Важливо визначитися, який саме пристрій вам потрібен

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру Осцилографів та Аналізаторів Спектру на сторінці сайту в самому кінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади та статті для самоосвіти

Сучасні осцилографи досягли такого рівня розвитку, що тепер вони можуть безпосередньо захоплювати сигнали мікрохвильового та міліметрового діапазону, що традиційно було завданням аналізаторів сигналів та спектру. Цей розвиток порушує питання, чи може осцилограф повністю замінити аналізатор. Отже, які обмеження осцилографа, і в яких сценаріях аналізатор сигналів та спектру, як і раніше, є кращим інструментом?

Найновіші осцилографи високого класу тепер оснащені високошвидкісними аналого-цифровими перетворювачами, які дозволяють їм досліджувати діапазони частот, які були доступні лише за допомогою аналізатора спектра. Завдяки інтеграції широкосмугового аналогового інтерфейсу сучасна архітектура осцилографа дозволяє проводити пряму вибірку високочастотних сигналів без необхідності аналогового перетворення. Це технологічне досягнення дозволяє використовувати безпрецедентні діапазони смуги пропускання аналізу. Фактично деякі з доступних сьогодні осцилографів мають чудову смугу пропускання до 16 ГГц і здатні безпосередньо отримувати номінальний 8 ГГц РЧ-сигнал зі смугою пропускання 16 ГГц. Така можливість нині перебуває поза досяжності будь-якого аналізатора сигналів і спектра над ринком.

З іншого боку, аналізатори спектра можуть охоплювати діапазони частот до 85 ГГц та вище. Цей широкий діапазон дозволяє їм обслуговувати широкий спектр додатків у бездротовому, стільниковому або супутниковому зв'язку, радіолокаційному обладнанні та пристроях IoT. У цих сценаріях якості, властиві виключно аналізаторам спектра, виявляються особливо вигідними. Наприклад, високий динамічний діапазон аналізаторів сигналів та спектру дозволяє їм відображати дуже слабкі сигнали поблизу сильного несучого сигналу. Крім того, їх також можна використовувати для вимірювань у часовій області, таких як оцінка вихідної потужності передавача систем тимчасового мультиплексування як функції часу.

Рухаючись далі, ми заглибимося у різницю між цими двома приладами та розглянемо ідеальні варіанти використання для кожного з них.

Аналізатори сигналів та спектру

Аналізатор спектру відображає силу сигналу як функцію частоти для вибраної смуги роздільної здатності. За допомогою цього дисплея можна вимірювати основні властивості сигналу, а також робити оцінки щодо налаштувань фільтра або частотної характеристики на основі видимої форми сигналу. Інші можливі вимірювання включають відношення сигнал/шум (SNR) та виявлення побічних випромінювань, що може вимагати вимірювань у широкому діапазоні частот.

При роботі в режимі свепта-спектру аналізатор фокусується на певній частині спектра будь-якої миті часу. Ця частотна селективність має вирішальне значення для чудового динамічного діапазону аналізатора, дозволяючи приладу вимірювати та відображати весь спектр частот від 2 до 85 ГГц за один вимір. Крім того, використовуючи зовнішні змішувачі, можна збільшити діапазон частот, що відображається на кілька сотень ГГц.

Аналізатор спектру часто є інструментом вибору, коли потрібні вимірювання спектру для забезпечення відповідності стандартам та правилам. Наприклад, у мобільному радіозв'язку аналізатор спектру є основним інструментом для вимірювання побічних випромінювань, коефіцієнта витоку в сусідній канал (ACLR) та масок спектрального випромінювання (SEM). Вимірювання SEM зосереджені на окремих шпорах, у той час як аналіз ACLR (рисунок 1) включає вивчення інтегрованої потужності в діапазоні частот сусідніх каналів сигналу зв'язку. Обидва вимагають виявлення надзвичайно малих сигналів у безпосередній близькості від сильного сигналу, що наголошує на необхідності динамічного діапазону та частотної селективності аналізатора спектра.

Рисунок 1 - Вимірювання ACLR за допомогою аналізатора спектру

Спектральні аналізатори зазвичай вибираються для вимірювання електромагнітних перешкод (ЕМП) під час попереднього тестування на відповідність. Відповідні стандарти ЕМП вимагають вимірювання мінімальної кількості шпор за допомогою відповідних детекторів ЕМП (квазіпікових, середньоквадратичних та середньоквадратичних (CISPR-RMS)).

У попередньому тестуванні на відповідність аналізатор спектру також є кращим інструментом вимірювання електромагнітних перешкод (ЕМП). Стандарти ЕМП вимагають вимірювання мінімальної кількості шпор за допомогою відповідних детекторів ЕМП, таких як квазіпікові, середньоквадратичні та середньоквадратичні (CISPR-RMS). Використовуючи здатність спектрального аналізатора виявляти і вимірювати ці шпори, попереднє тестування на відповідність може допомогти гарантувати, що пристрій або обладнання, що тестується, відповідає застосовним стандартам ЕМП.

Аналіз цифрового сигналу

Сучасні аналізатори спектра оснащені обробки як цифрових, і аналогових сигналів. Ширина смуги вхідного сигналу зазвичай становить до 1 ГГц, деякі прилади можуть обробляти смуги до 8,3 ГГц. Вхідний каскад аналізатора (як показано на малюнку 2) перетворює сигнал зі зниженням частоти до низької проміжної частоти (ПЧ), дискретизує його за допомогою широкосмугового АЦП і, нарешті, перетворює його в цифровому вигляді зі зниженням частоти в основну смугу для вирівнювання. Отримані цифрові значення I/Q містять всю інформацію про сигнал у межах смуги пропускання та динамічного діапазону. Згодом сигнал може бути підданий подальшій обробці з використанням відповідних вимірювань, специфічних для конкретної програми. Такі вимірювання можуть бути доступні на пристрої або за допомогою програмного забезпечення для ПК, такого як R&S VSE (Vector Signal Explorer).

Рисунок 2 - Аналіз цифрового сигналу за допомогою аналізатора спектра/сигналу

Таким чином, аналізатори спектру використовуються для цифрового аналізу сигналів у системах зв'язку та додатках радіолокацій. Вони вимірюють важливі параметри сигналу, такі як величина вектора помилки (EVM), зміщення або дисбаланс I/Q та відношення рівня пілот каналів до каналів даних. Крім того, вони можуть вимірювати фазу, частоту, модуляцію та рівень імпульсних сигналів протягом тривалості імпульсу в радіолокаційних додатках.

Ці аналізатори можуть вимірювати коефіцієнт шуму і посилення підсилювачів, а також фазовий шум генераторів на рівні компонента, модуля і пристрою. Крім того, деякі висококласні прилади можуть виконувати дуже точні вимірювання майже до рівня теплового шуму.

На додаток до цих можливостей, деякі аналізатори спектру можуть виконувати безперервний аналіз спектра в реальному часі і безперервну потокову передачу цифрових даних I/Q.

Тестування радіочастот за допомогою осцилографів

Сучасні осцилографи з їх широкими смугами аналізу мають широкий спектр застосування, включаючи радари, де смуга пропускання визначає дозвіл діапазону радара. Крім того, для сценаріїв, де сигнал, що цікавить, є вузькосмуговим, осцилограф може вимірювати позасмугові сигнали, такі як гармоніки, сусідні канали і сигнали перешкод.

Однак при отриманні вузькосмугових сигналів з високою смугою аналізу необхідно виявляти особливу обережність, щоб уникнути всіх можливих сигналів перешкод від постійного струму до максимальної частоти осцилографа. Деякі висококласні осцилографи дозволяють користувачам застосовувати цифрові фільтри за допомогою програмних інструментів та імпорту коефіцієнтів фільтрів. Це обмежує вікно аналізу цікавим сигналом, покращуючи ставлення сигнал/шум (SNR).

Однак навіть при використанні цифрових фільтрів досяжний час захоплення для вузькосмугових сигналів може бути обмеженим. Час захоплення для сигналу BLE у попередньому прикладі становить менше однієї секунди, навіть якщо частота дискретизації знижена до мінімуму, вказаного теоремою Найквіста. Деякі високопродуктивні осцилографи із можливостями цифрового понижуючого перетворення можуть продовжити час захоплення таких сигналів. Наприклад, сигнал Bluetooth®Low Energy (BLE) шириною 2 МГц на центральній частоті 2,4 ГГц може бути захоплений протягом приблизно 500 секунд за допомогою цифрового перетворення.

Розширена система спрацьовування

Порівняно з аналізаторами сигналів і спектра, осцилографи мають більш досконалу систему запуску, яка дозволяє виявляти короткі, пакетні, переривчасті або імпульсні сигнали. Ця функція особливо корисна в додатках радіолокації, де точне виявлення початку імпульсу або чирпа має вирішальне значення. На відміну від осцилографів зі звичайним аналоговим запуском, осцилографи Rohde & Schwarz поставляються із повністю цифровою системою запуску, яка працює безпосередньо з вибірками АЦП. Це призводить до меншого джиттера запуску та більш гнучкої чутливості запуску. Крім того, всі типи запуску можуть підтримувати повну смугу пропускання осцилографа.

Фазово-когерентний багатоканальний аналіз

Багатоантенні конструкції стають все більш важливими для бездротових додатків, наприклад, при оцінці кута прибуття (AoA) в системах радіолокації. Декілька щільно вирівняних каналів, що надаються осцилографами, є економічно ефективним і простим рішенням для тестування багатоантенних систем. На відміну від аналізаторів спектра, вони не вимагають додаткових удосконалень для виконання фазово-когерентних вимірювань, гарантуючи, що всі канали постійно фазово-когерентні.

Однак, при тестуванні обладнання з частотними діапазонами за межами максимальної смуги пропускання осцилографа для отримання сигналів необхідний зовнішній змішувач. Осцилограф з деэмбеддингом у час може компенсувати втрати, викликані додатковими компонентами по дорозі сигналу. Хоча базові інструменти аналізу для часової та частотної області часто вбудовані (рис. 3), для поглибленого аналізу імпульсів та перехідних процесів може знадобитися спеціальний інструмент, такий як програмне забезпечення R&S VSE.

Рисунок 3 - Аналіз сигналу автомобільного радара з використанням бортових інструментів осцилографа

Системи з кількома антенами також є важливими для зв'язку 5G NR. Формування променя, яке потрібно передачі сигналу в певному напрямку, вимагає декількох антен і точного, послідовного зсуву фази кожного сусіднього вхідного потоку сигналу. Осцилограф, такий як R&S RTP, який пропонує чотири вхідних потоків і підтримує фазову когерентність, може обробляти кілька вхідних каналів 5G NR. Програмне забезпечення R&S VSE дозволяє виконувати широкий спектр вимірювань, включаючи вимірювання, специфічні для MIMO, такі як різниця фаз між вхідними сигналами, які можуть допомогти охарактеризувати промені та протестувати передавачі на базових станціях 5G NR або малих сотах.

Налагодження на системному рівні

На відміну від аналізаторів сигналів та спектру, осцилографи є універсальними приладами, які пропонують широкий спектр вимірювальних можливостей, крім отримання радіочастотного сигналу. Крім того, вони поставляються з декількома опціями для запуску та декодування шини, а також вимірювання потужності, часу та частотної області. Забезпечуючи узгоджене тимчасове вирівнювання між цими вимірами, осцилографи дозволяють користувачам зіставляти отримані радіочастотні сигнали з іншими сигналами, такими як напруга живлення або сигнали цифрової шини. Наприклад, при розробці та налагодженні автомобільних модулів радіолокацій користувачі можуть використовувати осцилографи для одночасного захоплення сигналів CAN або Ethernet разом з радіолокаційними сигналами.

БПФ та зональний тригер

Розширені осцилографи зазвичай включають можливості FFT, які дозволяють користувачам зіставляти сигнали у часовій та частотній областях. Наприклад, зростання стандарту UWB 802.15.4z в автомобільних додатках вимагає одночасного вивчення сигналів UWB в обох областях. Функція FFT, що стробується, на осцилографах Rohde & Schwarz пропонує можливість вибору певної частини сигналу в часовій області і відображення відповідного їй спектру. Також можливі спектральні вимірювання, такі як потужність каналу та смуга пропускання, що займається (див. рис. 4).

Рисунок 4 - Вимірювання UWB-сигналу у часовій та частотній області

При дослідженні електромагнітних перешкод (ЕМП) в електронних конструкціях може бути корисним поєднання спеціального зонда ближнього поля та осцилографа з можливостями БПФ та тригера. Це дозволяє досліджувати ЕМП як у тимчасовій, так і в частотній областях, що дозволяє локалізувати та проаналізувати джерело перешкод. Для налагодження ЕМП деякі висококласні осцилографи також пропонують функцію зонного тригера. Визначаючи декілька зон у тимчасовій та частотній областях та поєднуючи їх за допомогою логічних операторів, стає простіше досліджувати ефекти загасання сигналу WLAN, викликані переривчастими або короткочасними перешкодами. Це може заощадити час і зусилля при спробі відстежити причини проблем, пов'язаних з ЕМП.

Висновки

Аналізатор спектру та сигналів - ідеальний інструмент для додатків, що потребують частотної селективності. Він має широкий динамічний діапазон і дозволяє проводити вимірювання ACLR та SEM відповідно до стандартів, а також вимірювання фазового шуму та коефіцієнта шуму/посилення та аналіз спектру в реальному часі. За допомогою демодуляції сигналу аналізатори можуть забезпечувати кращі результати, особливо для сигналів з великою смугою пропускання та високим пік-фактором. Вони також пропонують високу максимальну вхідну частоту, безперервну розгортку та розширений безшовний час запису.

З іншого боку, осцилографи пропонують чудову смугу аналізу, повне захоплення сигналу, включаючи компоненти постійного струму та кілька фазово-когерентних входів. Вони переважні для широкосмугового вимірювання сигналів в аналоговій базовій смузі, фазово-когерентних вимірювань кількох джерел та корелюваних за часом багато доменних вимірювань.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник осцилографів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/ostcillografy

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