Analizatory wektorowe - narzędzia ułatwiające analizę złożonych sygnałów

Sygnały elektryczne, z jakimi mamy do czynienia we współczesnych urządzeniach radiokomunikacyjnych, odznaczają się bardzo złożoną budową wynikającą ze stosowania nowych rodzajów modulacji lub rozwijania i udoskonalania metod wykorzystywanych wcześniej. Coraz częściej z takimi sygnałami spotykamy się nie tylko w najbardziej zaawansowanym technicznie sprzęcie wojskowym, ale nawet w urządzeniach telefonii komórkowej i innych środkach łączności.

Posłuchaj
00:00

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.

Powiązane treści
Rozwój branży przenośnej aparatury pomiarowej
Zobacz więcej w kategorii: Prezentacje firmowe
Produkcja elektroniki
Montaż powierzchniowy – nowoczesna elektronika na zamówienie
PCB
Poradnik projektanta PCB - stosy warstw obwodów drukowanych
Pomiary
Voltcraft przedstawia nową serię multimetrów VC-900
PCB
Od pomysłu do produktu w kilka dni: siła szybkiego prototypowania PCB
Produkcja elektroniki
Zaawansowane maszyny i osprzęt do seryjnej produkcji wiązek
Komponenty
Nowoczesne rozwiązania kablowe, konfekcjonowane przewody readycable i systemy readychain oferowane przez firmę igus
Zobacz więcej z tagiem: Artykuły
Magazyn
Wrzesień 2025
Magazyn
Sierpień 2025
Magazyn
Lipiec 2025

Najczęstsze błędy przy projektowaniu elektroniki i jak ich uniknąć

W elektronice „tanio” bardzo często znaczy „drogo” – szczególnie wtedy, gdy oszczędza się na staranności projektu. Brak precyzyjnych wymagań, komponent wycofany z produkcji czy źle poprowadzona masa mogą sprawić, że cały produkt utknie na etapie montażu SMT/THT albo testów funkcjonalnych. Konsekwencje są zawsze te same: opóźnienia i dodatkowe koszty. Dlatego warto znać najczęstsze błędy, które pojawiają się w projektach elektroniki – i wiedzieć, jak im zapobiegać.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów