Доступные анализаторы спектра - это для любителей. ЧАСТЬ 1

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с предлагаемыми Анализаторами спектра, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Автор: Кеннет Уайетт — главный консультант Wyatt Technical Services LLC, а также бывший старший технический редактор журнала Interference Technology Magazine  (с 2016 по 2018 год). Он живет в Колорадо и более 30 лет работает в области проектирования ЭМС, специализируясь на устранении неполадок ЭМИ и предварительном тестировании на соответствие.

Цифровые схемы могут производить широкий диапазон гармонических частот, анализаторы спектра могут показать вам этот спектр радиочастот (мощность или напряжение) в зависимости от частоты (см. Рисунок 1). Это единственная часть оборудования, которая необходима для устранения неполадок ЭМС. Но эти инструменты традиционно были самым дорогим предметом в наборе любого инженера. Вы можете купить приличное портативное лабораторное устройство за 10–20 тыс. долларов, а бывшие в употреблении стоят от 1 до 5 тыс. долларов, если вас не смущает вес в 30–80 фунтов или первоначальные инвестиции.

Многие компании малого или среднего размера могут не иметь бюджета на покупку анализатора лабораторного качества, однако несколько производителей теперь выпускают доступные качественные приборы, которые идеально подходят для устранения неполадок и предварительной проверки на соответствие. Я перечислю несколько приборов, из которых можно выбирать и «спать спокойно»..

Рисунок 1. Типичный дисплей анализатора спектра, показывающий узкополосные гармоники от часов Ethernet и широкополосные излучения от преобразователя постоянного тока. Оба выходят за пределы 1,5 ГГц! Белый круг указывает на сотовую связь LTE в США и близок к диапазону GPS на частоте 1575 МГц.

Выбор анализатора спектра

Перед покупкой анализатора спектра следует учесть несколько важных характеристик: стоимость, диапазон частот, допустимый диапазон частот, форм-фактор и тип сбора данных.

Стоимость  – стоимость может варьироваться от 50 до 5000 долларов, но несколько хороших настольных анализаторов можно купить примерно за 2000 долларов. Стоимость портативных анализаторов может варьироваться от 100 до 2500 долларов в зависимости от качества и характеристик.

Диапазон частот  – Многие анализаторы могут охватывать до 1 ГГц, что является минимальной желаемой частотой для общего устранения неполадок. Некоторые тесты ЭМС требуют измерения до 10 кГц (для военных/аэрокосмических) или 150 кГц (для коммерческих/промышленных). В зависимости от продукта, максимальной тактовой частоты и стандарта ЭМС верхний диапазон частот может расширяться до 6 ГГц (коммерческих/промышленных) или 18 ГГц (военных/аэрокосмических).

Допустимый диапазон частот  – Обычно это не проблема для большинства коммерческих анализаторов спектра, но некоторые недорогие программно-определяемые радиостанции (SDR), которые могут использоваться в качестве анализаторов спектра, ограничены в диапазоне отображаемых ими частот. Это может быть проблемой для устранения неполадок, поскольку ограничивает то, что вы можете видеть за один раз.

Форм-фактор  – наиболее полезными будут анализаторы, предназначенные для настольного использования. Более современные доступные анализаторы также имеют меньшие размеры, что позволяет освобождать больше места на вашем столе для устранения неполадок. Для полевого использования или если вам нужно взять анализатор с собой в поездку, портативный вариант будет чем-то, что стоит рассмотреть. Существует также класс анализаторов, которые управляются через USB и зависят от подключенного ноутбука для отображения и управления.

Тип сбора данных  – в основном существует два типа сбора данных измерений: с разверткой и в реальном времени. Анализаторы с разверткой очень похожи на классические осциллографы в том, что диапазон частот «развертывается» между начальной и конечной частотами, затем анализируется и отображается в серии событий (развертка – анализ/измерение – отображение), поэтому между развертками есть некоторое время простоя, пока система измеряет, обрабатывает данные и отображает результаты. Это может привести к пропуску некоторых пульсирующих или прерывистых захватов частоты. С другой стороны, сбор данных в реальном времени – это гораздо более быстрый процесс сбора и отображения информации о частоте и при таком быстром процессе, что кажется, будто дисплей показывает полученные данные в «реальном времени». Этот быстрый сбор данных зависит от чрезвычайно быстрого аналого-цифрового преобразования, одновременной обработки БПФ и мощных компьютерных процессоров. Анализаторы в реальном времени обычно могут захватывать импульсные радиочастотные события длительностью до 1 мкс и очень полезны для отображения прерывистых помех или цифровых модуляций и их характеристик.

Анализаторы бюджета/хобби

Следующие приборы, вероятно, не предназначены для серьезной диагностики ЭМС, но они способны отображать как широкополосную, так и узкополосную гармоническую энергию. Они, конечно, могут быть полезны для грубой проверки излучений, но на самом деле предназначены для любителей электроники.

RF Explorer – для любителей или компаний с жестким бюджетом можно рассмотреть RF Explorer, который обойдется в 130 долларов (см. рисунок 2). Хотя диапазон частот составляет всего 240–960 МГц (доступен дополнительный модуль Wi-Fi за 60 долларов), это все еще разумный инструмент для устранения неполадок на более высоких гармониках. DANL не слишком хорош при -90 дБм, но он достаточно чувствителен, чтобы была возможность подключить зонд ближнего поля непосредственно к входу SMA и наблюдать приличный сигнал.

Рисунок 2. Модель RF Explorer WSUB1G настраивается в диапазоне от 240 до 960 МГц и стоит всего 130 долларов.

Слишком узкий диапазон частот? Разработчик RF Explorer анонсировал улучшенную модель WSUB3G, которая будет настраиваться от 15 МГц до 2,7 ГГц по цене 260 долларов. Обе модели RF Explorer доступны в Seeed Studio , магазине электроники для любителей, в Шэньчжэне, Китай. 

AirSpy (бюджетный анализатор спектра на основе SDR) – было представлено несколько анализаторов спектра на основе программно-определяемого радио (SDR), которые являются чрезвычайно недорогими и подходят для устранения неисправностей электромагнитных помех общего назначения. Этот крошечный модуль (см. Рисунок 3) на самом деле является высококачественным SDR, который может настраиваться от 24 МГц до 1,8 ГГц и имеет чувствительность до -130 дБм. Если вам нужно еще больше понизить частоту, у них есть сопутствующий Spyverter, который настраивается от постоянного тока до 60 МГц. Оба устройства управляются через USB, а обработка выполняется стандартным ПК под управлением Windows. 

Особые усилия были приложены для обеспечения экранирования и защиты от переходных процессов разъема ввода-вывода. Стоимость AirSpy составляет всего $199, а Spyverter — дополнительные $59. Оба можно заказать на веб-сайте AirSpy. 

Рисунок 3. Программно-определяемое радио AirSpy (слева) может успешно использоваться в качестве бюджетного анализатора спектра. Также показан низкочастотный преобразователь Spyverter (справа), который позволяет настраиваться от «DC» до 60 МГц.

При управлении с помощью бесплатного программного обеспечения для ПК «Spectrum Spy» AirSpy может отображать относительно точный спектральный график (см. Рисунок 4). Обратите внимание также на функцию отображения «водопада», которая регистрирует частоту в зависимости от времени. Это полезно для отслеживания прерывистых импульсов ЭМИ или радиопередач. Кроме того, программное обеспечение позволяет вести непрерывную запись излучения на жесткий диск ПК (в пределах его емкости). 

Рисунок 4. AirSpy измеряет излучение от встроенной платы процессора. Тактовую частоту процессора 270 МГц можно легко наблюдать.

Веб-сайт AirSpy содержит ссылки на множество полезных программных приложений. Можно использовать часто используемый «SDR#» (произносится как «SDR Sharp»), но он ограничен диапазоном всего в 10 МГц. 

Я бы рекомендовал загрузить приложение SpectrumSpy, так как оно более точно дублирует элементы управления обычного анализатора спектра. Отсутствуют многие тонкости, такие как измерение в дБмкВ, максимальное удержание, маркеры, регулируемые полосы пропускания разрешения и т. д., но SpectrumSpy работает для общих измерений; можно указать центральную частоту, диапазон и верхний/нижний пределы частоты. Одной из приятных особенностей является то, что диапазон не ограничен всего 10 МГц, а может отображать широкую полосу частот — гораздо более полезно для устранения неполадок с ЭМП. Обратите внимание, что амплитуда доступна только в дБм. 

Точность частоты и амплитуды приемлемы. Я не уверен, что буду использовать этот продукт для предварительного тестирования на соответствие, но для общего устранения неполадок и образовательных целей он должен работать хорошо. 

Анализатор спектра Tiny – «TinySA» покорил сообщество любителей (см. Рисунок 5). Этот анализатор спектра с разверткой стоимостью менее 100 долларов можно приобрести на Amazon и во многих других источниках. Поскольку существует множество неэффективных клонов, официальная организация-разработчик (https://www.tinysa.org/wiki/) располагает информацией о том, как добиться «настоящей сделки».  

Безопасным продавцом является Amazon, но в Wiki перечислено множество других. 

Рисунок 5. TinySA может настраиваться от 100 кГц до 350 МГц и от 240 до 960 МГц в двух диапазонах.

Общие характеристики включают в себя:

• Анализатор спектра с двумя входами, высококачественный вход СЧ/ВЧ/ОВЧ для 0,1 МГц - 350 МГц, менее качественный вход УВЧ для 240 МГц - 960 МГц или
• Генератор сигналов с двумя выходами: синусоидальный выход для диапазона от 0,1 МГц до 350 МГц и прямоугольный выход для диапазона от 240 МГц до 960 МГц, когда не используется в качестве анализатора спектра.
• Переключаемые полосовые фильтры разрешения для обоих диапазонов от 2,6 кГц до 640 кГц
• Цветной дисплей, отображающий 290 точек сканирования, охватывающих весь диапазон низких и высоких частот.
• Входной ступенчатый аттенюатор от 0 дБ до 31 дБ для входа СЧ/ВЧ/ОВЧ
• Встроенный генератор калибровочного сигнала, который используется для автоматической самопроверки и калибровки низкого входного сигнала.
•  Подключение к ПК через USB (анализатор спектра или генератор сигналов, управляемый ПК)
• Аккумуляторная батарея, обеспечивающая минимум 2 часа портативного использования
• ВНИМАНИЕ: Максимальный входной уровень +10 дБм. 

Эта небольшая и недорогая конструкция имеет определенные ограничения:

• Внутренний фазовый шум устанавливает четкий нижний предел для измерений фазового шума. 
• Минимальная полоса пропускания разрешения 2,4 кГц не позволяет увидеть больше спектральных деталей.
• Высокий вход (от 240 МГц до 960 МГц) имеет очень ограниченное подавление изображения и только один уровень дополнительного встроенного аттенюатора, что затрудняет интерпретацию сложных сигналов.
• Дополнительный входной аттенюатор с высоким входным сигналом зависит от частоты и варьируется от 25 дБ до 40 дБ.
• При более низких полосах пропускания разрешения (ниже 30 кГц) время измерения на точку начинает увеличиваться из-за реализации фильтра разрешения.
• Ограничения производительности экранирования и фильтров могут привести к появлению определенных изображений и шпор, но определенные функции, такие как подавление шпор и переключение на более низкую ПЧ, могут помочь обнаружить и/или уменьшить эти шпоры и изображения.
• Ниже 0,1 МГц чувствительность начинает снижаться.
• Ниже 1 МГц рекомендуется отключить автоматическую регулировку усиления (АРУ) и, по возможности, включить малошумящий усилитель (МШУ) для получения наилучшего качества измерений.
• При использовании телескопической антенны, входящей в комплект поставки, или антенны с низкой полосой пропускания следует учитывать излучение микроконтроллера TinySA на частоте 48 МГц и его гармоники. 
• Однако для устранения общих проблем с выбросами этого может быть достаточно. Дисплей включает маркеры вместе с водопадным дисплеем. Им также можно управлять через USB с помощью ПК с бесплатным программным обеспечением. 

Профессиональные портативные анализаторы 

Профессиональные портативные анализаторы являются полезными инструментами для более серьезного поиска и детализации неисправностей ЭМС. Например, я использую портативные анализаторы AIM-TTi или их ранних предшественников уже 25 лет и считаю, что их легко транспортировать и они полезны для сканирования больших систем с большим зондом H-поля, прикрепленным непосредственно к входу. 

Ручной анализатор спектра AIM-TTi PSA2702T – если вам нужен высококачественный портативный спектральный анализ в полевых условиях, вы можете рассмотреть портативный Thurlby Thandar Instruments (AIM-TTi) PSA2702T (см. Рисунок 6). Я использовал один из них в течение многих лет и недавно обновил его до модели с полосой пропускания 6 ГГц, описанной ниже. 

PSA2702T охватывает диапазон от 1 МГц до 2,7 ГГц и включает три полосы пропускания разрешения: 15 кГц, 280 кГц и 1 МГц. Есть два маркера, которые могут считывать амплитуду и частоту, а также дельту. Можно определить предельные линии, и устройство можно запрограммировать на подачу звукового сигнала, остановку развертки, регистрацию развертки или выдачу выходного импульса при превышении предела. Базовая цена составляет 1695 долларов США.

Рисунок 6. Thurlby Thandar PSA2702T — это доступный портативный анализатор спектра, который охватывает диапазон от 1 МГц до 2,7 ГГц. Стоимость составляет 1695 долларов США

Устройство может отображать амплитуды в дБм, дБмкВ, мВ или мкВт, и есть два опорных уровня: 0 и -20 дБм. Есть простой видеофильтр (вкл./выкл.), но он также включает усреднение и «удержание пика». Точность амплитуды и частоты приемлема для устройства такого размера и подходит для общих целей устранения неполадок. Однако вам захочется перейти на лабораторный анализатор для наиболее точных измерений или тестирования на соответствие. Конфигурации настроек можно сохранять и вызывать, а экран можно захватывать и хранить во внутренней памяти или на USB-накопителях. В настоящее время поддерживаются не все флэш-накопители. Будут работать только те, которые соответствуют классу USB Mass Storage Class (MSC) и имеют емкость от 32 МБ до 32 ГБ. Мне пришлось перепробовать несколько, прежде чем я нашел тот, который подойдет мне. Более подробная информация об этом включена в руководство. 

Прибор оснащен большим TFT LCD-дисплеем с подсветкой размером 5,5 на 9,5 см (4,3 дюйма) и полезной областью отображения формы сигнала 5,5 на 5,5 см (2,25 дюйма в квадрате). Оставшаяся часть дисплея отведена под индикаторы состояния и трехуровневое меню. Мне нравится, что вложенные меню всегда видны, и мне редко приходится угадывать, где найти функцию. Дисплей четкий и легко читаемый. Новая модель также поставляется с откидной защитной крышкой, которую можно отщелкнуть и снова установить на заднюю часть, чтобы подпереть устройство (см. рисунок 7). Литий-ионный аккумулятор, похоже, работает неделями. Мне приходилось заряжать свой примерно раз в месяц, чтобы подвести его. 

Устройство даже включает схему демодулятора AM/FM и разъем для наушников наверху для оценки потенциальных коммерческих окружающих сигналов. Есть несколько ключевых аппаратных элементов управления для маркеров, предустановок и запуска/остановки, но большинство из них — сенсорн