wersja mobilna
Online: 451 Sobota, 2016.12.10

Technika

Pomiary widma klasycznymi analizatorami przemiatającymi i analizatorami z cyfrową p.cz., cz. 3

wtorek, 24 czerwca 2014 09:04

Inżynierowie zajmujący się pomiarami sygnałów radiowych stają wobec problemu wyboru odpowiedniego przyrządu. Niestety, jak zwykle trudno jest znaleźć przyrząd uniwersalny, nadający się do różnych rodzajów pomiarów, spełniający przy tym wymagania dotyczące dokładności, stabilności, szybkości działania itp. Klasyczne analizatory widma powoli odchodzą do lamusa, a ich miejsce zajmują całkowicie cyfrowe analizatory sygnałów. Pełna rezygnacja z analizatorów klasycznych na razie jednak nie jest jeszcze możliwa, gdyż są takie obszary zastosowań, w których nadal będą one lepsze od analizatorów sygnałów. Fakt ten nie ułatwia wyboru użytkownikom.

Śledzenie

Podstawową formą wyświetlania wyników pomiarów dokonywanych analizatorami sygnałów jest wykres widma, czyli zależność mocy w.cz. od częstotliwości. Wykres taki jest uzyskiwany na podstawie analizy przetworzonego do postaci cyfrowej sygnału w.cz. i obliczenia na podstawie tak uzyskanych danych funkcji FFT. Na tym jednak możliwości analizatorów sygnałów się nie kończą. Podczas badań urządzeń kluczujących sygnał w.cz. przydatny okaże się z pewnością również wykres mocy w funkcji czasu.

Rys. 1. Wykres mocy w funkcji czasu

Rys. 2. Pomiar CCDF (sygnał naziemnej cyfrowej stacji TV)

W tym przypadku oś pozioma jest związana z czasem, na osi pionowej natomiast jest przedstawiana moc. Przykład takiego pomiaru (Power vs. Time) przedstawiono na rysunku 1. Na podobnej zasadzie generowane są również wykresy częstotliwości w funkcji czasu (Frequency vs. Time) i fazy w funkcji czasu (Phase vs. Time). Na uwagę zasługuje funkcja CCDF (Complementary Cumulative Distribution Function), przydatna szczególnie w pomiarach wzmacniaczy mocy OFDMA. Pomiar CCDF pozwala szacować stosunek mocy szczytowej do mocy średniej, określać statystyczny rozkład mocy sygnału. Na osi poziomej jest odkładana amplituda, na osi pionowej natomiast prawdopodobieństwo występowania poszczególnych amplitud. Przykład pomiaru CCDF przedstawiono na rysunku 2.

Zaletą analizatorów sygnałów jest możliwość dodawania trzeciego wymiaru do wykresów widmowych. W ten sposób uzyskiwane są spektrogramy, pokazujące zależność widma od czasu. Na rysunku 3 przedstawiono zasadę wykreślania takiego wykresu. Można powiedzieć, że spektrogram jest obrazem, jaki widzimy, patrząc od góry (od osi poziomu sygnału) na 3-wymiarowy wykres poziomu, częstotliwości i czasu. Częstotliwość jest przedstawiona na osi poziomej, czas na osi pionowej, zaś moc sygnału jest zaznaczana kolorem wykresu. Na rysunku 4 przedstawiono przykładowy spektrogram sygnału Bluetooth.

Rys. 3. Zasada tworzenia spektrogramu

Rys. 4. Przykładowy spektrogram przełączania częstotliwości w sygnale Bluetooth

Pomocną w praktyce opcją dla użytkowników analizatorów sygnałów jest też śledzenie pomocnicze (Sub-traces). Włączenie tej opcji powoduje utworzenie dodatkowego okna pod oknem głównym i umieszczanie w nim wyników pomiaru uzupełniającego. Na przykład: w oknie głównym wyświetlane jest widmo badanego sygnału, a w oknie Sub-Traces pomiar mocy w funkcji czasu, albo spektrogram.

Różnice i podobieństwa między analizatorami sygnałów a analizatorami widma

Zasadę działania analizatora widma przedstawiono na rysunku 5. Sygnał wejściowy jest przetwarzany przez mieszacz na sygnał p.cz. (fIF), a następnie filtrowany przez filtr wąskopasmowy. Amplituda sygnału o danej częstotliwości jest określana w detektorze. Wykorzystując fakt, że częstotliwość sygnału wejściowego jest sumą częstotliwości sygnału lokalnego i częstotliwości pośredniej, możliwy jest pomiar widma sygnału wejściowego w zakresie częstotliwości przemiatania. Inaczej mówiąc, zakres częstotliwości mierzonego widma (span) jest zależny wprost od zakresu przestrajania generatora lokalnego. Zastosowanie cyfrowego przetwarzania sygnału w zakresie objętym linią przerywaną powoduje znaczne przyspieszenie pomiaru i zwiększenie dokładności.

Rys. 5. Schemat blokowy wyjaśniający zasadę działania analizatora widma

Porównując zasadę działania części cyfrowej analizatora widma (zaznaczonej przerywaną linią na rys. 5) z zasadą działania analizatora sygnałów, dostrzegamy duże podobieństwo. Analizator sygnałów ma jednak szersze możliwości niż analizator widma. Można powiedzieć, że funkcje dostępne w analizatorze widma są tylko podzbiorem wszystkich funkcji analizatora sygnałów. Główną różnicą pomiędzy dwoma przyrządami polega na tym, że wykres widma jest w analizatorze widma tworzony na podstawie bezpośredniego pomiaru, w analizatorze sygnałów konieczne jest zastosowanie funkcji FFT.

Różnice w zasadach działania

Ze względu na różnice w zasadzie działania obu rodzajów przyrządów analizator sygnałów jest dużo lepszym narzędziem w pomiarach widma zmieniającego się w krótkich odstępach czasu.

Przyjrzyjmy się teraz zakresom pomiarowym. Szerokość mierzonego widma jest w analizatorze klasycznym uzależniona przede wszystkim od zakresu przestrajania generatora lokalnego. Przy obecnie stosowanych technologiach parametr ten może przekraczać 1 GHz, taka też jest szerokość mierzonego widma. W analizatorach sygnałów zakres mierzonych częstotliwości jest zależny od pasma toru pośredniej częstotliwości. Dzisiejsza technologia pozwala budować tory p.cz. o szerokości pasma od kilku MHz do ok. 100 MHz.

Rys. 6. Wąskopasmowy pomiar widma z dużą rozdzielczością, a) analizatorem widma - czas pomiaru: 3 s, b) analizatorem sygnałów - czas pomiaru: 50 ms z uśrednianiem 1024 wyników

Inną, istotną różnicą pomiędzy obydwoma przyrządami jest czas wykonywania pomiaru. W analizatorze widma czas ten jest ściśle uzależniony od rozdzielczości częstotliwościowej (RBW). Zwiększanie rozdzielczości związane jest z zagęszczeniem pomiarów pośrednich, a więc wydłużeniem czasu całkowitego. W analizatorze sygnałów o całkowitym czasie pomiaru decyduje czas akwizycji wymagany do zebrania dostatecznej dla obliczenia funkcji FFT liczby próbek. Czas ten jest znacząco krótszy od czasu przemiatania w analogicznym pomiarze wykonywanym analizatorem widma.

Różnica szybkości pracy staje się uderzająca szczególnie wtedy, gdy stosowane jest uśrednianie wyników. Wymowne przykłady przedstawiono na rysunku 6. Porównano na nim pomiar widma przy zastosowaniu parametrów: częstotliwość środkowa - 1 GHz, Span - 10 kHz, RBW - 100 Hz. Pomiar analizatorem widma (rys. 6a) trwał 3 sekundy (VBW: 100 Hz), pomiar analizatorem sygnałów (rys. 6b) trwał 50 ms, i to przy zastosowaniu 1024-krotnego uśredniania.

Jarosław Doliński, EP
Meratronik

www.meratronik.pl