Сравнение анализаторов спектра: GPSA и RTSA

Введение

Для измерения частотно-временных параметров электрических сигналов наиболее часто используются анализаторы спектра и осциллографы. Осциллографы отображают форму сигнала на дисплее во временной области, а анализаторы спектра представляют мощность электрического сигнала (по вертикальной оси) в частотной области (по го-ризонтальной оси). Современные цифровые осциллографы позволяют обрабатывать высокочастотные сигналы вплоть до гигагерцового диапазона, в том числе преобразовывать входные сигналы в частотную область с помощью функции быстрого преобразования Фурье (БПФ). Однако осциллографы имеют существенное ограничение: с ростом частоты также увеличивается уровень шума, отображаемый во временной области, что затрудняет различение сигналов низкой интенсивности (гармоник и паразитных сигналов) от фонового шума. Этого недостатка лишены анализаторы спектра, в которых об- работка высокочастотных сигналов осуществляется с лучшим отношением сигнал/шум. Передовые модели от ведущих производителей могут работать в диапазоне от нескольких Гц до нескольких десятков ГГц.

Типы анализаторов спектра

В настоящее время широко используются два основных метода обработки электрических сигналов в анализаторах спектра – сканирование по частоте и анализ спектра в режиме реального времени. Свипирующие анализаторы, или анализаторы спектра общего назначения (general-purpose spectrum analysis, GPSA), изначально были аналоговыми измерительными устройствами, ключевыми звеньями которых являются фильтры и гетеродин (сканирующий генератор), который разворачивает заданный диапазон пошагово по частоте в момент времени. Процесс захвата сигналов происходит в частотной области. По мере развития технологий анализаторы GPSA были значительно усовершенствова-ны: в них стала использоваться современная компактная элементная база – АЦП, цифро- вые сигнальные процессоры, микросхемы памяти, что позволяет хранить и обрабатывать сигналы для математической обработки сигналов, обнаружения пиков и т. д. Это также позволило существенно уменьшить массогабаритные параметры анализаторов GPSA.

Одним из самых существенных ограничений этих анализаторов является их неспособность обнаруживать случайные, непериодические сигналы малой длительности. Это связано с тем, что за время последовательного сканирования с начальной до конечной частоты имеются «мертвые» зоны, в которых быстро изменяющиеся сигналы не могут быть обнаружены.

В отличие от анализаторов GPSA, анализаторы спектра в реальном времени (real time spectrum analysis, RTSA) захватывают информацию во временной области. Далее сигналы с помощью современных высокоскоростных алгоритмов обработки данных преобразуется в частотную область. В этом случае пользователь может наблюдать все сигналы, присутствующие в указанном диапазоне частот. Гарантируется, что никакая информация не будет потеряна.

Анализаторы RTSA особенно полезны для обнаружения сложных быстро изменяющихся сигналов, в том числе с расширенным спектром, например в сетях Bluetooth, Wi-Fi, или отображения переходных процессов. Особенностями анализаторов RTSA являются ограниченность частотного диапазона анализа и необходимость использования оконных функций. Развитие анализаторов RTSA идет в сторону расширения полосы анализа в реальном времени, которая в настоящее время достигает нескольких ГГц. Эксплуатационная гибкость RTSA позволяет анализаторам переходить в режим GPSA в случае необходимости охвата более широкого диапазона частот, который значительно превышает функциональный диапазон частот в реальном времени, например при анализе электромагнитных помех (ЭМП) в разных частотных сегментах.

Анализаторы спектра общего назначения (GPSA)

На рис. 1 показана упрощенная структурная схема GPSA. Это стандартная конструкция на основе супергетеродинного приемника, широко используемого в высокочастотных устройствах. В анализаторе GPSA каждая измеряемая частотная точка обрабатывается последовательно, по отдельности. В радиочастотном смесителе входная частота переносится на промежуточную с помощью перестраиваемого генератора (LO). Модуль развертки (Sweep control) задает дискретные шаги перестройки частоты генератора LO для покрытия всего диапазона частотного сканирования.

Первый компонент входного тракта – аттенюатор (Attenuator), который уменьшает интенсивность входного сигнала до безопасных уровней для защиты чувствительных электронных схем. Предельные уровни входных сигналов – до 30 дБм/50 В DC на 50-Ом входе современных GPSA-анализаторов. Аттенюатор не только уменьшает уровень входного сигнала, но и входной шум, согласует импеданс в диапазоне рабочих частот. Сконфигурировать аттенюаторы можно с панели управления анализатора. При измерении высокоамплитудных сигналов необходимо использовать внешние пассивные аттенюаторы, позволяющие рассеивать сотни ватт и уменьшить входной сигнал не менее, чем на 30 дБ.

Следующий компонент – малошумящий предусилитель (Preamp), предназначенный для увеличения мощности целевого сигнала с минимальным вносимым уровнем шума в последующий тракт анализатора. Для предотвращения выхода из строя элементов дальнейшей цепи преобразования сигнала его спектр ограничивают с помощью фильтра нижних частот (Low-pass filter, или ФНЧ). Радиочастотный смеситель (Mixer) является критическим компонентом в архитектуре анализатора спектра. Это звено имеет два входа: на один из них подается анализируемый сигнал с выхода ФНЧ, а на второй вход – сигнал от генератора, управляемого напряжением (ГУН, LO). Поскольку точность измерений зависит от стабильности работы LO, в ГУН используется температурная компенсация.

По сути, идеальный смеситель умножает сигналы во временной области. Чтобы про- иллюстрировать эту концепцию, рассмотрим две чистые синусоидальные волны (рис. 2): sin(2πfRFt), которая представляет собой из- меряемый сигнал (ИС), и sin(2πfLOt) – сигнал, генерируемый LO.

Выход этого процесса может быть выражен в виде sin(2πfRFt) ∙ sin(2πfLOt), или: VOUT = ½ cos(2π(f_RF – f_LO)t – – ½ cos (2π(f_RF + f_LO)t.

Это выражение означает генерацию двух отдельных сигналов: одного с меньшей, а другого – с более высокой частотой относительно входного сигнала. Первый сигнал – разностный, с понижением частоты – используется в приемниках и измерительном
ВЧ-оборудовании, а сигнал с более высокой частотой (суммарный) – в передатчиках. Разностный сигнал обозначается как сигнал промежуточной частоты (ПЧ).

Для выделения сигнала ПЧ требуется полосовой фильтр (IF filter), блокирующий любые другие частоты, которые появляются в процессе объединения двух входных сигналов в ВЧ-смесителе; к ним относятся частоты гармоник и паразитных сигналов. Для достижения максимального эффекта подавления используются сложные конструкции, в том числе каскадирование фильтров ПЧ.

Диапазон частот для анализа определяет пользователь. Процесс ПЧ-фильтрации про- исходит в динамике, а развертка всех этих частот – дискретными шагами. С этой целью применяется ГУН, в котором при изменении управляющего напряжения частота колебаний изменяется соответствующим образом.

Следующий компонент в схеме – АЦП, используемый для преобразования амплитуды сигнала ПЧ в цифровой код. Полученные данные затем могут быть математически обработаны цифровым сигнальным процессором (DSP).

Фильтр разрешающей способности полосы пропускания

Фильтр разрешающей способности полосы пропускания (resolution bandwidth, RBW) играет ключевую роль при анализе измеряемого сигнала и настройке параметров при- бора. Это типичный фильтр с характеристикой гауссовской формы. Чем выше значение RBW, тем шире диапазон частот, который можно обработать, меньше время сканирования заданного диапазона и ниже разрешающая способность анализатора (хуже различение двух близких друг к другу частот), выше амплитуда шумовой дорожки. И, наоборот, при низких значениях RBW анализатор спектра четче различает сигналы двух соседних частот, время сканирования исследуемого диапазона частот увеличивается, ниже уровень шумов.

На рис. 3 показано влияние выбранного значения RBW на приведенные выше пара- метры для спектра AM сигнала при RBW = 100 кГц (бирюзовая кривая), RBW = 10 кГц (пурпурная кривая) и, наконец, RBW = 1 кГц (желтая кривая). Наглядно видно влияние изменения RBW на базовую линию шума и разрешение сигнала. Уменьшение RBW оказывает дополнительное влияние на время захвата сигнала. Желтый сигнал потребовал более продолжительного времени захвата, чем другие сигналы. Таким образом, существует компромисс между RBW, разрешением, базовой линией шума и временем захвата, который пользователю необходимо учитывать при отображении сигналов на анализаторе спектра как GPSA, так и RTSA.

Детектор огибающей (Envelope Detector)

После прохождения фильтра RBW следующий модуль тракта – детектор огибающей (Envelope Detector). Назначение этого звена – извлечение информации из входного сигнала, а именно – формы ее огибающей.

В анализаторе GPSA имеются следующие установки для выбора типа обнаружения в детекторе огибающей.

• Положительное (Positive). Отображает максимальное значение данных, выбранных в течение соответствующего временного интервала. Обычно используется для обнаружения простых сигналов, например синусоидальных или простых сигналов модуляции (AM, FM и т. д.).

• Отрицательное (Negative). Отображает минимальное значение данных, выбранных в течение соответствующего временного интервала. Используется для анализа импульсных сигналов.

• Выборка (Sample). Для каждой точки трассировки детектор выборки отображает уровень переходного процесса, соответствующий центральной точке времени соответствующего временного интервала. Применяется при работе с шумом или шумоподобным сигналом.

• Среднеквадратическое значение (Average RMS). Используется при измерениях мощности сложных сигналов и шума.

• Квазипиковое обнаружение (Quasi-peak). Для каждой точки данных детектор обнаруживает пик в соответствующем временном интервале, использует схему квазипикового детектора (содержащую определенную структуру заряда и разряда) и постоянные времени, указанные в стандарте CISPR 16 для измерений со взвешивающими коэффициентами. Используется в предварительных испытаниях на ЭМС.

• Нормальное (Normal). В этом случае отображается максимальное и минимальное значение сегмента выборочных данных в чередующейся последовательности. Для нечетной точки данных отображается минимальное значение данных выборки, а для четной – максимальное. Применяется к простым и синусоидальным сигналам.

•  Среднее напряжение (Average Voltage). Для каждой точки вычисляется среднее арифметическое значение по всем выборочным данным за соответствующий временной интервал с дальнейшим отображением результата. Используется для проведения измерений на соответствие требованиям ЭМС, при измерении импульсных сигналов.

Видеофильтр VBW

Расположенный непосредственно после детектора огибающей видеофильтр (VBW) является перестраиваемым ФНЧ, функция которого заключается в снижении уровня шума в сигнале, отображаемом на экране анализатора GPSA. Рисунки 4а–б иллюстрируют эффект применения разных значений VBW. Рисунок 4б представляет сигнал с VBW = 1 кГц, в котором меньше шума, чем в сигнале на рис. 4а, где применялся видео-фильтр VBW = 1 МГц. Платой за уменьшение шума является время усреднения сигнала, которое на рис. 4б, больше, чем на рис. 4а.

Ключевые параметры при выборе анализатора спектра

Отображаемый средний уровень шума

DANL (displayed average noise level) – отображаемый средний уровень шума (а также уровень шума или шумовая дорожка) относится к мощности теплового шума (PN), присущей любому электронному устройству:

PN = kTB,

где k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; B – ширина полосы пропускания.

Согласно теореме Тевенина – Гельмгольца, любая нелинейная электрическая цепь, имеющая два вывода и состоящая из произвольной комбинации источников тока, источников напряжения и резисторов (сопротивлений), может быть заменена идеальным источником напряжения с ЭДС и последовательно включенным идеальным бесшумным резистором.

Эквивалентные схемы приведены на рис. 5.

Анализаторы спектра оснащены сложными интегральными схемами (ИС), энергопотребление которых часто достаточно велико. Следовательно, у них немалые тепловые шумы. Таким образом, уровень собственного шума определяет минимальный уровень сиг- нала, который может обнаружить анализатор спектра. Современные анализаторы спект- ра RIGOL RSA5000 имеют низкий уровень собственного шума DANL до –165 дБм.

Показатель RBW анализатора спектра играет важную роль для параметра DANL. При уменьшении RBW уменьшается полоса пропускания фильтра, и пропускаемый шум становится меньше. Минимальная достижимая полоса пропускания разрешения составляет
1 Гц, но обычно она доступна только при малых полосах пропускания, например 10 кГц. Этот режим актуален в высокоточных приложениях.

Полоса пропускания

Как правило, термин «полоса пропускания» (Bandwidth) используется для описания диапазона частот, который можно передать по каналу связи. Этот параметр является одним из важнейших, который следует учитывать при приобретении анализатора спектра, поскольку он напрямую коррелирует со стоимостью. В настоящее время на рынке предлагаются анализаторы спектра с полосой пропускания выше 20 ГГц. Работа в СВЧ- диапазоне используется во множестве приложений, включая системы мобильной связи, спутниковые технологии, специальное применение и т. д. Покупателю рекомендуется определить самую высокую частоту, которая будет использоваться не только в настоящих, но и в будущих приложениях, чтобы выбрать подходящую полосу пропускания.

Фазовый шум

Следующий важный параметр – собственный фазовый шум (Phase Noise) прибора, который порой недооценивают инженеры при приобретении анализатора спектра. Фазовый шум – это частотная версия (отображение в частотной области) случайных флуктуаций в фазе сигнала, которая связана с отклонениями сигнала во временной области от идеального значения (джиттер). Чем ниже значение собственного фазового шума (близкого к несущей частоте) анализатора спектра, тем выше качество обнаружения измеряемых им сигналов. На рис. 6 представлены кривые распределения фазового шума. Синим цветом показана кривая собственных фазовых шумов анализатора, зеленым и фиолетовым цветом изображен измеряемый сигнал. При указанных на рис. 6 кривых сигнал с фиолетовым трекингом не может быть обнаружен данным анализатором спектра из-за слишком пологого наклона характеристики (синий цвет), которая маскирует измеряемый сигнал. Если это происходит, скрытые сигналы не восстанавливаются никакими способами.

Современные анализаторы спектра RIGOL с собственными фазовыми шумами ниже –108 дБн/Гц лишены этого недостатка.

Разрешающая способность полосы пропускания

Одним из важных параметров при выборе анализатора спектра является разрешающая способность полосы пропускания (RBW). В некоторых приложениях требуются RBW всего лишь 1 Гц. Хотя большинство современных анализаторов спектра могут соответствовать этой спецификации, инженер должен проверить максимальную рабочую полосу пропускания, способную работать с такой низкой RBW. Например, некоторые анализаторы спектра в состоянии обеспечить разрешение полосы пропускания 1 Гц, но только при максимальной полосе пропускания 10 кГц.

В случае RTSA необходимо учитывать полосу пропускания, которая может использоваться динамически. Это относится к полосе пропускания, в пределах которой анализатор спектра может захватывать любые сигналы, включая динамические, паразитные или прерывистые. Пользователь должен определить, требуют ли рассматриваемые приложения обнаружения таких сигналов и, следовательно, необходима ли функция реального времени. Заметим, что любой рассматриваемый при этом анализатор RTSA должен иметь возможность переключаться в режим GPSA. В настоящее время доступные RTSA RIGOL реализованы с полосой пропускания в реальном времени до 40 МГц. И это значение постоянно возрастает.

Анализаторы спектра реального времени

Приборы GPSA хороши для наблюдения за статическими или медленно изменяющимися сигналами, но, к сожалению, они не способны надежно регистрировать быстро изменяющиеся динамические сигналы. Из рассмотренной выше структуры GPSA видно, что ее недостатком является то, что в каждый момент времени амплитуда измеряемого сигнала может вычисляться на одной текущей частоте, а другие события, происходящие за интервал времени скани- рования, могут не отображаться на спек- трограмме. В противоположность этому, технология RTSA позволяет отображать все сигналы в пределах заданной полосы про- пускания за один захват данных, что достигается за счет работы во временной области. Далее мы увидим, как функционируют приборы RTSA при наличии динамического сигнала. Анализатор GPSA не способен рас- познать динамический сигнал даже в полосе пропускания (рис. 7).

На рис. 8 показана упрощенная структурная схема RTSA. Входная радиочастотная часть RF имеет значительное сходство с аналогичной секцией, используемой в приборах GPSA. Однако заметное отличие в том, что генератор LO не используется для развертки конечного сигнала. После выхода из фильтра ПЧ сигнал принимает форму сигнала основной полосы, который подвергается цифровой обработке. Такое преобразование в сигнал IQ базового диапазона необходимо для облегчения анализа параметров модуляции и расчета мощности сигнала во временной области, а также для повышения устойчивости сигнала к шуму при математической обработке.

Модуль N-мерного БПФ (N bin FFT) генерирует сегменты данных, которые затем обрабатываются. Эта часть структурной схемы имеет особое значение, поскольку стандартные осциллографы обычно выполняют БПФ в течение начального сегмента времени, обрабатывая затем полученные данные. Именно во время этого второго сегмента или пробела осциллограф теряет данные. Следовательно, осциллографы с БПФ ограничены в своей функциональности даже при широкой полосе пропускания. Они не могут вычислять БПФ в течение всего анализа, поскольку для обработки данных требуются некоторые временные промежутки. Этот эффект показан на рис. 9. Такой алгоритм обработки часто используется в осциллографах с БПФ.

Второе приближение для выполнения БПФ сигнала заключается в одновременном захвате данных и обработке информации. Современные цифровые сигнальные процессоры обладают необходимыми возможностями обработки данных для выполнения этой операции. Однако, даже когда такой метод обработки данных осуществим, невозможно гарантировать, что обнаруживается весь присутствующий сигнал в полосе пропускания, поскольку он может появиться точно в точках прореживания данных (точка пересечения), как показано на рис. 10.

В результате данные могут потеряться в случае возникновения переходного процесса в точке прореживания, что не позволит обнаружить сигнал. В качестве третьего приближения, для решения проблемы обработки данных в реальном времени в современных анализаторах RTSA необходимо обеспечить перекрытие потоков данных. По мере увеличения количества сегментов данных вероятность их потери из-за пересечения сигналом точки прореживания уменьшается. В таких случаях оставшиеся сегменты компенсируют потерянные данные, гарантируя отсутствие потерь каких-либо данных в конце процесса (рис. 11).

Следующий модуль на структурной схеме рис. 8 – блок обработки сигналов (SPU). В приборах RTSA RIGOL применяется собственная уникальная технология Ultra Real, которая использует новую архитектуру системы со значительными возможностями обработки сигналов в реальном времени, с механизмом обработки сигналов развертки, модулем обработки при демодуляции сигнала и модулем обработки сигналов ЭМП. Кроме того, имеются механизмы обработки послесвечения и спектрограмм, которые облегчают обработку сигналов, быстрый захват, расчет данных, анализ и отображение. Все эти функции внедрены в чип ПЛИС для обработки сигналов в реальном времени. Блок SPU включает в себя модуль GPSA, который позволяет переключаться в соответствующий режим в приложениях, требующих большей полосы пропускания. IQ-представление сигнала позволяет включить модуль векторной обработки сигналов, анализа сигналов с цифровой и аналоговой модуляцией, а также анализа импульсных сигналов.

Технология Ultra Real от RIGOL позволяет:

• вести обработку данных без пропусков (Gap-free data processing). Наименьшая длительность события со 100-% вероятностью захвата (POI) у RSA5000 от RIGOL составляет 7,45 мкс;
• использовать отображение с высокоскоростным откликом (High-response display feature) для реализации расширенных функций реального времени, к которым относится одновременное и синхронное отображение графиков в частотной области и спектрограмм во временной области;
• использовать функцию запуска по частотной маске (Frequency Mask Trigger, FMT). Этот надежный и мощный инструмент захватывает точные данные для быстрого анализа, инициирует анализ на основе уровня оцифрованного сигнала, используемого в качестве эталона, что делает его особенно полезным для работы с прерывистыми сигналами.

В центральный процессор (Central Processing Unit, CPU) RIGOL заложены широкие возможности для обеспечения высокой производительности RTSA, точной синхронизации обнаруживаемых сигналов, а также для исключения возможности потери данных. ЦП работает совместно с графическим процессором (Graphic Processing Unit, GPU), который обеспечивает быструю обработку цифровых изображений. Это важный аспект, который компания RIGOL включила в механизм RTSA, поскольку быстрые вычисления упомянутых данных были бы ограниченно полезны, если бы архитектура RTSA не отображала результаты обнаружения сигналов. Следовательно, интеграция графического процессора повышает общую производительность, особенно когда он встроен в ПЛИС и подключен через высокоскоростную шину к блоку обработки сигналов.

Использование оконной функции

В анализаторах RTSA используется алгоритм дискретного преобразования Фурье (БПФ как частный случай) для захвата и обработки сигналов во временной области. БПФ гарантированно работает корректно только в том случае, если количество точек данных является бесконечным, отсутствуют потери информации и в результате обнаруживаются все сигналы в анализируемом частотном диапазоне. На практике кластеры обрабатываемых данных конечны. Конечность выборок данных и дискретность преобразования приводят к появлению дополнительных высокочастотных компонентов в частотной области сигнала. Это явление искажения исходного сигнала известно как утечка мощности.

Для решения этой проблемы применяется метод оконной обработки (оконные функции), который подразумевает умножение спектра первичного (измеряемого) сигнала на вторичный сигнал (функцию окна) с целью модификации (уменьшения) влияния разрывов на границах интервала обработки. По сути, ограничение интервала анализа рав- носильно произведению исходного сигнала на прямоугольную оконную функцию.

На практике, в зависимости от сценариев применения, используется несколько типов оконных функций, различающихся описываемыми математическими уравнениями, формой и уровнем боковых лепестков, степенью утечки спектра, точностью отображения амплитуды, разрешения по частоте. Например, окно Ханна, или окно приподнятого косину- са, является наиболее широко используемым из них. Рис. 12 иллюстрирует эффект применения этого окна к сигналу, не имеющего целого числа циклов. При умножении спектра сигнала на функцию окна Ханна мощность сигнала в крайних точках уменьшается практически до нуля (см. бирюзовую кривую на рис. 12).

Заметим, что метод оконной обработки имеет некоторые нежелательные эффекты на результирующий сигнал. Например, увеличение полосы пропускания главного пика в частотной области влияет на мощность главного пика, также известную как фактор окна. Использование того или иного окна для получения оптимальных результатов при измерении сигнала с помощью прибо- ров RTSA зависит от конкретной характеристики, измеряемой на испытуемом сигнале. Окно Ханна является наиболее часто используемым методом – частота его применения около 95%. В отсутствие информации об измеряемом сигнале окно Ханна можно использовать в качестве предварительного приближения. Однако в некоторых случаях может потребоваться другой метод окна для захвата определенной характеристики изме- ряемого сигнала.

Табл. 1 иллюстрирует функции окна, используемые в анализаторах RIGOL серий RSA5000 и RSA3000, а также свойства этих функций. Видно, что окно Хеннинга является оптимальным выбором за исключением случаев измерения амплитуды сигнала. В таких случаях лучше подходит функция с плоской вершиной.

Таблица 1. Функции и свойства окон в анализаторах RIGOL серий RSA5000 и RSA3000
Функция окна	Спектральная утечка	Точность по амплитуде	Разрешение по частоте
Гаусса	удовлетворительно	хорошо	удовлетворительно
с плоской вершиной	хорошо	отлично	плохо
Блэкмана-Харриса	отлично	хорошо	удовлетворительно
прямоугольное	плохо	плохо	отлично
Хеннинга	хорошо	удовлетворительно	хорошо
Кайзера	хорошо	хорошо	удовлетворительно

В табл. 2 представлена информация о функциях окна, используемых для разных приложений. Фактор окна (ширина по уровню –3 дБ) был включен в эту таблицу в качестве справочного по влиянию на амплитуду измеряемого сигнала.

Таблица 2. Функции окна для разных приложений
Тип окна	Фактор окна, бин	Оптимальный сценарий использования
с плоской вершиной	3,72	Для измерения амплитуды. Точность измерения частоты плохая.
Блэкмана-Харриса	1,9	Для измерения амплитуды многочастотных точек, особенно для поиска гармоник более высокого порядка у одночастотного сигнала.
прямоугольное	0,89	Для измерения радиочастотных импульсов. Амплитуда сигнала выглядит почти одинаковой до и после умножения на оконную функцию.
Хеннинга	1,44	Комбинация синусоидальных сигналов. Для измерения амплитуды точность из- мерения умеренная.
Кайзера	2,23	Для измерения сигналов с разной амплитудой.

Рис. 13 иллюстрирует комбинированный эффект окна и перекрытия БПФ, используемого в анализаторах RTSA RIGOL. Исследуемый сигнал представляет собой импульс во временной области. Ряд сегментов данных создается и перекрывается, чтобы предотвратить совпадение конца сегмента с измеренным сигналом. Кроме того, к каждому сегменту данных применяется функция окна. Все сегменты впоследствии анализируются и объединяются в блоке обработке сигналов, а затем отображаются на экране прибора в реальном времени с помощью графического процессора как результирующий сигнал в частотной области.

Анализатор БПФ обычно использует непрямоугольную функцию оконного преобразования для обработки полученных данных I/Q до вычисления БПФ. Имея достаточное перекрытие, можно гарантировать, что короткие импульсы, которые можно ослабить, если они возникают на краях окна, также будут точно измерены в центре окна в последующих БПФ.

Плюсы и минусы GPSA и RTSA

Рассмотрев основные аспекты архитектуры анализаторов спектра и методик измерения, выделим плюсы и минусы GPSA и RTSA.

Плюсы GPSA: Минусы GPSA:

• невозможно обнаружить быстро изменяющиеся сигналы, что может привести к потере значимой информации;
• невозможность проанализировать в динамике сложные методы модуляции, например псевдослучайную перестройку рабочей частоты (ППРЧ);
• для качественного анализа необходимо обеспечить высокую стабильность ГУН. 

Плюсы RTSA:

• БПФ позволяет захватывать все сигналы в заданном диапазоне частот;
• отсутствие потерь данных при динамическом анализе сигналов;
• возможность использования расширенных методов мониторинга, таких как спектрограммы для отображения интенсивности сигнала в зависимости от частоты в течение определенного периода времени, для обнаружения спорадических сигналов;
• отображение мощности во временной области одновременно с графиками в частотной области;
• обеспечение меньшего уровня шума;
• возможность переключения в режим GPSA.

Минусы RTSA:

• динамический диапазон частот ограничен несколькими десятками МГц;
• в настоящее время типичные приложения, такие как предварительные расчеты соответствия ЭМП (EMI precompliance), не могут выполняться динамически;
• требуется настройка оконных фильтров;
• как правило, более высокая стоимость, чем у сопоставимых GPSA;
• не практичны для обработки низкочастотных сигналов.

Сравнительные измерения RTSA и GPSA

Приведем несколько примеров измерений, показывающих различия между RTSA и GPSA. Во-первых, проиллюстрируем возможность обнаружения динамических сигналов и переходных процессов. На рис. 14 показан спектр сигналов Bluetooth 2,4 ГГц, захваченный на RTSA. Во время теста на RTSA использовался режим спектральной плотности (density mode), позволяющий четко идентифицировать сигналы, которые перестраиваются на разные частоты в пределах спектра, как показано в области 1 на рис. 14. Кроме того, область 2 на рис. 14 отображает сигнал переходного процесса, который в момент своего появления не может использоваться, как сигнал Bluetooth.

Режим спектральной плотности, используемый в RTSA, представляет собой число событий в зависимости от частоты, примененной к цветовой шкале спектральной плотности, которая делит спектр на диапазоны по оси амплитуды. Каждый цвет на шкале представляет собой число событий, которые попадают в определенную сетку на оси амплитуды. Эта функция работает совместно с функцией послесвечения, которая предоставляет ценный инструмент для обнаружения динамических сигналов и переходных процессов.

На рис. 15 показан ранее проанализированный сигнал Bluetooth в режиме GPSA. В этом случае использовалась функция Max Hold в течение нескольких секунд для определения активных зон, занятых сигналом Bluetooth. Следующим шагом было применение режима Clear для захвата скачков частоты в реальном времени. Можно заметить, что отображается только ограниченная часть всего спектра Bluetooth. Удалось определить только один полный скачок частоты (пик 1), тогда как другие скачки частоты (пики 2 и 3) были обнаружены лишь частично. Кроме того, не были идентифицированы переходные сигналы.

Еще одной ключевой особенностью RTSA является спектрограмма, которая обеспечивает визуальное представление данных в трех измерениях: частота, время и мощность сигнала. Этот инструмент бесценен для анализа динамических сигналов как во временной, так и в частотной областях. На рис. 16 приводится пример использования спектрограммы для визуализации сигнала с перестройкой по частоте в полосе 1 МГц. Процесс развертки выполняется дискретными временными шагами, а цвет отображаемого сигнала представляет собой количество событий, попавших в определенную сетку (мощность сигнала).

Спектрограмма является очень востребованным инструментом для обнаружения переходных сигналов. Эта функция может использоваться в телекоммуникациях для обнаружения сигналов помех, мешающих основному сигналу вещания и ухудшающих его качество. На рис. 17 иллюстрируются спорадические сигналы (обозначенные как 1 и 3) и постоянные сигналы (2) на спектрограмме и графике спектральной плотности.

Еще одним полезным графиком для анализа динамического сигнала является зависимость мощности во времени (PvT). Этот график похож на осциллограмму, на которой мощность сигнала изменяется во времени.

Разница между графиком PvT и осциллограммой заключается в том, что вертикальная ось представляет общую мощность, рассчитанную в полосе обзора.

На рис. 18 показан типичный график PvT сигнала Bluetooth. Спектрограмма и частотный спектр сигнала представлены одновременно, что позволяет сопоставлять информацию между графиками. График PvT на рис. 18 также показывает флуктуационную тенденцию мощности, которая является характеристикой сигнала ППРЧ.

Выводы

Свипирующие анализаторы спектра общего назначения (GPSA) широко используются для обнаружения сигналов в частотной области от нескольких кГц до нескольких десятков ГГц. Они обладают высокой эффективностью анализа сигналов в высокочастотном диапазоне (ГГц), где осциллографы менее эффективны, особенно из-за присущих им высоким уровням шума по сравнению с анализаторами спектра. Однако у GPSA имеются ограничения в отношении обнаружения быстро изменяющихся сигналов. 

Следовательно, использование GPSA ограничено, в основном, сценариями применения, где сигналы либо постоянны, либо подвержены медленным изменениям. Напротив, приборы RTSA решают проблему обнаружения динамических сигналов и переходных процессов, захватывая информацию во временной области и затем выполняя обработку данных для преобразования этой информации в частотную область. Имеется заметная разница в эффективности RTSA при обнаружении быстро изменяющихся сигналов по сравнению с GPSA. Во многом это объясняется появлением таких устройств как ЦСП, ЦП и графических процессоров, а также использованием сложных алгоритмов для обработки данных в режиме реального времени. У RTSA пока еще ограниченная полоса анализа для работы в режиме реального времени. 

Однако вычислительные мощности устройств обработки данных постоянно увеличиваются, что позволяет расширять этот диапазон. Следовательно, при выборе современного анализатора спектра предпочтение следует отдавать RTSA, учитывая значительные функциональные преимущества, несмотря на существующую разницу в цене в сравнении с анализаторами GPSA.