В настоящее время широкое распространение получили такие телекоммуникационные стандарты беспроводной передачи данных как Bluetooth, Wi-Fi, LTE (4G) и др. Можно сказать, что современный человек пользуется ими практически непрерывно, порой сам того не осознавая. От стабильности работы большого разнообразия телекоммуникационных устройств зависит не только производительность его труда, но и психоэмоциональное состояние. Таким образом, обеспечение стабильной работы окружающих нас устройств связи является повседневной задачей.
Упомянутые беспроводные телекоммуникационные системы подвергаются воздействию электромагнитных помех разного вида, которые могут существенно искажать радиочастотный сигнал и приводить к ошибкам в передаче данных. Наиболее проблемные в обнаружении – быстродействующие электромагнитные помехи. Зафиксировать их с помощью классических сканирующих анализаторов спектра (General Purpose Spectrum Analyzers, GPSA) весьма сложно. На рис. 1 приведен пример исследования воздействия помехи с несущей частотой ~2445 МГц на сигнал стандарта Wi-Fi с несу- щей частотой ~2458 МГц, модуляцией QPSK, скоростью передачи 2 Мбит/с. С периодичностью около 1,5 с происходит перескок с фиксированной несущей в спектр полезного сигнала Wi-Fi. В режиме GPSA невозможно отследить помеху, так как время сканирования превышает ее длительность.
Для получения реальной картины необходимо воспользоваться анализатором спектра реального времени (Real Time Spectrum Analyzer, RTSA), позволяющим с высокой вероятностью решить эту задачу. Особенностью RTSA является аналого-цифровое преобразование сигналов промежуточной частоты, детектирование цифровым способом, запоминание и дальнейшая высокоскоростная цифровая обработка сигналов без потери поступающих на вход прибора данных [5]. На дисплее отображается зависимость спектральной плотности мощности от времени (Frequency – Time Domain), цветовая гамма которой характеризует частоту появления спектральных составляющих. Эта спектрограмма позволяет обнаружить воздействие случайных быстроизменяющихся электро- магнитных помех на полезный сигнал.
На рис. 2 представлен ранее рассмотренный пример с отображением сигнала Wi-Fi. Цветовая шкала, расположенная в левой части экрана, характеризует частоту/интенсивность появления наблюдаемых спектральных составляющих во времени. Красным цветом обозначены наиболее стабильные сигналы, синим – редко появляющиеся. Установив время послесвечения цифрового люминофора 10 с (Persistence), пользователь отчетливо видит помеховый сигнал в центре полезного сигнала (всплеск синего цвета), а также шлейф нескольких трасс изменения частоты помехового сигнала, захваченных в заданное время. Измерения проводились с помощью анализатора спектра реального времени RIGOL RSA5065N.
Для поиска и устранения неисправностей в телекоммуникационных системах желательно провести комплексный анализ воздействия электромагнитных помех на полезный сигнал. Наиболее доступными инструментами, имеющимися в распоряжении современного инженера для решения этой задачи, являются осциллограф и анализатор спектра. Эти приборы позволяют визуализировать сигнал во временнóй области, представив зависимость амплитудных составляющих от времени (Amplitude – Time Domain), получить зависимость спектральной плотности мощности от времени, исследовать зависимость амплитуды помехи от частоты (Amplitude – Frequency Domain).
В качестве одного из наиболее подходящих приборов рассмотрим высокопроизводительный цифровой осциллограф RIGOL DS70504 Pro (рис. 4), который хорошо зарекомендовал себя на рынке измерительного оборудования, обладает широким функционалом и внесен в Государственный реестр средств измерения РФ. Основные характеристики приведены в таблице.
Для визуализации этих процессов можно применить осциллографические методы во временнóй области (Amplitude – Time Domain – зависимость амплитудных составляющих от времени). Например, для визуального наблюдения сигналов стандартов Wi-Fi, Bluetooth, Wi-Fi, LTE (4G) верхняя рабочая частота должна быть не менее 5 ГГц, а чувствительность по каналу вертикального отклонения – сотни мкВ.
В отсутствие посторонних сигналов исследуемый сигнал имеет вид, приведенный на рис. 5.
Высокая частота дискретизации 20 Гвыб/с и глубина памяти 2 Гбайт позволяют выполнить детальные исследования осциллограммы сигнала на относительно длительном промежутке времени (при захвате).
При воздействии помехи на полезный сигнал форма осциллограммы изменяется (рис. 6). Аддитивно добавленная несущая помехового сигнала трансформирует форму огибающей, а также увеличивает размах суммарного сигнала.
DS70504 Pro, как и большинство современных цифровых осциллографов, позволяют осуществлять быстрое преобразование
Фурье (БПФ) с захваченными измерительным прибором данными. Однако из-за наличия «мертвых зон» [5] при вычислении БПФ не удается отследить быстроизменяющиеся процессы.
Как упоминалось выше, для достоверной регистрации быстроменяющихся сигналов необходим анализ спектра в реальном времени. Для этого в приборе DS70504 Pro включаем режим RTSA, задаем начальное и конечное значения полосы обзора, выбираем разрешение RBW. По спектрограмме определяем характер помехи – фиксированная несущая с периодическим перескоком по частоте в спектр полезного сигнала. В это же время в левой части снимка экрана DS70504 Pro отображается БПФ этой группы сигналов (рис. 7). Как можно убедиться, БПФ не позволяет зафиксировать наличие помехи в спектре Wi-Fi, в отличие от режима RTSA (всплеск, окрашенный в синий цвет).
Собрав необходимые данные о помехе, добиваемся ее устранения. Способ устранения помехи выходит за рамки рассмотрения данной статьи.
После устранения убеждаемся в отсутствии деструктивного влияния помехи на полезный сигнал. Имея в распоряжении прибор DS70504 Pro, это можно сделать по форме осциллограммы и спектрограммы сигнала. При наличии анализатора спектра RTSA c функ- цией измерения VSA факт отсутствия помехи можно зафиксировать с помощью измерения модуля вектора ошибок, величина которого не должна превышать допустимых для теле- коммуникационного стандарта значений.
Чувствительность DS70504 Pro позволяет при подключении согласованной антенны, например RIGOL AD-ANT-2400-F, измерить помехи в ближней зоне от испытуемого устройства, а с помощью наборов пробников ближнего поля RIGOL NFP-3 можно определить излучение помех непосредственно на плате устройства.
Рассмотренный в статье пример использования осциллографа DS70504 Pro для анализа спектра в реальном времени позволяет получить достоверный результат определения быстроизменяющейся помехи в спектре Wi-Fi сигнала с высокой степенью вероятно- сти и точностью. По сравнению с использованием специализированного анализатора спектра реального времени, имеется возможность исследования осциллограмм, что расширяет диапазон применения измерительного прибора. Таким образом, приведенное в статье решение инженерной задачи по поиску и определению природы помехи успешно решается с помощью прибора RIGOL DS70504 Pro, доступного отечественному пользователю для оперативного заказа в современных условиях.
| Таблица. Основные характеристики DS70504 Pro | |
| Наименование параметра | Значение |
| Осциллография | |
| Полоса пропускания | 5 ГГц |
| Количество аналоговых каналов | 4 |
| Частота дискретизации входного сигнала (макс.) | 20 Гвыб/с на канал (при 1/2 активных каналах) 10 Гвыб/с на канал (при 3/4 активных каналах) |
| Глубина памяти записи (макс.) | 2 млрд точек |
| Скорость захвата осциллограмм (макс.) | > 1 млн кадров/с |
| Количество кадров записи сигнала (макс.) | > 2 млн кадров в реальном времени |
| Диапазоны установки шкалы во временной области | 50 пс/дел ~ 1000 с/дел |
| Разрешение во временной области | 0,5 пс |
| Кратковременная и долговременная относительная нестабильность установки частоты |
±0,5 ppm (точность начальной калибровки) ±1 ppm/год (скорость старения) |
| Длительность захватываемых глитчей (мин.) | 200 пс |
| Входной импеданс/емкость | 1 МОм ± 1%, 50 Ом ± 2,5%, 17 пФ ± 3 пФ |
| Диапазоны установки шкалы по вертикали |
1 МОм: 1 мВ/дел ~ 10 В/дел 50 Ом: 1 мВ/дел ~ 1 В/дел |
| Разрешение по вертикали | 8~16 бит |
| Относительная погрешность усиления по постоянному току | ±2% от полной шкалы |
| Шумовой порог на частоте 5 ГГц, 50 Ом | 500 мкВ (СКЗ) |
|
Значения напряжения по входу (макс.): 50 Ом 1 МОм |
5 В (СКЗ) 300 В (СКЗ) CAT I |
| Анализ спектра в режиме реального времени | |
| Полоса анализа | 5 ГГц |
| Длина БПФ (FFT) | 1 млн точек |
| Длина записи | 64 тыс. точек |
| Скорость захвата БПФ (FFT) | 10 000 кадров/с |
| Разрешение (RBW) |
7 Гц ~ 9,77 МГц ручная установка, автоматическая установка |
| Типы оконных функций | прямоугольное, Блэкмана-Харриса, Хеннинга (по умолчанию), Хэмминга, с плоской вершиной, треугольное |
| Количество пиков для поиска | до 15 ед., устанавливаемый пользователем порог срабатывания |
| Послесвечение | 100 мс ~ 10 с |
| Цифровой вольтметр | |
| Рабочий канал | Любой из четырех входных аналоговых |
| Измеряемые величины | Напряжение постоянного тока (DC), среднеквадратическое напряжение переменного тока (AC СКЗ), сумма AC СКЗ + DC |
| Разрешение | 3 бит |
| Высокоточный измеритель частоты | |
| Рабочий канал | Любой из четырех входных аналоговых |
| Измеряемые величины | Частота, период |
| Разрешение | 3~8 бит, определяемое пользователем |
| Максимальная измеряемая частота | 5 ГГц |
| Общие характеристики | |
| Входные разъемы аналоговых каналов | Прецизионный BNC (розетка) |
| Возможность подключения активных пробников | Поддерживается |
| Коммуникационные интерфейсы | USB, LAN 10/100/1000 Base-T LXI–C, поддержка Web control, SCPI |
| Габариты | 439×310×491 мм |
| Дисплей | Основной – сенсорный, цветного изображения, диагональ 15,6’’, разрешение 1920×1080 точек, изменяемый угол наклона Дополнительный – сенсорный, диагональ 3,5’’ |
| Разъем подключения внешнего монитора, проектора | HDMI |
| Операционная система | Android |
| Системная память RAM | 4 Гбайт |
| Встроенная энергонезависимая память | 125 Гбайт |
| Электропитание | 220 В/50 Гц |
| Расширение функциональных возможностей (опц.) | |
| Анализ протоколов на соответствие стандарту |
USB2.0 (опц. DS70000-USBC) LAN 100 М/10000 М Base-T Ethernet (опц. DS70000-ENETC) Automotive Ethernet Compliance Test (опц. DS70000-AENETC) |
| Анализ глазковых диаграмм и джиттера | Опц. DS70000-JITTA |