Analizatory wektorowe - narzędzia ułatwiające analizę złożonych sygnałów

W wyniku obecności wielu różnych sygnałów w widmie częstotliwości powstają interferencje, z którymi muszą radzić sobie użytkownicy i operatorzy urządzeń radiokomunikacyjnych. Jest to dla nich często nowa sytuacja, z którą nie mieli do czynienia wcześniej. Niestety, okazuje się, że stosowana do tej pory aparatura pomiarowa nie zawsze zdaje egzamin w nowych okolicznościach i trzeba sięgać po urządzenia nowocześniejsze.

Nie oznacza to jednak eliminacji klasycznych przyrządów pomiarowych, takich jak oscyloskop czy analizator widma, natomiast ich użytkownicy będą musieli stosować nowe, unowocześnione techniki pomiarowe. Przykładem urządzenia nowej generacji, umożliwiającym bardzo dogłębną analizę sygnałów występujących w urządzeniach mikrofalowych, jest analizator FFT (lub VSA - Vector Signal Analyzer).

Przyrząd ten umożliwia wszechstronną analizę sygnałów i jest wykorzystywany do prowadzenia pomiarów w różnych dziedzinach. Przykładowo, są to pomiary:

• mocy w funkcji częstotliwości (pomiar w dziedzinie częstotliwości, zwykle zwany pomiarem widma),
• mocy w funkcji czasu (pomiar w dziedzinie czasu),
• częstotliwości w funkcji czasu (pomiar w dziedzinie czasu),
• fazy w funkcji czasu (pomiar w dziedzinie czasu),
• częstotliwości i mocy w funkcji czasu (pomiar w dziedzinie czasu).

Klasyczny analizator widma a analizator wektorowy

Rys. 1. a) Wynik pomiaru analizatorem widma - pojedyncze przemiecenie częstotliwości od f₁ do f₂ w czasie t, b) analizator FFT (VSA) - wielokrotna akwizycja sygnału w zadanym czasie i zakresie częstotliwości

Klasyczny analizator widma wykorzystuje wewnętrzny oscylator do generowania częstotliwości pomiarowej, która jest przemiatana w zakresie od f₁ do f₂. Analizator VSA mierzy sygnał z ustaloną częstotliwością centralną dla przyjętego zakresu częstotliwości, ale specyfika tego pomiaru nie polega wyłącznie na analizowaniu sygnału w dziedzinie czasu, lecz na pozyskiwaniu trójwymiarowej informacji zarówno w dziedzinie czasu, jak i częstotliwości.

Różnicę pracy pomiędzy analizatorem widma przemiatającym częstotliwości i analizatorem VSA przedstawiono na rysunku 1. Przedstawione pomiary dotyczą tego samego sygnału. Czas jednego cyklu próbkowania i wyznaczania widma w analizatorach FFT jest bardzo krótki, możemy więc mówić, że pracują one w czasie rzeczywistym.

Operacja akwizycji przebiega praktycznie bez utraty danych o widmie. Nie oznacza to oczywiście, że nie występują żadne ograniczenia pracy tych przyrządów. Czas próbkowania nie może być nieskończony, szerokość mierzonego widma jest również ograniczona. Obecnie analizatory VSA analizują sygnały w paśmie powyżej 100 MHz.

Dziedziny analizowanych sygnałów

Rys. 2. Graficzna wizualizacja zmian częstotliwości i mocy w funkcji czasu

Szybkość pracy i moc obliczeniowa analizatorów VSA pozwala na prowadzenie analizy zachowywania się sygnałów rzeczywistych. W czasie rzeczywistym obserwowane mogą być zmiany mocy, częstotliwości i fazy sygnału badanego. Dzięki metodom zastosowanym w analizatorach VSA stało się możliwe przedstawianie zmian widma sygnału w czasie (moc w funkcji częstotliwości i w funkcji czasu). Analizatory VSA przedstawiają więc w postaci graficznej parametry, których klasyczne analizatory widma nie były w stanie zmierzyć. Są to:

• zmiany częstotliwości w czasie,
• zmiany fazy w czasie,
• zmiany częstotliwości i mocy w czasie pokazywane na jednym wykresie (spektrogramie) - rysunek 2.

Zwróćmy uwagę na to, że spektrogram uzyskiwany na podstawie analizy FFT nie jest tym samym wykresem, który jest dostępny w niektórych analizatorach widma, a nazywany także "spektrogramem". Wykresy takie powstają przez nakładanie w dwóch wymiarach graficznej interpretacji wyników uzyskiwanych w każdym cyklu przemiatania częstotliwości.

Należy jednak podkreślić, że mimo pewnych niedoskonałości takich wykresów, użytkownicy analizatorów klasycznych często wykorzystują je na przykład do wykrywania interferencji sygnałów. Na rysunku 3 przedstawiono zasadę tworzenia wykresu w analizatorze VSA na przykładzie złożonego sygnału pochodzącego z sieci WLAN (802.11b). Jak widać, przebieg może być analizowany zarówno w dziedzinie częstotliwości, jak i w dziedzinie czasu, przy czym poziom sygnału jest odczytywany bezpośrednio z wykresu, a nie na podstawie kolorowych kodów spektrogramu.

Analiza wideo Post-processing

Rys. 3. Jednoczesna analiza sygnału sieci WLAN (802.11b) w dziedzinie czasu i częstotliwości analizatorem VSA

Cykl akwizycji sygnału spróbkowanego przez analizatory VSA kończy się zapisaniem danych na dysku. Możliwa jest zatem dokładna analiza wyników dokonywana po zakończeniu pomiarów z wykorzystaniem wszystkich funkcji analitycznych. Do badania zachowywania się sygnału w czasie pomiarów przewidziano kilka rodzajów zobrazowania danych:

• wyświetlanie widma sygnału w funkcji częstotliwości (moc w funkcji częstotliwości),
• wyświetlanie mocy w funkcji czasu,
• wyświetlanie częstotliwości w funkcji czasu,
• wyświetlanie fazy w funkcji czasu,
• wyświetlanie spektrogramu.

Funkcja realizująca powyższe zadanie nosi nazwę Replay i może być stosowana przy braku sygnału na wejściu analizatora. Ma ona identyczne parametry, jak funkcja zapisująca dane na dysku w formacie XML. Są to.:

• poziom referencyjny analizatora, tłumik, rozdzielczość,
• częstotliwość środkowa, zakres częstotliwości widma,
• czas trwania akwizycji sygnału w analizatorze VSA,
• częstotliwość próbkowania.

Każdy z powyższych parametrów jest ustalany automatycznie i nie może być modyfikowany. Ramka sygnału pozostaje widoczna na ekranie do momentu pozyskania nowej, jednak analiza przebiega w sposób identyczny, jak w przypadku pomiaru online.

Generatory arbitralne

Rys. 4. Nowoczesny przyrząd stanowiący połączenie analizatora widma, analizatora VSA, urządzenia próbkującego (VSA) i generatora arbitralnego

Na tym nie kończą się możliwości nowoczesnych analizatorów. Przykładowo, przyrządy Anritsu, takie jak rodzina analizatorów MS269xA czy analizatory VSA rodziny MS2830A, mogą być opcjonalnie wyposażane w szerokopasmowy generator arbitralny pracujący w paśmie do 120 MHz. Mimo że analizator i generator są zawarte w jednej obudowie, są to dwa całkowicie niezależne od siebie przyrządy pomiarowe (rys. 4).

Jedną z podstawowych korzyści takiego rozwiązania jest możliwość generowania przebiegów zmierzonych wcześniej (spróbkowanych) analizatorem VSA. Przebiegi takie mogą być później "odtwarzane" z ustawioną przez użytkownika częstotliwością nośną, która jednak nie powinna być wyższa niż 6 GHz. Generowany sygnał zachowuje przy tym wszystkie cechy sygnału oryginalnego.

Opisywane przyrządy umożliwiają wykonywanie kompleksowych badań urządzeń, takich jak: wzmacniacze mocy (pracujące tylko z falą nośną lub z przebiegiem zmodulowanym) oraz nadajniki i odbiorniki (rys. 5).

Wnioski

Rys. 5. Testowanie wzmacniaczy mocy i nadajników/odbiorników z wykorzystaniem przyrządów łączących funkcję analizatorów i generatora

W artykule przedstawiono możliwości nowoczesnych przyrządów wykorzystywanych do prowadzenia analizy złożonych sygnałów spotykanych we współczesnych urządzeniach radiokomunikacyjnych. Umiejętne wykorzystanie takiej aparatury pomiarowej wymaga od użytkowników poznania nowych metod pomiarowych i zdobycia pewnego doświadczenia.

Przeznaczony na to czas zwraca się jednak przy pomiarach złożonych sygnałów tworzonych w wyniku stosowania skomplikowanych modulacji. Praca z takimi sygnałami jest bardziej wydajna. Klasyczne analizatory widma pozostają jednak nadal w użyciu w wielu ośrodkach badawczo-rozwojowych, na liniach produkcyjnych, a nawet w warunkach polowych.

Natomiast zwiększająca się systematycznie szybkość próbkowania analizatorów VSA i możliwość realizacji nowych funkcji pomiarowych korzystnie wpływa na coraz bardziej powszechniejsze ich stosowanie w wielu przypadkach, przede wszystkim tam, gdzie niezbędna staje się analiza post-processing. Panuje też opinia, że analizatory widma i analizatory FFT (VSA) wzajemnie się uzupełniają i razem stanowią idealny zestaw przyrządów wykorzystywanych do badania zachowywania się sygnałów nowoczesnych urządzeń radiokomunikacyjnych.

Jarosław Doliński, EP
Meratronik
www.meratronik.pl

Artykuł opracowano na podstawie materiałów Anritsu.