Анализаторы спектра реального времени — в помощь оптимальному выбору

Работа с частотным диапазоном от десятков килогерц до сотен гигагерц сегодня является обычным делом для большинства людей. Радиочастотные (РЧ) сигналы позволяют передавать информацию для любых областей применения: от социальных сетей в мобильном телефоне до общественной безопасности и систем посадки самолетов. Активное использование частотного эфира и переполнение его различными сигналами провоцируют потребность в постоянном контроле РЧ-спектра. Анализаторы радиочастотного спектра становятся необходимыми приборами.

В данной статье рассмотрены анализаторы спектра, их классификация и описание принципа работы, а также представлены решения, которые предлагают ведущие мировые производители контрольно-измерительного оборудования на сегодняшний день.

Определимся с базовыми понятиями. Существует две формы представления РЧ- сигналов: временная и частотная. Временное представление (Time Domain) сигнала показывает зависимость его амплитуды от времени. В таком представлении все частотные составляющие суммируются вместе и отображаются как единый сигнал. Временная область является более предпочтительной для многих измерений, а некоторые из них можно провести только во временной области, например, определение длительности фронта или среза импульса. Исследовать РЧ-сигналы во временной области позволяют осциллографы либо анализаторы с возможностью работы в данной области с помощью БПФ.

Частотное представление (Frequency Domain) показывает зависимость амплитуды от частоты. В частотной области сложные сигналы разделяются на частотные составляющие с определенным уровнем на каждой частоте. Устоявшееся частотное разделение сигналов основано на их спектральном представлении. Главный недостаток этого представления — отсутствие данных о длительности процессов. Однако тестирование в частотной области имеет несколько отличительных преимуществ и позволяет легко определить частоту, мощность, гармонические составляющие, модуляцию и шумовые параметры. Исследование сигналов в частотной области позволяют провести анализаторы спектра.

Устройства, которые используют РЧ-сигналы для обмена информацией, должны быть протестированы тщательным образом с целью обеспечения корректной и безопасной работы. Для функционирования устройств необходимо учитывать внеполосные помехи, паразитные излучения и влияние окружающей среды. Кроме того, спектральный анализ позволяет проводить мониторинг радиочастот, выявлять электромагнитные помехи и определять такие важные параметры систем как коэффициент шума и отношение сигнал/шум. Все это показывает, что способность измерять РЧ-сигналы в частотной области является необходимым инструментом в понимании того, как они передаются и как лучше всего обеспечить их прием.

Существует большое количество контрольно-измерительного оборудования, которое помогает инженерам и разработчикам в создании и тестировании новых устройств, и анализаторы спектра занимают особое место среди них. Это одни из самых распространенных, сложных и многофункциональных приборов с богатой историей развития и модернизации, которые предназначены для исследования характеристик РЧ-сигналов в частотной области. Во многих случаях спектральные анализаторы могут использоваться для получения дополнительной информации о фазе сигнала, благодаря чему такие приборы обычно называют анализаторами векторных или цифровых сигналов. Анализаторы сигналов могут применяться для анализа качества модуляции или частотно-временных измерений сигналов посредством их захвата и последующей обработки.

Анализаторы спектра делятся на две основные категории: свипирующие и реального времени. Свипирующий анализатор спектра позволил впервые провести измерения в частотной области. Анализатор данного типа построен на принципе работы супергетеродинного приемника. Супергетеродинный анализатор смешивает входящий РЧ-сигнал с частотой гетеродина, в результате чего получается сигнал с более низкой промежуточной частотой (ПЧ), который затем дополнительно проходит один или несколько усилительных каскадов. Выполненные сначала полностью на аналоговых компонентах эти анализаторы стремительно развивались в соответствии с требованиями измерений. В современных свипирующих анализаторах спектра используются цифровые компоненты, такие как аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровые сигнальные процессоры и микропроцессоры. У анализаторов такой категории можно выделить явное преимущество: более низкая ПЧ легче управляется, что позволяет проводить более эффективную обработку. Однако принцип свипирования, по-прежнему используемый в этих приборах, наилучшим образом подходит для наблюдения только за сигналами с предсказуемым поведением. При резких изменениях сигнала возможен пропуск некоторых из этих изменений. Свипирующие анализаторы спектра не могут надежно регистрировать подобные явления, поэтому при их использовании для исследования РЧ-сигналов большинства современных средств связи нельзя рассчитывать на высокую производительность. Помимо пропуска кратковременных сигналов имеется вероятность неправильного представления спектра импульсных сигналов, используемых в современных системах радиосвязи. Свипирующие анализаторы позволяют получать спектр импульсного сигнала только при многократном свипировании. При этом особое внимание уделяется выбору скорости свипирования и полосы разрешения.

Технология анализа спектра в реальном времени заключается в следующем: прибор сначала собирает информацию во временной области, а затем преобразует ее в частотную область посредством быстрого преобразования Фурье. Интерес к анализаторам спектра реального времени существенно возрос в последние годы, когда необходимость отображения быстро изменяющихся и кратковременных событий стала все более актуальной. Современный рынок стремительно охватили приборы, способные идентифицировать сигналы в пределах заданной полосы пропускания, которые появляются в течение очень коротких промежутков времени, например, импульсные радиолокационные сигналы или сигналы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Конечной целью анализа спектра в реальном времени является захват сигналов со стопроцентной вероятностью обнаружения, чего не могут предложить свипирующие анализаторы. На рис. 1 показана упрощенная структурная схема РЧ/ПЧ тракта анализатора спектра реального времени.

Рис. 1. Структурная схема трактов РЧ/ПЧ анализатора спектра реального времени

Принятые прибором РЧ-сигналы направляются по определенным трактам и преобразуются в соответствии с требованиями анализа. Далее предусмотрено регулируемое ослабление и усиление сигналов. Для настройки используется многокаскадное преобразование частоты и комбинация гетеродинов с перестраиваемой и фиксированной частотой. Аналоговая фильтрация выполняется на разных ПЧ. Несколько ПЧ используются, в частности, для фильтрации зеркального канала. АЦП оцифровывает сигнал последней ПЧ. Вся дальнейшая обработка выполняется цифровым способом. Некоторые модели таких анализаторов имеют опциональные режимы демодуляции, в которых входной сигнал оцифровывается непосредственно без преобразования частоты. Цифровая обработка модулирующих сигналов аналогична обработке РЧ-сигналов.

Перейдем к конкретным моделям анализаторов спектра реального времени, которые предлагает компания 2TEST.

Ручные анализаторы спектра реального времени серии Spectran V5 от немецкой компании Aaronia являются идеальным решением для надежных и быстрых измерений в любых назначениях: мониторинг спектра, РЧ- измерения, обнаружение помех, тестирование на электромагнитную совместимость, измерение Wi-Fi и других стандартов беспроводных сетей.

В комплекте с прибором поставляется специальное программное обеспечение (СПО) для анализа RTSA Suite, которое превращает портативный анализатор спектра Aaronia Spectran V5 в полноценный функциональный лабораторный прибор. Компактный и легкий анализатор спектра обладает полосой пропускания реального времени до 175 МГц и позволяет проводить испытания в диапазоне частот до 20 ГГц. К другим преимуществам данных приборов можно отнести гарантированный захват событий длительностью менее 1 мкс, высокую скорость сканирования, запатентованную технологию многофазных фильтров и функцию потоковой передачи данных на ПК с помощью USB-интерфейса в режиме реального времени.

Компания Tektronix имеет широкий выбор мощных инструментальных средств анализа РЧ-сигналов для различных областей применения, которые реализованы в виде компактных USB-анализаторов спектра серии RSA. Сопутствующее ПО SignalVu предоставляет бесплатную функцию полнофункционального спектрального анализа. Кроме того, у приборов данной серии доступны опции векторного анализа сигналов, импульсных измерений, коммерческие стандарты беспроводной передачи данных и др. Сравнение USB-приборов серии RSA, позволяющих выполнить полнофункциональный анализ спектра в реальном времени, приведено в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение анализаторов спектра Tektronix серии RSA

Технические характеристики	Анализатор спектра RSA306B	Анализатор спектра RSA500	Анализатор спектра RSA600
Внешний вид
Области применения	Полевые и лабораторные условия	Анализ в эксплуатационных условиях, поиск помех, управление сетями	Лабораторные условия, включая тестирование на наличие электромагнитных помех и беспроводное подтверждение правильности конструкции
Источник питания	USB 3.0	Батарея или сеть	Сеть
Диапазон рабочих частот	9 кГц - 6,2 ГГц	9 кГц - 7,5 ГГц	9 кГц - 7,5 ГГц
Макс. полоса пропускания реального времени, МГц	40	40	40
Средний уровень собственных шумов (DANL) на частоте 1 ГГц, предусилитель включен, дБм/Гц	–163	–164	–164
Следящий генератор	Нет	Опция	Опция
Анализ модуляции и импульсных сигналов в соответствии со стандартами беспроводной передачи данных	Опция	Опция	Опция
Точность опорной частоты, ppm	±3	±1 0,003 с привязкой GPS	±1 0,003 с привязкой GPS
Макс. входная мощность, дБм	+23	+33	+33
Погрешность определения амплитуды до 3 ГГц, дБ	±0,8	±0,2	±0,2
Интермодуляционные искажения 3-го порядка (TOI) на частоте 2ГГц, дБм	+14	+15	+15
Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих, дБн	<–60 до 2,7 ГГц <–50 от 2,7 до 6,2 ГГц	<–70	<–70 до 3 ГГц
Мин. длительность сигнала, мкс	100	100	100
EVM на QPSK при скорости 1 МСимв/с, %	1,1	0,8	0,8
EVM на 802.11n, дБ	–35	–39	–39
Масса, кг	0,73	3,17	2,88

 

Несмотря на малые габариты, приборы серии RSA обладают обширными возможностями и функциями, присущими лабораторным анализаторам спектра.

Анализатор спектра реального времени RSA5000B от Tektronix – это лучший в классе, мощный прибор, обеспечивающий визуализацию и определение с прецизионной точностью характеристик устройств и компонентов. RSA5000B — единственные анализаторы, использующие запатентованную технологию Tektronix DPX для измерения частоты, амплитуды и фазы. Внешний вид прибора приведен на рис. 2.

Рис. 2. Анализатор спектра Tektronix RSA5000B

— Cкорость регистрации 292 000 спектров в секунду и полоса захвата 85 МГц значительно повышают вероятность захвата аномалий сигнала в режиме реального времени;

— Лучшие в классе РЧ-характеристики (типовое значение свободного от паразитных составляющих динамического диапазона –73 дБн; точка пересечения с интермодуляционными составляющими 3-го порядка +17 дБм на частоте 2 ГГц; фазовый шум –109 дБн/Гц на частоте 1 ГГц при отстройке 10 кГц);

— Технология DPX, обладающая широкополосным свипирующим режимом, регулируемой полосой разрешения и расширенными режимами запуска, позволяющими регистрировать редко происходящие события, идентифицируя аномалии даже в перегруженном спектре;

— Захват сигналов длительностью от 5,8 мкс со стопроцентной вероятностью и встроенная память объемом 4 Гб;

— Простое сравнение результатов измерений во временной, частотной, спектральной и модуляционной областях с помощью нескольких коррелированных маркеров;

— Измерение временных параметров спектрограмм с высоким разрешением с помощью функции записи/воспроизведения.

Указанные особенности позволяют выполнять измерения сигналов помех с высокой производительностью, чувствительностью в более сжатые сроки, чем другие приборы. Благодаря этому повышается скорость, точность и эффективность измерений, поиска и устранения неполадок.

Анализаторы спектра и сигналов стандарта PXI, разработанные компанией National Instruments, позволяют проводить высокопроизводительные измерения с максимальной шириной полосы анализа до 765 МГц. Анализаторы PXI имеют широкий частотный диапазон (до 26.5 ГГц), возможность анализа сигналов в реальном времени и позволяют проводить расширенную обработку сигналов. Анализаторы векторных сигналов PXI выполняют измерения для широкого спектра стандартов беспроводных технологий, например, GSM, EDGE, WCDMA, LTE-A, Bluetooth и др. В некоторых моделях также предусмотрено ПО LabView и программируемая ПЛИС, которые можно настроить для расширенных измерительных задач. Анализаторы векторных сигналов PXI идеально подходят для тестирования сигналов беспроводной сети и программно-определяемых радиосистем (SDR), для спектрального радиомониторинга, обнаружения помех, интеллектуального анализа сигналов и т.д.

Особенность анализаторов сигналов National Instruments заключается в компактном размере, удобстве управления посредством ПО LabView, а также возможности совмещения с прочими контрольно-измерительными приборами в единую измерительную систему.

Поставку вышеописанных решений в области анализа спектра в реальном времени на российский рынок осуществляет компания 2TEST. Наша компания является официальным дистрибьютором спектральных анализаторов от ведущих производителей измерительного оборудования как российских, так и зарубежных компаний. Мы предлагаем анализаторы спектра и сигналов, которые позволяют исследовать сигналы в частотном диапазоне вплоть до 1 ТГц: от USB-анализаторов до автоматических систем испытания приемно-передающих модулей портативного и модульного исполнения. Разнообразная линейка анализаторов позволяет подобрать подходящее решение как на этапе НИОКР, так и в процессе производства. Прикладные программы, различные варианты модернизации и расширения функциональных возможностей приборов позволяют сократить затраты и полностью удовлетворить любые технические требования разработчиков радиоэлектронной аппаратуры и метрологов.

Помимо поставок передового измерительного оборудования компания 2TEST оказывает комплекс сопутствующих услуг: проводит установку и настройку оборудования, техническое обучение специалистов заказчика. Также 2TEST обеспечивает необходимую периодическую поверку измерительных приборов.

Свою надежность компания из года в год подтверждает множеством успешно реализованных проектов по поставке анализаторов сигналов, которые на протяжении многих лет дают качественные результаты своим пользователям.