Доступні аналізатори спектру – це для любителів. 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

Автор: Кеннет Уайєтт - головний консультант Wyatt Technical Services LLC, а також колишній старший технічний редактор журналу Interference Technology Magazine (з 2016 по 2018 рік). Він живе в Колорадо і більше 30 років працює в галузі проектування ЕМС, спеціалізуючись на усуненні несправностей ЕМІ та попередньому тестуванні на відповідність.

Цифрові схеми можуть виробляти широкий діапазон гармонійних частот, аналізатори спектру можуть показати вам цей спектр радіочастот (потужність чи напруга) залежно від частоти (див. рисунок 1). Це єдина частина обладнання, яка потрібна для усунення несправностей ЕМС. Але ці інструменти традиційно були найдорожчим предметом у наборі будь-якого інженера. Ви можете купити пристойний портативний лабораторний пристрій за 10–20 тис. доларів, а ті, що були у використанні, коштують від 1 до 5 тис. доларів, якщо вас не бентежить вага в 30–80 фунтів або початкові інвестиції.

Багато компаній малого або середнього розміру можуть не мати бюджету на покупку аналізатора лабораторної якості, проте кілька виробників тепер випускають доступні якісні прилади, які ідеально підходять для усунення несправностей та попередньої перевірки на відповідність. Я перерахую кілька приладів, з яких можна вибирати і «спати спокійно».

Рисунок 1. Типовий дисплей аналізатора спектру, що показує вузькосмугові гармоніки від годинника Ethernet і широкосмугові випромінювання від перетворювача постійного струму. Обидва виходять за межі 1,5 ГГц! Біле коло вказує на стільниковий зв'язок LTE у США та близький до діапазону GPS на частоті 1575 МГц.

Вибір аналізатора спектра

Перед купівлею аналізатора спектра слід врахувати кілька важливих характеристик: вартість, діапазон частот, допустимий діапазон частот, форм-фактор та тип збору даних.

Вартість – вартість може змінюватись від 50 до 5000 доларів, але кілька хороших настільних аналізаторів можна купити приблизно за 2000 доларів. Вартість портативних аналізаторів може змінюватись від 100 до 2500 доларів залежно від якості та характеристик.

Діапазон частот – багато аналізаторів можуть охоплювати до 1 ГГц, що є мінімальною бажаною частотою для загального усунення несправностей. Деякі тести ЕМС вимагають вимірювання до 10 кГц (для військових/аерокосмічних) або 150 кГц (для комерційних/промислових). Залежно від продукту, максимальної тактової частоти та стандарту ЕМС, верхній діапазон частот може розширюватися до 6 ГГц (комерційних/промислових) або 18 ГГц (військових/аерокосмічних).

Допустимий діапазон частот – Зазвичай це не проблема для більшості комерційних аналізаторів спектру, але деякі недорогі програмно-визначені радіостанції (SDR), які можуть використовуватися як аналізатори спектру, обмежені в діапазоні частот, що ними відображаються. Це може бути проблемою для усунення несправностей, оскільки обмежує те, що ви можете бачити за один раз.

Форм-фактор – найкориснішими будуть аналізатори, призначені для настільного використання. Більш сучасні доступні аналізатори мають менші розміри, що дозволяє звільняти більше місця на вашому столі для усунення несправностей. Для польового використання або якщо вам потрібно взяти аналізатор із собою у поїздку, портативний варіант буде чимось, що варто розглянути. Існує також клас аналізаторів, які керуються через USB та залежать від підключеного ноутбука для відображення та керування.

Тип збору даних – в основному існує два типи збору даних вимірів: з розгорткою та в реальному часі. Аналізатори з розгорткою дуже схожі на класичні осцилографи в тому, що діапазон частот «розгортається» між початковою та кінцевою частотами, потім аналізується та відображається в серії подій (розгортка – аналіз/вимір – відображення), тому між розгортками є деякий час простою, поки система вимірює, обробляє дані та відображає результати. Це може призвести до пропуску деяких пульсуючих або переривчастих захватів частоти. З іншого боку, збір даних у реальному часі – це набагато швидший процес збору та відображення інформації про частоту і за такого швидкого процесу, що здається, ніби дисплей показує отримані дані в «реальному часі». Цей швидкий збір даних залежить від надзвичайно швидкого аналого-цифрового перетворення, одночасної обробки БПФ та потужних комп'ютерних процесорів. Аналізатори в реальному часі зазвичай можуть захоплювати імпульсні радіочастотні події тривалістю до 1 мкс і дуже корисні для відображення переривчастих перешкод чи цифрових модуляцій та їх характеристик.

Аналізатори бюджету/хобі

Наступні прилади, ймовірно, не призначені для серйозної діагностики ЕМС, але здатні відображати як широкосмугову, так і вузькосмугову гармонійну енергію. Вони, звичайно, можуть бути корисними для грубої перевірки випромінювань, але насправді призначені для любителів електроніки.

RF Explorer – для любителів або компаній з жорстким бюджетом можна розглянути RF Explorer, який коштуватиме 130 доларів (див. малюнок 2). Хоча діапазон частот складає всього 240-960 МГц (доступний додатковий модуль Wi-Fi за 60 доларів), це все ще розумний інструмент для усунення несправностей на більш високих гармоніках. DANL не надто гарний при -90 дБм, але він досить чутливий, щоб була можливість підключити зонд ближнього поля безпосередньо до входу SMA та спостерігати пристойний сигнал.

Рисунок 2. Модель RF Explorer WSUB1G налаштовується в діапазоні від 240 до 960 МГц і коштує лише 130 доларів.

Занадто вузький діапазон частот? Розробник RF Explorer анонсував покращену модель WSUB3G, яка налаштовуватиметься від 15 МГц до 2,7 ГГц за ціною 260 доларів. Обидві моделі RF Explorer доступні в Seeed Studio, магазині електроніки для любителів, в Шеньчжені, Китай.

AirSpy (бюджетний аналізатор спектру на основі SDR) – було представлено кілька аналізаторів спектру на основі програмно-визначуваного радіо (SDR), які є надзвичайно недорогими та підходять для усунення несправностей електромагнітних перешкод загального призначення. Цей крихітний модуль (див. рис. 3) насправді є високоякісним SDR, який може налаштовуватися від 24 МГц до 1,8 ГГц і має чутливість до -130 дБм. Якщо вам потрібно ще більше знизити частоту, вони мають супутній Spyverter, який налаштовується від постійного струму до 60 МГц. Обидва пристрої керуються через USB, а обробка виконується стандартним ПК під керуванням Windows.

Особливі зусилля були докладені для забезпечення екранування та захисту від перехідних процесів роз'єму вводу-виводу. Вартість AirSpy складає всього $199, а Spyverter – додаткові $59. Обидва можна замовити на веб-сайті AirSpy.

Рисунок 3. Програмно-визначуване радіо AirSpy (ліворуч) може успішно використовуватися як бюджетний аналізатор спектру. Також показаний низькочастотний перетворювач Spyverter (праворуч), який дозволяє налаштовуватися від DC до 60 МГц.

При керуванні за допомогою безкоштовного програмного забезпечення для ПК Spectrum Spy AirSpy може відображати відносно точний спектральний графік (див. Рисунок 4). Зверніть увагу також на функцію відображення водоспаду, яка реєструє частоту в залежності від часу. Це корисно для відстеження уривчастих імпульсів ЕМІ або радіопередач. Крім того, програмне забезпечення дозволяє вести безперервний запис випромінювання на жорсткий диск ПК (не більше його ємності).

Рисунок 4. AirSpy вимірює випромінювання від інтегрованої плати процесора. Тактову частоту процесора 270 МГц можна спостерігати.

Веб-сайт AirSpy містить посилання на багато корисних програмних програм. Можна використовувати «SDR#», що часто використовується (вимовляється як «SDR Sharp»), але він обмежений діапазоном всього в 10 МГц.

Я б рекомендував завантажити програму SpectrumSpy, тому що вона точніше дублює елементи управління звичайного аналізатора спектру. Немає багато тонкощів, таких як вимірювання в дБмкВ, максимальне утримання, маркери, регульовані смуги пропускання дозволу і т. д., але SpectrumSpy працює для загальних вимірювань; можна вказати центральну частоту, діапазон і верхню/нижню межі частоти. Однією з приємних особливостей є те, що діапазон не обмежений всього 10 МГц, а може відображати широку смугу частот набагато корисніше для усунення несправностей з ЕМП. Зверніть увагу, що амплітуда доступна лише в дБм.

Точність частоти та амплітуди прийнятні. Я не впевнений, що використовуватиму цей продукт для попереднього тестування на відповідність, але для загального усунення неполадок та освітніх цілей він повинен працювати добре.

Аналізатор спектру Tiny – «TinySA» підкорив спільноту любителів (див. рис. 5). Цей аналізатор спектру з розгорткою вартістю менше 100 доларів можна придбати на Amazon та у багатьох інших джерелах. Оскільки існує безліч неефективних клонів, офіційна організація-розробник (https://www.tinysa.org/wiki/) має у своєму розпорядженні інформацію про те, як досягти «справжньої угоди».

Безпечним продавцем є Amazon, але у Wiki перераховано багато інших.

Рисунок 5. TinySA може налаштовуватися від 100 кГц до 350 МГц та від 240 до 960 МГц у двох діапазонах.

Загальні характеристики включають:

Аналізатор спектру з двома входами, високоякісний вхід СЧ/ВЧ/ВВЧ для 0,1 МГц – 350 МГц, менш якісний вхід УВЧ для 240 МГц – 960 МГц
Генератор сигналів з двома виходами: синусоїдальний вихід діапазону від 0,1 МГц до 350 МГц і прямокутний вихід діапазону від 240 МГц до 960 МГц, коли не використовується як аналізатор спектру.
Смугові фільтри роздільної здатності, що перемикаються, для обох діапазонів від 2,6 кГц до 640 кГц
Кольоровий дисплей, що відображає 290 точок сканування, що охоплюють весь діапазон низьких та високих частот.
Вхідний ступінчастий атенюатор від 0 дБ до 31 дБ для входу СЧ/ВЧ/ВВЧ
Вбудований генератор калібрувального сигналу, який використовується для автоматичної самоперевірки та калібрування низького вхідного сигналу.
Підключення до ПК через USB (аналізатор спектру або генератор сигналів, керований ПК)
Акумуляторна батарея, що забезпечує щонайменше 2 години портативного використання
УВАГА: Максимальний вхідний рівень +10 дБм.

Ця невелика та недорога конструкція має певні обмеження:

Внутрішній фазовий шум встановлює чітку нижню межу для вимірювання фазового шуму.
Мінімальна смуга пропускання роздільної здатності 2,4 кГц не дозволяє побачити більше спектральних деталей.
Високий вхід (від 240 до 960 МГц) має дуже обмежене придушення зображення і тільки один рівень додаткового вбудованого атенюатора, що ускладнює інтерпретацію складних сигналів.
Додатковий вхідний атенюатор із високим вхідним сигналом залежить від частоти та варіюється від 25 дБ до 40 дБ.
При нижчих смугах пропускання роздільної здатності (нижче 30 кГц) час вимірювання на точку починає збільшуватися через реалізацію фільтра роздільної здатності.
Обмеження продуктивності екранування та фільтрів можуть призвести до появи певних зображень та шпор, але певні функції, такі як придушення шпор та перемикання на нижчу ПЧ, можуть допомогти виявити та/або зменшити ці шпори та зображення.
Нижче 0,1 МГц чутливість починає знижуватись.
Нижче 1 МГц рекомендується вимкнути автоматичне регулювання підсилення (АРУ) і, по можливості, включити підсилювач малошумливий (МШУ) для отримання найкращої якості вимірювань.
При використанні телескопічної антени, що входить до комплекту поставки, або антени з низькою смугою пропускання, слід враховувати випромінювання мікроконтролера TinySA на частоті 48 МГц та його гармоніки.

Однак для усунення загальних проблем із викидами цього може бути достатньо. Дисплей включає маркери разом із водоспадним дисплеєм. Їм також можна керувати через USB за допомогою ПК із безкоштовним програмним забезпеченням.

Професійні портативні аналізатори

Професійні портативні аналізатори є корисними інструментами для більш серйозного пошуку та деталізації несправностей ЕМС. поля, прикріплені безпосередньо до входу.

Ручний аналізатор AIM-TTi PSA2702T – якщо вам потрібен високоякісний портативний спектральний аналіз у польових умовах, ви можете розглянути портативний Thurlby Thandar Instruments (AIM-TTi) PSA2702T (див. Малюнок 6) Я використовував один з них протягом багатьох років і недавно оновив його до моделі зі смугою пропускання 6 ГГц, описаною нижче.

PSA2702T охоплює діапазон від 1 МГц до 2,7 ГГц і включає три смуги пропускання роздільної здатності: 15 кГц, 280 кГц і 1 МГц. Є два маркери, які можуть зчитувати амплітуду та частоту, а також дельту. запрограмувати на подачу звукового сигналу, зупинку розгортки, реєстрацію розгортки або видачу вихідного імпульсу при перевищенні межі.

Рисунок 6. Thurlby Thandar PSA2702T – це доступний портативний аналізатор спектру, що охоплює діапазон від 1 МГц до 2,7 ГГц. Вартість складає 1695 доларів США

Пристрій може відображати амплітуди в дБм, дБмкВ, мВ або мкВт, і є два опорні рівні: 0 і -20 дБм. Є простий відеофільтр (вкл./викл.), але він також включає усереднення та «утримання піку». Точність амплітуди та частоти прийнятна для пристрою такого розміру та підходить для загальних цілей усунення несправностей. Однак, вам захочеться перейти на лабораторний аналізатор для найбільш точних вимірювань або тестування на відповідність. Конфігурації налаштувань можна зберігати та викликати, а екран можна захоплювати та зберігати у внутрішній пам'яті або на USB-накопичувачах. В даний час підтримуються не всі флеш-накопичувачі. Працюватимуть лише ті, які відповідають класу USB Mass Storage Class (MSC) та мають ємність від 32 МБ до 32 ГБ. Мені довелося перепробувати кілька, перш ніж знайшов той, який підійде мені. Докладніша інформація про це включена до керівництва.

Прилад оснащений великим TFT LCD-дисплеєм з підсвічуванням розміром 5,5 на 9,5 см (4,3 дюйми) та корисною областю відображення форми сигналу 5,5 на 5,5 см (2,25 дюйми у квадраті). Частина дисплея, що залишилася, відведена під індикатори стану і трирівневе меню. Мені подобається, що вкладені меню завжди помітні, і мені рідко доводиться вгадувати, де знайти функцію. Дисплей чіткий і легко читається. Нова модель також постачається з відкидною захисною кришкою, яку можна натиснути і знову встановити на задню частину, щоб підперти пристрій (див. малюнок 7). Літій-іонний акумулятор, схоже, працює тижнем. Мені доводилося заряджати свій приблизно раз на місяць, щоб підвести його.

Пристрій навіть включає схему демодулятора AM/FM та роз'єм для навушників нагорі для оцінки потенційних комерційних навколишніх сигналів. Є кілька ключових апаратних елементів керування для маркерів, передустановок та запуску/зупинки, але більшість із них – сенсорні програмні клавіші.

ПРОДОВЖЕННЯ СЛІДУЄ…

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