wersja mobilna
Online: 538 Środa, 2016.12.07

Technika

Pomiary widma klasycznymi analizatorami i analizatorami z cyfrową p.cz. cz. 1

czwartek, 24 kwietnia 2014 11:38

Coraz więcej urządzeń wykorzystuje łączność bezprzewodową. Możliwość stosowania komunikacji tego typu inspiruje konstruktorów, czego skutkiem są nowe urządzenia, które nie mogłyby istnieć wcześniej. Mamy więc zbliżeniowe karty płatnicze, systemy RFID, sieci WLAN, urządzenia nawigacyjne i wiele innych. Powstają nowe technologie łączności oparte na coraz bardziej skomplikowanych modulacjach, zajmujące coraz wyższe pasma. Nie byłoby to możliwe bez nowoczesnych przyrządów przeznaczonych do pomiarów sygnałów radiowych.

Rys. 1. 3-wymiarowy model złożonego sygnału w.cz.

Pomiary sygnałów o częstotliwościach radiowych (w.cz., RF) wymagają stosowania skomplikowanych przyrządów, skonstruowanych specjalnie do tego celu. Z uwagi na zasadę pomiaru niezbyt przydatne są do tego oscyloskopy, nawet wysokiej klasy. Do pomiarów sygnałów radiowych należy więc stosować analizatory widma i wektorowe analizatory sygnałów. Złożoność ich budowy wymaga nie małej wiedzy od użytkowników, dotyczącej zresztą nie tylko samej obsługi aparatury, ale też zagadnień teoretycznych związanych z metodą wykonywanych pomiarów.

Porównując stopień skomplikowania urządzeń użytkowych i aparatury pomiarowej można zadawać sobie pytanie, co jest elementem napędzającym rozwój technologii. Z jednej strony, bez odpowiedniej aparatury pomiarowej nie byłoby możliwe konstruowanie urządzeń użytkowych, z drugiej jednak strony, koncepcja nowych rozwiązań wymusza konieczność opracowywania nowych przyrządów pomiarowych. Trudno stwierdzić, co jest skutkiem, a co przyczyną, trochę jak z jajkiem i kurą.

W nowoczesnych analizatorach stosowana jest niemal wyłącznie technika cyfrowej obróbki sygnału. Przyrządy te doskonale sprawdzają się w pomiarach urządzeń z modulacjami cyfrowymi, są niezastąpione przy badaniu sygnałów z nieregularnym widmem.

Pomiary w dziedzinie czasu i w dziedzinie częstotliwości

Rys. 2. Porównanie badania sygnału w.cz. analizatorem widma i oscyloskopem: a) sygnał bez modulacji, b) sygnał zmodulowany

Każdy sygnał zmienny może być analizowany w dziedzinie czasu albo w dziedzinie częstotliwości. Do pomiarów sygnałów m.cz. stosowane są oscyloskopy, które w swoim podstawowym trybie pracują w dziedzinie czasu. Ich ograniczone pasmo analogowe jest jednym z czynników, decydujących o tym, że przyrządy te nie nadają się do badania sygnałów w.cz. (o częstotliwościach radiowych). W takich przypadkach należy sięgać po analizatory widma, które z kolei dokonują pomiarów w dziedzinie częstotliwości. Z matematycznego punktu widzenia obie metody są w zasadzie wymienne, jednak pomiary realizuje się z zastosowaniem odmiennych rozwiązań układowych.

Złożony sygnał zmienny może być przedstawiony w 3-wymiarowym modelu, na przykład tak, jak na rysunku 1. Oscyloskop widzi ten sygnał 2-wymiarowo od strony czasu (zielona strzałka), analizator widma zaś od strony częstotliwości (niebieska strzałka). Przebieg analizowany w dziedzinie czasu pokazuje zmiany poziomu sygnału (mocy) w czasie, natomiast analiza w dziedzinie częstotliwości ukazuje rozkład składowych częstotliwościowych widma. Z rysunku 1 wynika, że niektóre informacje o sygnale, w zależności od punktu widzenia mogą być przesłaniane i zaciemniane.

Rys. 3. Graficzna interpretacja zasady działania klasycznego analizatora widma

Cechy sygnału można określać na podstawie informacji zawartych w jego wykresie czasowym lub w widmie. Niektóre informacje są bardziej czytelne z zależności czasowych inne natomiast z widma. W praktyce często dokonuje się zamiany dziedziny czasu na dziedzinę częstotliwości za pomocą przekształcenia Fouriera, stosowane jest również przekształcenie odwrotne przy przechodzeniu z dziedziny częstotliwości na dziedzinę czasu.

Sygnały radiowe są to sygnały zmodulowane, których widmo zawiera wiele składowych częstotliwościowych. Ich analiza w dziedzinie częstotliwości jest więc bardziej naturalna i dostarcza więcej czytelnych informacji o sygnale. Na rysunku 2 przedstawiono porównanie analizy dwóch przebiegów w.cz. przeprowadzonej oscyloskopem i analizatorem widma. Oba sygnały mają częstotliwość 1 GHz, przy czym sygnał z rysunku 2a nie jest modulowany, a sygnał z rysunku 2b jest modulowany przebiegiem sinusoidalnym o częstotliwości 1 kHz. Na podstawie przebiegów oglądanych na oscyloskopie nie można stwierdzić praktycznie żadnych różnic między obydwoma sygnałami, różnice są natomiast doskonale widoczne przy zastosowaniu analizatora widma.

Zależności czasowe w widmie

Rys. 4. Graficzna interpretacja zasady działania cyfrowego analizatora widma

Badając sygnały w.cz. klasycznym analizatorem widma możemy natknąć się na przypadek, w którym pomiar nie będzie w pełni wiarygodny. Dobrym przykładem jest analiza sygnału, którego widmo zmienia się dość szybko w czasie.

Zasada działania klasycznego analizatora widma polega na przemiataniu określonego zakresu częstotliwości z ustalonym krokiem i badaniu poziomu sygnału (mocy) dla kolejno wybieranych częstotliwości. Model działania takiego analizatora przedstawiono na rysunku 3. Graficzną interpretacją pomiaru jest płaszczyzna ustawiona pod pewnym kątem w stosunku do osi czasu. Na niej znajdują się wyniki skanowania częstotliwości.

Klasyczny analizator widma będzie więc mierzył poprawnie przy założeniu, że w czasie jednego cyklu przemiatania widmo sygnału nie ulegnie zmianie. Co jednak będzie, jeśli szybkość zmian widma okaże się większa niż szybkość przemiatania? Taki przypadek przedstawiono na rysunku 3. Mimo, że w 3-wymiarowym widoku widma wyraźne widoczne są dwie składowe f1, i f2, to jednak analizator pokaże tylko jedną z nich. Będzie to f1, gdyż składowa o tej częstotliwości występowała w sygnale w chwili (t1), w której analizator mierzył tę częstotliwość. W chwili (t2) pomiaru częstotliwości f2 składowa taka w sygnale już nie występuje, więc nie może być wyświetlona.

Analizatory widma z przemiataniem (klasyczne) stanowią bardzo liczną grupę urządzeń wykorzystywanych do pomiarów sygnałów radiowych, jednak jak widać z powyższego przykładu, zupełnie nie nadają się do pomiarów nowoczesnych urządzeń, w których widmo zmienia się bardzo dynamicznie i szybko. Odpowiednim przyrządem będzie dla nich cyfrowy analizator p.cz. (digital IF signal analyzer) mierzący widmo nieregularne. Jego dodatkową zaletą jest możliwość wykonywania pomiarów poziomu sygnału w dziedzinie częstotliwości, a także zmian widma w czasie. Ten ostatni pomiar jest przedstawiany w postaci spektrogramu. Zasadę działania analizatora cyfrowego przedstawiono na rysunku 4.

Artykuł opracowano na podstawie materiałów Anritsu.

Jarosław Doliński, EP
Meratronik

www.meratronik.pl