметрів як роздільна здатність за частотою на кілька порядків величини відрізняється від параметрів при широкій смузі захоплення.

Синхронізація у реальному масштабі часу

В аналізаторі спектра в реальному масштабі часу до засобів аналізу спектру та модуляції додаються можливості роботи у часовій галузі. Синхронізація має особливо велике значення під час захоплення інформації у часовій області. В аналізаторі спектра в реальному масштабі часу є унікальні функції синхронізації, що забезпечують синхронізацію за потужністю та частотною маскою, а також звичайну зовнішню синхронізацію та синхронізацію за рівнем.
Найбільшого поширення набула система синхронізації, що використовується в осцилографах. У звичайних аналогових осцилографах сигнал подається на один вхід, а сигнал синхронізації - на інший. Подія синхронізації викликає запуск горизонтальної розгортки, а амплітуда сигналу відображається у вигляді вертикального зміщення на масштабованій масштабній сітці. У найпростішому випадку при аналоговій синхронізації можна спостерігати події після запуску синхронізації, як показано на рис. 2-6.

Рис.2-6. Синхронізація у звичайному осцилографі

Синхронізація в системах із цифровою реєстрацією сигналу

Можливість подання та обробки сигналу в цифровому вигляді у поєднанні з великою ємністю пам'яті дозволяє захоплювати події, що відбуваються як до синхронізації, так і після нього.
У системах з цифровою реєстрацією сигналу, аналогічних системі, що використовується в аналізаторах Tektronix, заповнення пам'яті вибірками сигналу, що приймається здійснюється за допомогою аналого-цифрового перетворювача (АЦП). Уявімо, що нові вибірки постійно надходять на згадку, тоді як найстаріші вибірки залишають її. У прикладі, зображеному на рис. 2-7, використовується пам'ять, налаштована зберігання N вибірок. З моментом синхронізації реєстрація сигналу припиняється, і вміст пам'яті фіксується. При додаванні змінної затримки до тракту синхронізації з'являється
можливість захоплення як подій, що відбулися до моменту синхронізації, так і тих, що сталися після цього моменту.

Рис.2-7. Синхронізація у системах цифрової реєстрації сигналів

Розглянемо випадок, коли відсутня затримка. При події синхронізації вміст пам'яті фіксується відразу після збереження вибірки, одночасної з цією подією. Пам'ять містить вибірку на момент синхронізації, а також N вибірок, що надійшли до синхронізації. У пам'яті зберігаються лише події до моменту синхронізації .
Тепер розглянемо випадок, коли затримка встановлена в точності, що дорівнює довжині пам'яті. Після події синхронізації та до моменту фіксації вмісту пам'яті в пам'ять передається N вибірок. У пам'яті зберігаються N вибірок сигналу, що надійшли після синхронізації. У пам'яті зберігаються лише події після синхронізації.
Якщо затримка встановлена на рівній частині довжини пам'яті, захоплюються події, що відбуваються як до, так і післясинхронізації. Якщо затримка встановлена на рівні половини довжини пам'яті, половина збережених вибірок передує моменту синхронізації, а половина надходить після цього моменту. Ця ідея аналогічна ідеї використання затримки синхронізації у звичайному аналізаторі спектру з розгорненням у режимі з нульовим діапазоном. Однак в аналізаторі спектра в реальному масштабі часу тривалість записів, що реєструються набагато більше, і дані сигналу можуть згодом бути проаналізовані в частотній і часовій областях і в області модуляції. Це потужний засіб, який використовується в таких областях як моніторинг сигналів та налагодження пристроїв.

Режими та функції синхронізації

У вільному режимі реєструються вибірки сигналу ПЧ, що приймається, без урахування будь-яких умов синхронізації. Результати вимірювання спектра, модуляції та інших параметрів відображаються в міру реєстрації та накопичення сигналу.

Для роботи в синхронізованому режимі потрібне джерело сигналу синхронізації, а також налаштування різних параметрів, що визначають умови синхронізації та дії, які виконує пристрій у відповідь на подію синхронізації.
При виборі режиму безперервної або одноразової синхронізації реєстрація повторюється при кожному виникненні події синхронізації або виконується одноразово при кожній активізації вимірювання. Налаштування положення синхронізації виконується від 0 до 100%; при цьому вибирається яка частина зареєстрованого блоку відводиться на події, що відбуваються до моменту синхронізації. При виборі значення 10% дані до моменту синхронізації становлять одну десяту частину вибраного блоку, а дані після синхронізації – дев'ять десятих. Налаштування фронту синхронізації дозволяє вибрати запуск по наростаючому фронту, низхідному фронту або їх поєднанню. Запуск по наростанню та спаду дозволяє повністю реєструвати пакети імпульсів. Запуск по спаду та наростанню дозволяє фіксувати провали безперервного сигналу.

Джерела синхронізації аналізаторів спектра у реальному масштабі часу

В аналізаторах спектра в реальному масштабі часу Tektronix реалізовано різні способи внутрішньої та зовнішньої синхронізації. У табл. 2-3 наведені зведені дані про джерела сигналу синхронізації в реальному масштабі часу, їх налаштування та дозвіл за часом, що забезпечується кожним із цих джерел.

Таблиця 2-3. Порівняння джерел синхронізації аналізатора спектра у реальному масштабі часу

Зовнішня синхронізація дозволяє керувати реєстрацією сигналу за допомогою зовнішнього сигналу із рівнями TTL. Як правило, використовується сигнал керування досліджуваної системи, наприклад, команда перемикання частоти. Цим зовнішнім сигналом запускається реєстрація подій у досліджуваній системі.
Способи внутрішньої синхронізації залежить від показників досліджуваного сигналу. В аналізаторі спектра в реальному масштабі часу передбачена синхронізація за рівнем сигналу, що перетворюється на цифрову форму, за потужністю цього сигналу після фільтрації та проріджування та по появі заданих спектральних компонент з використанням синхронізації по частотній масці . Кожен із джерел і режимів синхронізації забезпечує будь-які переваги в сенсі вибірковості за частотою, роздільною здатністю за часом або динамічного діапазону. Функціональні елементи, що забезпечують синхронізацію, зображені на рис. 2-8.

Рис.2-8. Обробка синхронізації аналізатора спектра у реальному масштабі часу

При синхронізації за рівнем сигнал у цифровій формі на виході АЦП порівнюється з величиною, заданою користувачем. Використовується повна смуга частот сигналу, перетвореного на цифрову форму, навіть при спостереженні у вузьких діапазонах частот, в яких потрібна подальша фільтрація та проріджування. При синхронізації за рівнем використовується повна частота перетворення на цифрову форму, що дозволяє виявляти події, тривалість яких дорівнює тривалості однієї вибірки при повній частоті вибірки. Однак при подальшому аналізі дозвіл часу обмежений ефективною частотою вибірки після проріджування. Рівень синхронізації встановлюється у відсотках рівня обмеження АЦП. тобто максимального двійкового значення («усі одиниці»). Це значення вимірюється за лінійною шкалою, його не слід плутати з логарифмічним відображенням, яке відраховується в децибелах (дБ).
При синхронізації за потужністю обчислюється потужність сигналу після фільтрації та проріджування. Потужність кожної пари вибірок I/Q після фільтрації (I ² +Q ² ) порівнюється з величиною, заданою користувачем. Ця настойка вводиться в децибелах щодо повної шкали (дБ за повною шкалою), як показано на екрані з логарифмічним відліком. При налаштуванні 0 дБ за повною шкалою рівень синхронізації знаходиться на верхній лінії сітки і синхронізація відбувається, коли сумарна потужність, що міститься в даному діапазоні, перевищує рівень синхронізації. При налаштуванні –10 дБ за повною шкалою синхронізація відбувається, коли сумарна потужність з даним діапазоном досягає рівня на 10 дБ нижче за верхню лінію сітки. Слід зазначити, що синхронізація відбувається за повною потужністю у цьому діапазоні. Наприклад, два безперервних синусоїдальних сигнали з рівнем -3 дБ мВт у сумі дають потужність 0 дБ мВт.

При синхронізації за частотною маскою форма спектра порівнюється з маскою, заданою користувачем. Цей прийом дозволяє синхронізувати зміни форми спектра. Синхронізація по частотній масці дозволяє надійно виявляти сигнали, рівень яких істотно нижчий за повну шкалу, навіть у присутності інших сигналів більш високого рівня. Ця можливість запуску по слабких сигналах у присутності сильних має вирішальне значення для виявлення сигналів, що періодично з'являються, наявності взаємної модуляції, нестаціонарних порушень спектра та інших аналогічних явищ. Для порівняння з маскою потрібно виконати БПФ по повному кадру. Дозвіл за часом при синхронізації по частотній масці приблизно дорівнює одному кадру БПФ або 1024 вибірки на ефективній частоті вибірки. Події синхронізації визначаються частотної області за допомогою спеціального апаратного процесора БПФ, як показано на блок-схемі на рис. 2-8.

Створення частотної маски

Для синхронізації по частотній масці (відомій також під назвою синхронізації в частотній області), як і для інших видів вимірювань з маскою, необхідно створити маску на екрані. Маска створюється у вигляді набору точок за частотою та амплітуд у цих точках. Створення маски проводиться поточечно або шляхом креслення мишею або іншим пристроєм, що вказує. Синхронізація задається або на вхід у межі маски сигналу, що знаходиться зовні маски, або на вихід із меж маски сигналу, що знаходиться всередині маски.

Рис.2-9. Визначення частотної маски

На рис. 2-9 зображена частотна маска, задана таким чином, щоб пропускати нормальний спектр сигналу та реагувати на його короткочасні спотворення. На рис. 2-10 зображено спектрограму для реєстрації сигналу, синхронізованої з короткочасним виходом сигналу за межі маски.

Рис.2-10. Спектрограма, де представлений нестаціонарний сигнал поруч із несучою. Курсор поміщений у точку синхронізації, тому дані, що відповідають часу до початку синхронізації, відображаються вище лінії курсору, а дані, що відповідають часу після початку синхронізації, - нижче лінії курсора. Вузька біла лінія зліва від області блакитного кольору означає дані, що відносяться до періоду після синхронізації.

На рис. 2-11 зображено спектр одного з перших кадрів, у яких сигнал вийшов за межі маски. Варто відзначити, що на спектрограмі відображені дані, зібрані як до моменту синхронізації, так і після нього.

Рис.2-11. Один кадр спектрограми, на якому показано подію синхронізації, коли нестаціонарний сигнал порушує межу частотної маски

Тимчасові співвідношення та синхронізація

Використання управління часовими співвідношеннями у поєднанні із синхронізацією дає потужний засіб аналізу нестаціонарних процесів та різних параметрів, пов'язаних із часовими співвідношеннями. Довжина запису задає проміжок часу після синхронізації, протягом якого вибірки зберігаються в пам'яті. Накопичення реєстрацій визначає, скільки попередніх реєстрацій сигналу зберігається після кожної нової синхронізації. У аналізаторах Tektronix RSA повна довжина запису відображається в оглядовому вікні тимчасової області.
Довжина спектра визначає проміжок часу, якого обчислюється відображення спектра. Зміщення спектра визначає затримку або випередження між моментом синхронізації і початком кадру, що відображається БПФ. Довжина спектра та зсув спектру задаються з роздільною здатністю в один кадр БПФ (1024 відліку на ефективній частоті вибірки). У аналізаторах Tektronix RSA зсув спектру та довжина спектру відображаються у вигляді кольорових ліній у нижній частині оглядового вікна часової області. Колір лінії відповідає кольору рамки вікна на екрані.
Довжина аналізу визначає тривалість інтервалу, на якому проводиться аналіз модуляції та інші виміри за шкалою часу. Зміщення аналізу визначає затримку чи випередження між моментом синхронізації та початком аналізу. У аналізаторах Tektronix RSA зсув аналізу та довжина аналізу відображаються у вигляді кольорових ліній у нижній частині оглядового вікна часової області. Колір лінії відповідає кольору рамки вікна на екрані.
Індикатор виходу синхронізації дозволяє вмикати вихід TTL-сигналу на задній панелі приладу в момент синхронізації. Цю функцію можна використовувати для синхронізації вимірювань аналізатором спектра з іншими вимірювальними приладами, наприклад осциллографами і логічними аналізаторами.

Цифрова обробка сигналу, що модулює

Практично всі вимірювання в аналізаторах спектра в реальному масштабі часу виконуються за допомогою цифрової обробки сигналів (ЦОС) в потоках даних I і Q, що надходять з блоку цифрового перетворення зі зниженням частоти і проріджування даних, що зберігаються в пам'яті. Далі наведено опис основних функціональних блоків, реалізованих за допомогою ЦГЗ.

Калібрування та нормалізація

Калібрування та нормалізація дозволяють вводити компенсацію для обліку коефіцієнта посилення та частотної характеристики аналогових схем, що передують аналого-цифровому перетворювачу. Калібрування виконується на заводі, і його результати зберігаються в пам'яті у вигляді калібрувальних таблиць. Коригування за збереженими таблицями застосовується до вимірювань під час обчислень. Калібрування забезпечує відтворювану точність вимірювань відповідно до вимог організацій стандартизації.
Нормалізація — це внутрішні виміри, які виконуються для корекції похибок, спричинених зміною температури, старінням компонентів та відмінностями між пристроями. Константи нормалізації, як і таблиці калібрування, зберігаються в пам'яті та застосовуються для корекції під час обчислень під час вимірювань.

Фільтрування

Під час багатьох вимірювань і калібрування потрібно проводити фільтрацію на додаток до фільтрів, встановлених у тракті ПЧ і в пристрої цифрового перетворення зі зниженням частоти та проріджування. Фільтрування вибірок I і Q, що зберігаються у пам'яті, виконується цифровим способом.

Тимчасові співвідношення, синхронізація та повторна вибірка

У багатьох сучасних радіосистемах особливе значення мають часові співвідношення між сигналами. В аналізаторах Tektronix RSA проводиться синхронний аналіз спектру, модуляції та потужності, що дозволяє виміряти та вивчити часові співвідношення між різними радіочастотними характеристиками. Синхронізація тактовим сигналом та повторна вибірка потрібні при демодуляції та обробці імпульсів.

Далі буде...

Магазин Gtest® - авторизований постачальник Аналізаторів Спектру в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelne-pribory/analizatory-radiochastotnoho-spektra