Алгоритми обробки цифрового сигналу

Вступ

Ви коли-небудь замислювалися над тим, що відбувається з сигналом від пристрою, коли він (сигнал) надходить на вхід такого вимірювального приладу як аналізатор сигналів? Якщо ні, то варто було б. Розуміння того, як ваш сигнал проходить обробку «у череві» аналізатора сигналів допоможе здійснювати вимірювання з максимальною точністю. Небажання мати уявлення про те, як функціонує аналізатор, призведе до виникнення помилок і, як результат, до неточних результатів вимірювань. В рамках цієї статті ми розглянемо основи пристрою високотехнологічного аналізатора сигналів та як ви зможете застосовувати ці знання для уникнення помилок та оптимізації алгоритмів вимірювань.

Сигнал надходить на вхід Аналізатора Сигналів

Коли ви підстикуєте пристрій під тестуванням (DUT) до входів свого аналізатора, сигнал проходить через атенюатор РЧ входу і підсилювач. Ці компоненти призначені для масштабування сигналу тих рівнів, які інші компоненти і вузли аналізатори здатні сприймати. Крім того, атенюатор РЧ входу і підсилювач забезпечують контроль шкали сигналу, що тестується, представленого на екрані Аналізатора. При масштабуванні сигналу пам'ятайте, що установки атенюатора можуть допомогти вам оптимізувати співвідношення сигнал/шум (SNR). У разі сигналу низького рівня зниження величини вхідного згасання та активізація підсилювача здатні підвищити чутливість, формально відому як Відображається Середній Рівень Шумів (DANL) Аналізатора. Але у випадку сигналу високої потужності, цілком імовірно, що ви знайдете доцільним активувати функцію згасання для зниження величини вхідної потужності, тим самим запобігаючи перевантаженню, спотворенню та посиленню стиснення.

Потім сигнал пройде через фільтр. У разі аналізаторів діапазону початкового рівня це буде стандартний смуговий фільтр. Якщо фільтр вашого аналізатора сигналів є пре-селектором, це буде налаштований смуговий фільтр, що переміщається через частотну область: від низьких до високих частот. Попередній селектор визначає діапазон частот, який захоплюється аналізатором у конкретний момент. Це буде продовжуватися, поки пре-селектор не пройде всю вибрану частотну смугу аналізу. Оскільки фільтр здійснює режим розгортки по всіх частотах сигналу, що тестується, то цей сигнал пройде через мікшер. На цьому етапі нам потрібно швидко перейти на інший вхід мікшера, щоб зрозуміти, що буде з вашим сигналом далі.

Мікшер

Мікшер - це трипортовий нелінійний пристрій. Як мовилося раніше, вхідний порт мікшера приймає сигнал від пристрою. Одночасно роз'єм місцевого гетеродина мікшера (LO) приймає сигнал від локального генератора, який, переміщаючись по смузі вимірюваної частоти, налаштовується генератором розгортки. Третій роз'єм мікшера – вихід, що є змішанням вхідного сигналу і сигналу від LO.
Іншими словами, вихід мікшера є сумою та різницею частот вашого (тестованого) сигналу та частот місцевого гетеродина. Коли цей змішаний вихідний сигнал еквівалентний значенню Проміжної частоти (IF), відбувається відфільтровування шляху проходження сигналу, після чого цей змішаний сигнал проходить через фільтр IF і продовжує свій шлях. У цей час аналізатор сигналів ідентифікує частоту вашого сигналу, що дозволяє всієї вимірювальної системі «турбуватися» про лише амплітуді, ніж про амплітуду і частоті. Але перед тим, як задіяти наступний фільтр, мікшер направляє сигнал на Аналого-Цифровий Перетворювач (ADC) для перетворення аналогового сигналу в цифровий формат. Перевірте характеристики вашого аналізатора сигналів, так як мікшери можуть додавати піки, шум або гармоніки - вам необхідно мати можливість відрізняти характеристики сигналу, які властиві пристрою, що тестується, від доданих або посилених від впливу мікшера.

Обробка цифрового сигналу
Фільтр проміжної частоти (IF Filter)

Тепер, коли ваш сигнал пройшов процедуру змішування та його частоти ідентифіковані, сам сигнал перетворено на цифровий формат - тепер він проходить через фільтр IF. Налаштування, за допомогою якого ви контролюєте IF filter, є роздільна здатність смуги пропускання (RBW), смуга 3 dB фільтра IF. Якщо формулювати інакше, то RBW є величиною (заходом) мінімального поділу між двома частотними компонентами, що потрібно для спостереження їх на екрані Аналізатора в якості окремо взятих сигналів. Широка роздільна здатність RBW дозволяє вам здійснювати швидку розгортку, але при цьому ви отримуєте меншу роздільну здатність по горизонталі і вищий поріг шумів, оскільки в цьому випадку ви розглядаєте ширшу смугу частот у кожний момент часу режиму розгортки. Вузький фільтр RBW вимагає більшого часу на розгортку, але при цьому проводить близьку роздільну здатність окремих сигналів за їх частотою, знижує шумовий поріг і підвищує точність при зчитуванні параметрів частоти, т.к. у цьому випадку ви розглядаєте меншу смугу пропускання у кожний момент часу. Ця концепція наочно представлена рис. 1

Рис. 1 Ілюстрація налаштувань RBW: широкої, середньої та вузької

Можливість контролювати смугу пропускання фільтра IF або RBW дає вам до рук важелі керування типами вимірювань, які потрібно здійснювати, відповідно та отримувати бажані дані. Все, що описано вище, має аналогію сита: – широко сітчасте сито просіюватиме пісок швидше, при цьому компоненти малого розміру можуть бути не захоплені – і навпаки, сито вузько сітчасте просіюватиме довше, але при цьому з гарантією того, що ви нічого не пропустите , чи це великі або маленькі компоненти.

Встановлюйте широкий RBW, коли є необхідність у широкому діапазоні, тим самим максимально спрощуючи вимірювання і не ув'язуючи в дрібницях, наприклад, коли цілком достатньо результатів загального призначення, швидких, за принципом: «перевірив і добре…». Або ж, ви можете використовувати широкий RBW, коли важлива тільки швидка розгортка і не більше. Навпаки, встановлюйте вузьку роздільну здатність RBW, коли вам потрібно копнути глибоко, коли важливі докладні результати вимірювань, як то налагодження несправностей пристрою або пошук паразитних сигналів і викидів, як відомих, так і немає.

Цифрові детектори

Після фільтру IF сигнал проходить через цифрові датчики. Цифрові детектори визначають амплітуду сигналу, що тестується за часом (тривалістю) розгортки. Найважливішою перевагою цифрового аналізатора сигналів перед аналоговим побратимом є здатність першого вибирати дані, що відображаються на екрані.

АЦП захоплює та видає величезні масиви вибірок даних. Фактично ви отримуєте від АЦП більше точок даних, ніж це потрібно для формування повноцінного зображення сигналу, що тестується на екрані Аналізатора. Не втрачаючи точності при його (сигналу) відтворенні, ви можете розділяти всі отримані дані на свого роду порції (кластери), при цьому вичленовувати з цих порцій окремі точки для подальшої реконструкції сигналу. А це саме те, що роблять цифрові детектори.

Технологія цифрового виявлення дозволяє визначати набір даних у кожному кластері, які (набори даних) використовуються на основі різних алгоритмів. Один із цих алгоритмів є т.зв. Тип Позитивного Детектора, який ідентифікує найбільший набір даних у кожному кластері. Тип Негативного Детектора виявляє найменший набір даних у кожному кластері. Застосовувати ці типи детекторів ефективно, якщо у вас стоїть завдання в розумінні крайнощів, тобто переконатися в тому, що максимальні або мінімальні набори даних ніколи не перетнуть певний поріг, беручи до уваги найкращі та/або гірші сценарії. Виявлення вибірок схоже вибір випадкового набору даних – зазвичай, алгоритм, використовуваний такого режиму, вибирає точки даних у кожному кластера. рис 2 для ілюстрації цих трьох типів детекторів. Інші типи детекторів включають Нормальний тип і Середньоквадратичний.

Рис. 2 Типи детекторів

"Подорож" сигналу закінчується і ми можемо приступати до вимірювань

У цій ситуації Аналізатор Сигналів має всю повноту інформації. У приладу є точки даних амплітуди на різних частотах, тому стало можливим якісно відображати сигнал на екрані. Ви можете додавати маркери, маски, масштабувати відображення форми хвилі, регулювати Дозвіл по смузі частот (RBW) і шкали, а також робити багато, щоб максимально оптимізувати свої вимірювання під завдання, що стоять перед вами.

Висновки

Розуміння алгоритму проходження тестованого сигналу всередині аналізатора допоможе вам знайти розуміння не тільки того, які процеси відбуваються всередині цього приладу, але, що найважливіше - здійснювати якісні вимірювання. Налаштування згасання допоможуть переглядати сигнал на вибраній шкалі, а також контролювати співвідношення сигнал/шум. Налаштування роздільної здатності по смузі частот (RBW) дає можливість керувати роздільною здатністю по горизонталі, точністю показань частоти та швидкістю вибірки аналізатора сигналів. Крім того, ви можете вибрати тип детектора для отримання повного розуміння амплітуди сигналу, що тестується на предмет того, чи хочете ви бачити максимальні, мінімальні, довільні або усереднені набори даних по амплітуді досліджуваного сигналу.

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