А виміри скоро робитимемо? Частина 4

РОЗДІЛ 3. Вимірювання за допомогою аналізатора спектра у реальному масштабі часу

У цьому розділі описані режими роботи аналізатора спектра у реальному масштабі часу та проведення вимірювань. Деякі подробиці, наприклад частота вибірки та кількість точок БПФ, залежать від типу приладу. Як і в інших прикладах вимірювань, наведених у даному документі, інформація в цьому розділі стосується аналізаторів спектра в реальному масштабі часу Tektronix серії RSA3300A та серії WCA200A.

Вимірювання у частотній області

Аналіз спектра у реальному масштабі часу

Цей режим був описаний у розділі 1 під час обговорення безперервного захоплення та спектрограм. Він забезпечує безперервне захоплення в реальному масштабі часу, синхронізацію в реальному масштабі часу та можливість аналізувати дані, захоплені у часовій області за допомогою уявлень у вигляді залежності потужності від частоти та спектрограми. Крім того, в цьому режимі виконуються деякі автоматичні вимірювання, наприклад, вимірювання несучої частоти, як показано на рис. 3-1.

Рис.3-1 Перегляд спектрограми сигналу зі стрибкоподібною зміною частоти в режимі аналізу в реальному масштабі часу

Як було сказано в розділі 1, спектрограма будується за трьома координатними осями:
► горизонтальної осі, що становить частоту;
► вертикальної осі, що представляє час;
► координати кольору, що становить амплітуду.
У поєднанні з можливостями синхронізації у реальному масштабі часу, як показано на рис. 3-2, спектрограма є потужним засобом для вимірювання радіосигналів.

Рис.3-2 Режим аналізу спектра в реальному масштабі часу: кілька блоків, зареєстрованих з використанням синхронізації по частотній масці для вимірювання повторюваності нестаціонарних сигналів з перемиканням частоти

При використанні відображення у вигляді спектрограм необхідно пам'ятати кілька основних правил.
► Довжина кадру залежить від діапазону частот (ширший діапазон — коротший кадр).
► Один вертикальний крок спектрограми відповідає одному кадру у реальному масштабі часу.
► Один кадр у реальному масштабі часу — 1024 вибірки у часовій області.
► Найстаріший кадр знаходиться у верхній частині екрана, найновіший — у нижній частині.
► Дані в межах блоку записані безперервно у часі.
► Горизонтальні чорні лінії на спектрограмі становлять межі між блоками. Це розриви між окремими реєстраціями сигналів.
► Біла лінія зліва спектрограми позначає дані після синхронізації.

Звичайний аналіз спектру

У звичайному режимі аналізу спектра, зображеному на рис. 3-3 забезпечуються вимірювання в частотній області шляхом імітації аналізатора спектра з розгорткою. Для частотних діапазонів, що перевершують смугу частот приладу в реальному масштабі часу, аналіз спектра виконується шляхом перебудови аналізатора в досліджуваному діапазоні частот аналогічно звичайному аналізатору спектра (детальніше наведено в кінці цього розділу, в розділі про реєстрацію сигналів). Крім того в цьому режимі забезпечується налаштування роздільної здатності за частотою, функції усереднення та можливість налаштування БПФ та функцій вікна. Синхронізація та безперервне захоплення сигналів у реальному масштабі часу в режимі звичайного аналізу спектра не виконуються.

Рис.3-3 Вимірювання параметрів телевізійного сигналу у частотному діапазоні 1 ГГц із запам'ятовуванням максимуму у стандартному режимі роботи аналізатора спектру

Аналіз спектру із спектрограмою

У режимі аналізу спектра із спектрограмою забезпечуються ті ж функціональні можливості, що й у звичайному режимі аналізу спектра, а також відображення спектрограми. У цьому режимі користувач може вибрати частотний діапазон, що перевищує максимальну смугу частот вибірки аналізатора в реальному масштабі часу. На відміну від режиму аналізу спектра у реальному масштабі часу, при аналізі спектра із спектрограмою відсутня синхронізація
в реальному часі безперервне захоплення сигналу, і дані не зберігаються в пам'яті приладу. Це унеможливлює зворотне прокручування в часі даних, що відображаються на спектрограмі.

Вимірювання у тимчасовій області

Залежність частоти від часу

При вимірі залежності частоти від часу частота відображається вертикальної осі, а час горизонтальною. Отриманий результат схожий на спектрограму, однак є дві важливі відмінності. По-перше, як буде описано далі, дозвіл у часовій області подання у вигляді залежності частоти від часу значно вище, ніж у спектрограми. По-друге, при цьому вимірі в кожній точці часу обчислюється одне середнє значення частоти, а це означає, що відображення складних радіосигналів, як на спектрограмі, неможливе.
Спектрограма складена з кадрів, і її роздільна здатність по лініях дорівнює довжині одного кадру, а роздільна здатність подання у вигляді залежності частоти від часу становить один інтервал вибірки. Вважаючи по 1024 вибірки в кадрі, роздільна здатність у цьому режимі в 1024 рази точніша, ніж у режимі спектрограми. Це полегшує пошук малих та короткочасних зрушень частоти на тлі більших деталей. Ця вистава нагадує дуже швидкодіючий частотомір. Кожна з 1024 вибірок представляє значення частоти в діапазоні кілька сотень герц або кілька мегагерц. Сигнали постійної частоти, такі як безперервна синусоїда або АМ-сигнал, дають плоский, рівний графік.
Подання як залежності частоти від часу забезпечує кращі результати за наявності щодо сильного сигналу однією частоті. На рис. 3-4 у спрощеному вигляді ілюструється різницю між уявленнями у вигляді спектрограми і у вигляді вимірювань частоти в часі. Відображення як залежності частоти від часу можна як масштабоване уявлення збільшеної частини спектрограммы.

Рис.3-4 Порівняння відображення спектрограми та залежності частоти від часу

Таке уявлення допомагає вивчати нестаціонарні процеси, наприклад, викид частоти або «дзвін». Якщо в досліджуваному спектрі є кілька сигналів або один сигнал з підвищеним рівнем шуму або нерегулярними викидами, бажано застосовувати спектрограму. Спектрограма забезпечує візуалізацію всіх частот та амплітуд у вибраному діапазоні.

Рис.3-5 Спектрограма встановлення частоти в інтервалі 5 МГц за частотою та 35 мс за часом

На рис. 3-5, 3-6 і 3-7 зображено аналіз одного і того ж зареєстрованого сигналу в трьох різних уявленнях. На рис. 3-5 зображено застосування синхронізації частотної маски для захоплення нестаціонарного сигналу, що надходить з передавача, в якому спостерігається випадкова нестабільність частоти під час включення. Оскільки генератор не налаштований на частоту, що відповідає середині екрана, синхронізація відбувається після виходу радіосигналу з частотної маски в лівій частині екрана. На спектрограмі праворуч зображено процес встановлення вихідної частоти пристрою.

Рис.3-6 Залежність частоти від часу для встановлення частоти в інтервалі 50 МГц за частотою та 25 мс за часом

На наступних двох малюнках показано відображення залежності частоти від часу цього сигналу. На рис. 3-6 зображено той самий процес встановлення частоти у вигляді спектрограми з тривалістю аналізу 25 мс. Рис. 3-7 ілюструє можливість масштабування до тривалості аналізу, що дорівнює 1 мс. Залежність частоти від часу відображається зі значною роздільною здатністю в часовій області. На цьому малюнку видно залишкові коливання сигналу після встановлення заданої частоти.

Рис.3-7 Збільшення масштабу для перегляду встановлення частоти в інтервалі 50 кГц за частотою та 1 мс за часом

Залежність потужності від часу

На відображенні залежності потужності від часу (рис. 3-8) показано графік зміни потужності сигналу за вибірками. Амплітуда сигналу відображається у дБ мВТ на логарифмічній шкалі. Відображення схоже на перегляд сигналу на осцилографі у часовій області, де по горизонтальній осі час відраховується. По вертикалі, замість напруги за лінійною шкалою, відраховується потужність за логарифмічною шкалою, що становить сумарну потужність, виявлену в частотному діапазоні. Графік сигналу з постійною потужністю є горизонтальною лінією, оскільки потужність сигналу протягом періоду не змінюється.

Рис.3-8 Залежність потужності від часу

Для кожної вибірки у часовій області потужність обчислюється за такою формулою:

Потужність = 10 • log (I ² + Q ² ) / 1 мВт

При всіх вимірах у реальному часі подання як залежності потужності від часу відображається в оглядовому вікні. Крім того, воно відображається у вікні аналізу, де використовується режим залежності потужності від часу.

Додаткова кумулятивна функція розподілу

На поданні у вигляді додаткової кумулятивної функції розподілу вимірюваного сигналу відображається ймовірність того, що відношення пікової потужності до середньої потужності перевершить величину, що відображається на горизонтальній шкалі. Імовірність у відсотках відображається за вертикальною шкалою. Масштаб вертикальної логарифмічної шкали.
При аналізі додаткової кумулятивної функції розподілу вимірюється змінний за часом амплітудний коефіцієнт, що є важливим для багатьох цифрових сигналів, особливо при використанні множинного доступу з кодовим поділом (CDMA) та ортогонального мультиплексування частотним розподілом (OFDM). Амплітудний коефіцієнт - це відношення пікової напруги сигналу до його середньої напруги, виражене в децибелах:

С = 20 • log (V _peak / V _rms )

Амплітудний коефіцієнт сигналу показує, наскільки лінійним повинен бути приймач або передавач, щоб уникнути неприйнятних спотворень сигналу. На рис. 3-9 криві додаткової кумулятивної функції розподілу сигналу виділені жовтим кольором і опорний гауссів сигнал - блакитним. Додаткова кумулятивна функція розподілу та амплітудний коефіцієнт становлять особливий інтерес для конструкторів, яким доводиться забезпечувати компроміс між споживанням енергії та величиною спотворень у таких пристроях як підсилювачі.

Рис.3-9 Вимірювання додаткової кумулятивної функції розподілу

Залежність квадратурних сигналів (I/Q) від часу

Залежність нестаціонарних квадратурних сигналів (I/Q) від часу (рис. 3-10) — ще одне уявлення реальному масштабі часу, у якому відображаються амплітуди сигналів I і Q функції часу. У цьому режимі відображаються необроблені сигнали I і Q, що надходять із цифрового перетворювача зі зниженням частоти. В результаті відображення не синхронізовано з будь-якою модуляцією, яка може бути присутня в аналізованому сигналі, на відміну від відображення сигналів I/Q у часі, що є в пакеті цифрової демодуляції.

Рис.3-10 Вимірювання залежності I/Q від часу під час встановлення нестаціонарного сигналу

Вимірювання в галузі модуляції

Аналіз аналогової модуляції

Режим аналогової демодуляції забезпечує демодуляцію та аналіз сигналів з амплітудною модуляцією (рис. 3-11), частотною модуляцією (рис. 3-12) та фазовою модуляцією (рис. 3-13). Як і при вимірах у часовій області, ці кошти ґрунтуються на аналізі в кількох областях. Вікна спектру та аналізу можуть ставитись до будь-якого місця блоку, що відображається в оглядовому вікні.

Рис.3-11 Аналіз демодуляції імпульсного АМ-сигналу з використанням модуляції з амплітудною маніпуляцією для кодування даних

Рис.3-12 Аналіз демодуляції ЧС-сигналу, що модулюється синусоїдальним сигналом

Рис.3-13 Аналіз демодуляції ФМ-сигналу, що показує фазову нестабільність під час тривалого імпульсу

Аналіз цифрової модуляції

У режимі цифрової демодуляції проводиться демодуляція та аналіз багатьох поширених видів цифрових сигналів на основі фазової маніпуляції, модуляції з частотною маніпуляцією та квадратурною амплітудною модуляцією. Аналізатор спектру в реальному масштабі часу забезпечує проведення різноманітних вимірів, у тому числі: діаграма «сузір'я», величина вектора помилок, помилка амплітуди, помилка фази, демодульовані сигнали I/Q у часі, таблиця символів та глазкова діаграма. Для виконання цих вимірювань необхідно відповідним чином налаштувати такі змінні як тип модуляції, частоту символів, тип фільтра вимірювань (фільтр приймача) і параметр (α/BT), а також тип опорного фільтра.
Аналізатор спектру в реальному часі забезпечує потужні засоби дослідження динамічних модульованих сигналів завдяки поєднанню цифрових демодуляційних вимірювань, характерних для векторного аналізатора сигналів із синхронізацією в реальному масштабі часу із засобами аналізу у кількох областях, як показано на рис. 3-14, 3-15 та 3-16.

Рис.3-14 Аналіз поведінки модуля помилки у часі для сигналу квадратурної амплітудної модуляції 16 QAM дозволяє виявити синусоїдальне обурення амплітуди

Рис.3-15 Діаграма «сузір'я», де показана фазова нестабільність у сигналі головного контролера домену

Рис.3-16 Глазкова діаграма, де показана невелика амплітудна помилка в сигналі головного контролера домену

Аналіз стандартів модуляції

Аналізатор спектру з реальним масштабом часу забезпечує також засоби аналізу модуляції для багатьох стандартів зв'язку, наприклад, W-CDMA, HSDPA, GSM/EDGE, CDMA2000, 1xEV-DO та багатьох інших. На рис. 3-17 та 3-18 наведено приклади аналізу стандартів модуляції.

Рис.3-17 Аналіз модуляції гарнітури W-CDMA в умовах керування потужністю з петлею зворотного зв'язку. Діаграма «сузір'я» (внизу праворуч), на якій подано помилку, пов'язану з великими викидами, що відбуваються під час переходів між рівнями, які можна побачити на графіку залежності потужності від часу (вгорі зліва)

Рис.3-18 Спектрограма, діаграма «сузір'я», оцінка модуля помилки, залежність помилки фази від часу сигналу GSM з перемиканням частоти

Відображення кодограми

На відображенні кодограми (рис. 3-19) в аналізаторі спектра в реальному масштабі часу до вимірювань потужності області кодів для стандартів зв'язку на основі CDMA додається вісь часу. Як і спектрограмі, на кодограмме відображається інтуїтивно зрозумілий процес залежно від часу. На рис. 3-20 зображена кодограма сигналу W-CDMA, отримана за допомогою спектрального аналізатора в реальному масштабі часу. На цих кодограмах відображається імітований вихідний сигнал W-CDMA в режимі стиснення, в якому швидкість передачі миттєво збільшується, завдяки чому з'являються короткочасні перерви передачі. Ці перерви дозволяють обладнанню користувача в стандарті W-CDMA/GSM виконати пошук доступної базової станції GSM, в той час як інші приєднуються до вузла B W-CDMA.

Рис.3-19 Приклад відображення кодограми

Рис.3-20 Вимірювання кодограми для режиму стиснення W-CDMA

Далі буде...

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