. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Real-time spektrální analyzátory
9. února 2016 - 07:37 | Ing. Martin Šimůnek | Real-time spektrální analyzátory | Komentářů: 0  

Real-time spektrální analyzátory

Jaké jsou v současné době vlastně možnosti měřicí techniky? Článek se zaměřuje na možnosti a schopnosti digitálních real-time spektrálních analyzátorů.

Od počátků vysílání pomocí radiových vln bylo prioritním úkolem zajistit co největší kvalitu přenosu původní informace. V prvopočátcích probíhal vývoj na bázi pokusů a omylů, největším problémem byla spíše možnost zvýšení výkonu vysílače a citlivost přijímací části. V současné době máme již pro mnohé oblasti omezený rozsah frekvencí a množství přenášených informací stale narůstá. Na straně vysílačů je třeba zajistit co nejmenší ovlivňování sousedních frekvencí a na straně přijímačů dostatečnou selektivitu a citlivost. Analogové modulace již trendům a požadavkům na objem informace nedostačují a tak nastupují komprese signálu, různé metody využití sdílení kanálu, nové typy modulací. Tak jako se Vaše pevná linka stala zázrakem, když modem dosahoval přenosu 9,8 kb/s a bylo možné přenášet data, teď je možně přes stejné dráty přenést televizní přenos v HDTV. Měřicí technika jako věrný následovník poskytuje prostředky pro vývoj, výrobu a servis všech těchto zařízení.

Jaké jsou v současné době vlastně možnosti měřicí techniky? Z doby historické nám stále ještě pomáhají vysokofrekvenční voltmetry se selektivním filtrem. Stále je možno pracovat s vysokofrekvenčními měřiči výkonu. K dispozici jsou generátory, měřicí přijímače, speciální testery do výrob dle některých technologií. Pro testování částí rádiových systémů jsou obvodové analyzátory, pro kontrolu impedančních vlastností máme metodu časové reflektometrie. Logické analyzátory pomáhají s komplexními modulacemi…Nástup PC karet umožňuje vytvářet rozsáhlé systémy pro vysílání i příjem.

Máme ale základní přístroje, ke kterým připojíme anténu a můžeme se přímo podívat na signál v jeho přímé podobě. Historicky nejstarším v této skupině je osciloskop. Současné osciloskopy mají šířku pásma desítky GHz se vzorkováním v reálném čase 100 GSa (Tektronix přelom 2010/2011). Osciloskopy pomáhají elektronice už řadu desetiletí a jejich možnosti jsou digitální technikou a SW aplikacemi stále rozšiřovány. Druhou skupinou jsou spektrální analyzátory. A protože vše souvisí se vším, původně SW aplikace a metody vyvinuté pro SA byly převedeny do digitálních osciloskopů. Spektrální analyzátory se vyvinuly z voltmetrů s přeladitelným selektivním filtrem, schéma klasického SA se superhetem je na obr. 1. Jak takový spektrální analyzátor funguje zná pravděpodobně každý z oblasti radioelektroniky. Zásadní nevýhodou je, že měření spektra není kontinuální, což tyto přístroje omezuje pouze na měření signálů stacionárního charakteru.


Obr. 1: Klasický spektrální analyzátor

S nástupem digitální techniky a digitálních modulací se objevila potřeba analyzovat i kvality modulace, kontrolovat skoky mezi frekvencemi a přišel Vektorový Signální Analyzátor.


Obr. 2: Vektorový signální analyzátor

Jak je vidět, rozdíl v konstrukci je hlavně v části detektoru. Signál je navzorkován a poté dochází již k digitálnímu zpracování a výpočtu spektra. Podobných možností lze dosáhnou i downkonverzí signálu a přivedením IF signálu na vstupy osciloskopu a se vzorky pak pracovat ve spektrální obkasti , tato metoda byla také používána. Nevýhodou VSA byl volný běh digitalizace, tedy podobně jako osciloskop běžící bez spouštěcí podmínky. Proto byla funkcionalita rozšířena o možnost externího spouštění a nebo spouštění úrovní signálu, ale pozor, pouze úrovní v časové oblasti na digitalizovaném IF signálu. SA i VSA samozřejmě umožňují testování spektra maskou, ale pouze jako porovnávání aktuálně měřeného spektra s definovanými limitami. Hledal se tedy způsob jak zachytit krátkodobý děj ve vysokofrekvenční oblasti. Signál typu RFID, Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, dálkový ovladač k autu … Tedy jednorázový děj bez možnosti spouštět nějakým interním signálem zařízení. Odpověď přinesly real-time spektrální analyzátory, nebo-li spektrální analyzátory v reálném čase.


Obr. 3: Real-time spektrální analyzátor

U real-time spektrálních analyzátorů je výstup superheterodynní části přiveden na vzorkovací obvod a A/D převodníkem digitalizován. Digitalizovaný signál je rozdělen na kratší úseky (frames) a ty jsou pomocí algoritmů FFT přepočítány na spektrum vstupního signálu. Šířka pásma, s nímž dokáže analyzátor najednou pracovat, je omezena rychlostí A/D převodníku, proto analyzátory mohou fungovat ve dvou režimech. Je-li zvolené pásmo širší, než to, jež je schopen zpracovat najednou, funguje analyzátor podobně jako přelaďovaný. Druhý režim je však zajímavější a je i tím, co dělá tyto analyzátory real-time – je-li zvolené pásmo takové, jaké dokáže zpracovat najednou, funguje analyzátor v režimu kontinuální analýzy. Analýza signálu tedy probíhá nepřerušovaně a signál je v daném pásmu digitalizován a zpracován bezezbytku. Výsledkem měření je spektrum signálu bez výpadků v čase nebo ve frekvenci. Právě to je největší výhoda tohoto typu spektrálního analyzátoru. Pomocí real-time spektrálních analyzátorů je totiž možné zaznamenávat i velmi krátké události – bursty. Právě pomocí takových burstů komunikuje dnes mnoho zařízení pracující v pásmu jednotek GHz. (GSM a UMTS, Bluetooth, WiFi a další). Vlastnosti real-time analyzátorů jsou určeny hlavně frekvenčním rozsahem a šířkou pásma, v němž dokáží pracovat v real-time režimu. Celý trik spočívá v rychlosti, při vzorkování nového balíku dat probíhá analýza předchozích dat. Rychlost výpočtu spektra z časového průběhu musí být rychlejší než časová délka analyzovaného objemu dat. Pro výpočet spektra se používá buď algoritmus FFT nebo CZT (Chirp-Z Transform). V CZT se neuplatňují některé limitace vstupních podmínek, které má FFT a pro výpočet 1024 bodů spektra stačí i 300 vzorků v časové doméně. Náročnost na HW je pro počet vzorků < 1024 je nižší než u FFT.

RTSA i VSA tedy pracují tak, jako kdyby pro každý frekvenční krok zobrazovaného spectra existoval vlastní filtr a detektor.


Obr. 4: Blokové Schéma RTSA - IF část

Spektrální analyzátory v reálném čase pokrývají nyní frekvenční pásmo od DC až do desítek GHz. Pro šířku zobrazovaného pásma až 110 MHz pracují v reálném čase, podobně jako VSA. V obou typech jsou většinou max. 14ti bitové převodníky.


Obr. 5: Blokové Schéma RTSA – Spouštění


Obr. 6: Princip demodulace

Samozřejmě si musíme uvědomit, že kvantováním dochází u VSA i RTSA k nepřesnostem, zrovna tak výpočet spektra z bodů v časové oblasti nese chyby (výběr okna pro korekci je možný, v RTSA Tektronix se jako std. používá Kaiser). Vliv použitého okna má vliv například na ekvivalent RBW známého z přelaďovaných SA:

kde k je faktor okna (Kaiser s 16,7 má k ca 2,23), FS je vzorkovací frekvence a N je počet vzorků.
Stejně tak jsou použity vnitřní kalibrace a kalibrační konstanty, přepínaní preselektorů, vícenásobná filtrace, aby měření bylo co nejpřesnější.
Díky digitalizaci umí však analyzátory více divů. Kromě samotného zobrazení spektra umí i takzvaný spektrogram. Je to závislost průběhu spektra za delší časový úsek. Zároveň jsou data uložená v paměti přístroje a lze tak zpětně prohlížet aktuální okna a analýzy k danému místu záznamu.


Obr. 7: Princip Spektrogramu

Uložení v paměti umožňuje analyzovat data na úroveň jednotlivých bitů a pro mnoho standardů jsou přednastavené parametry požadované pro měření i vlastní měřené veličiny. Data lze exportovat a analyzovat i off-line vícenásobně. Pokud potřebujeme zachytit nějaký krátký děj vícekrát, tak se jednoduše nastaví délka záznamu a sekvenčně se události zaznamenají za sebe s plnohodnotnou časovou značkou.


Obr. 8: Měření v uloženém záznamu – pohybem ve spektrogramu lze analyzovat výsledky v různých časech

Možnosti spektrogramu a měření na zaznamenaných datech jsou asi zřejmé, cokoli je možné SW vyřešit, a dokážeme daný jev zachytit, tak je možné off-line vyřešit. Pokud se ale podíváme na problém z jiného hlediska, zjistíme, že nástroj univerzálního typu potřebuje ještě jinou vlastnost. Zde můžeme opět skočit zpět k osciloskopům. Pokud na osciloskopu umíme nastavit spouštěcí podmínku, je osciloskop v mezích svých specifikacích schopen na tuto podmínku se 100% pravděpodobností zareagovat a zachytit děj kolem této podmínky. Problém nastává, pokud nevíme, co vlastně chceme zachytit. Tedy dokážeme určit, že např. hodinový signál, typicky obdélníkový, jednou za poměrně dlouhou dobu (minuty až hodiny) vykáže výpadek. Ovšem jaká chyba to vlastně je ? Přestane kmitat, perioda je delší nebo kratší, úroveň je menší nebo naopak větší, hrana pomalá ? Hledáním správné spouštěcí podmínky pak můžeme ztratit řadu dní a v případě kombinace více problémů se staneme psychickou troskou…Pro osciloskopy i RTSA byla vyvinuta technologie DPX, velmi rychlé zobrazování naměřených hodnot na vizualizační část, tedy displej. Na obr. 9 je jednoduchý signál, který skokově změní frekvenci a pak se vrátí v krátkém čase zpět (opakování každých 1,28s, nestabilita trvá 100mikrosekund). Obrázek uprostřed zachycuje obrázek klasického SA po 5ti sekundách. Ostatní obrázky zobrazují možnosti RTSA. Zachycení spektrogramem, graf Frekvence/čas a zobrazení pomocí DPX (také po 5ti sekundách).

DPX v RSA3000/6000A

  • 48,000 Spekter/s
  • 100% pravděpodobnost zobrazení pro události > 24us
  • Bitmap Saturace ~1 sec (16 bit)
 

opt. 200 - DPX v RSA6000A

  • 292,000 Spectrums/s
  • > 10,3 us
  • > 8 hodin (36bit;)
Obr. 9: Zachycení frekvenční nestability

DPX je tedy vizualizační prostředek, umožňující zachycení změn v zobrazovaném spektru. Tato technologie zároveň umožňuje přehledné zobrazení vzájemně se překrývajících signálů, tedy signálů využívající danou kmitočtovou oblast a přistupujících do ní v různých časech (např. WiFi a Bluetooth). RSA6100 mají jako volitelné rozšíření nový HW, umožňující zobrazit až 292 000 spekter za sekundu, kromě toho umožňuje tento option i rozdělení zobrazovaného spektra do více segmentů a postupně proměřovat jednotlivé úseky kontrolovaného pásma, takže celkový zobrazovaný span je delší než BW pro realtime režim, viz obr.10.


Obr. 10: – opt. 200 umožňuje využití DPX pro širší pásmo než je BW pro realtime režim

Posledním problémem současnosti, na který nestačí současná technologie RTSA je potřeba většího zobrazovaného pásma v realtime režimu. RTSA i VSA jsou zatím limitovány kolem 110 MHz. Pak se opět musíme vrátit zpět k osciloskopu. Výhodou je, že SW podpora odpovídá v analýze SW pro spektrální analyzátory, nesmíme však zapomenout na to, že osciloskopy mají pouze 8mi bitové převodnííky, tedy parametry dynamiky jsou kolem 45 dB vs. ca 70-80dB pro SA, VSA a RTSA. Oproti RTSA umí osciloskop spouštět pouze podle časové domény a nikoli podle události ve frekvenční doméně. Na DPX zobrazení pro zobrazení spektra ani nemusíme myslet. Výhodou je tak hlavně možnost velikosti zobrazovaného pásma a dlouhá akviziční paměť.


Obr. 11: Osciloskop se SW pro analýzu radiových signálů nebo RTSA

Novinkou posledního roku je střední třída RTSA Tektronix RSA5000 - real-time spektrální analyzátory střední třídy s maximální frekvencí 3 a 6,2 GHz. Standardní šířka zobrazovaného pásma v real-time režimu je 25 MHz, kterou lze rozšířit na 40 nebo 85 MHz. Při největší šířce je RSA5000 schopen zachytit kontinuální záznam o délce 7 sekund, to vše spouštěno v okamžiku definované události ve spektru. 100% zachycení události v monitorované oblasti je zaručeno pro délku trvání výskytu signálu od 5,8 mikrosekund. RTSA lze rozšířit o speciální aplikace pro měření jitteru, fázového šumu, pulzních signálů (radar a pod).

Autor: Ing. Martin Šimůnek, T&M Direct, s.r.o. a FEL ČVUT

Odkazy & Download:
Domovská stránka T&M Direct, s.r.o.
Real-time spektrální analyzátory
FEL ČVUT







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
PGEN45 - Generátor 8 kHz až 45 MHz
Moduly PGEN45, jejichž základem je integrovaný obvod LTC1799, jsou lineárně řízené generátory obdélníkového signálu v rozsahu 8 kHz do 45 MHz.
Skladem od 530 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007