Oscyloskopy

Współczesny oscyloskop wysokiej klasy wyróżnia bardzo szerokim pasmem przenoszenia toru Y (od 10-15GHz do nawet 80-100GHz), nawet 4 kanałami pomiarowymi i dużą szybkością próbkowania, wynoszącą na przykład 20 do 50GS/s. Do tego dochodzą inne cechy funkcjonalne, takie jak duża ilość pamięci pozwalająca zapamiętywać sygnał przez długi czas (kilkadziesiąt megasampli), duża rozdzielczość przetworników analogowo-cyfrowych, co zwiększa precyzję odwzorowania przebiegów nieokresowych i impulsowych, bogaty zestaw funkcji pomiarowych, matematycznych (FFT) oraz pokaźne wyposażenie w sondy pomiarowe, akcesoria, interfejsy itp.

Możliwości pomiarowe oscyloskopów uzupełniają różne tryby wyzwalania, w tym takie, które powiązane są z konkretnymi zdarzeniami zachodzącymi w sygnałach zmodulowanych oraz wyrafinowane możliwości analizy sygnału związane z akwizycją, jak np. wykrywanie anomalii, wykrywanie wartości szczytowej i podobne.

Standardem nowoczesnego oscyloskopu jest również duży, nawet 10-calowy kolorowy wyświetlacz o dużej rozdzielczości, na którym są prezentowane oprócz przebiegów również aktualne nastawy, progi wyzwalania i charakterystyczne wartości sygnałów. W coraz większej grupie tych przyrządów wprowadzane jest zobrazowanie przypominające to, jakie daje klasyczny luminofor analogowy w lampie próżniowej.

Producenci ścigają się również, jeżeli chodzi o minimalizację czasu martwego oscyloskopu. Parametr ten określa przez jaką część cyklu pomiarowego oscyloskop przetwarza zebrane w pamięci dane tworząc obraz na wyświetlaczu – podobnie, jak oscyloskop analogowy przesuwa wygaszoną plamkę z prawej strony ekranu na lewą. Im czas jest krótszy tym mniejsze prawdopodobieństwo, że oscyloskop pominie przy akwizycji jakąś losową anomalię sygnału. Dlatego krótki czas martwy lub, równoważny pojęciowo, długi czas akwizycji sygnału zajmuje ważne miejsce na liście podstawowych parametrów oscyloskopów.

Dobrej klasy oscyloskop to przyrząd drogi i jego zakup dla firmy jest niejednokrotnie dużym wyzwaniem. Markowy przyrząd cyfrowy z górnej półki potrafi kosztować od 15 tys. dolarów w górę – aż do nawet 100 tysięcy dolarów! Dla kontrastu można dodać, że można też kupić oscyloskop analogowy 1-kanałowy z pasmem 20MHz dla serwisu w cenie ok. 600-700zł, co doskonale obrazuje różnorodność dostępnej na rynku aparatury.

Analizatory widma

Analizator widma jest obok oscyloskopu drugim najważniejszym przyrządem w laboratorium, a w przypadku badań urządzeń radiokomunikacyjnych i sygnałów o wysokich, gigahercowych częstotliwościach z pewnością jest to urządzenie najważniejsze. W tych zastosowaniach występują sygnały o bardzo złożonej strukturze: zmodulowane, złożone z kilku przebiegów, o bardzo wysokich częstotliwościach, a więc takie, których obserwacja na oscyloskopie nie tylko jest bardzo trudna z uwagi na problemy z wyzwalaniem i stabilnym zobrazowaniem, ale również mało przydatna od strony technicznej.

Zobrazowanie sygnału w dziedzinie częstotliwości pozwala niezwykle skuteczne wykrywać złą pracę urządzeń w.cz., a więc nieliniowość wzmocnienia, niedostateczny zakres dynamiczny, złą pracę filtrów, mieszaczy i wszystkich innych elementów wchodzących w skład urządzeń radiokomunikacyjnych.

Analizatory widma używane są również do badań kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń w zakresie emisji - pozwalają one precyzyjne wyznaczyć moc i częstotliwość generowanych zaburzeń, co pozwala na skuteczne przeciwdziałanie za pomocą filtrów, ekranów, czy też innych zmian konstrukcyjnych.

Podobnie jak nowoczesne oscyloskopy, także analizatory widma pod względem konstrukcyjnym są oparte na cyfrowym przetwarzaniu sygnału i złożonym oprogramowaniu zapewniającym możliwość przeprowadzenia analizy złożonych sygnałów cyfrowych, realizację pomiarów automatycznych i obsługę gotowych profili pomiarowych uwalniających od każdorazowego ustawiania.

Wydajne oprogramowanie jest szczególnie istotne w przypadku badań sieci bezprzewodowych i telewizji cyfrowej, gdzie obserwacja złożonego sygnału nie daje w tym przypadku wielu użytecznych informacji szczególnie, gdy standard sieci bezprzewodowej wykorzystuje technikę rozpraszania widma. Cyfrowe przetwarzanie sygnału rozpoczyna się natychmiast po przemianie częstotliwości w wejściowym mieszaczu. Cała dalsza obróbka i wizualizacja realizowana jest za pomocą oprogramowania i układów DSP.

Istotne parametry analizatorów dotyczą zakresu częstotliwości pracy, a więc innymi słowy zakresu obserwacji, szybkości przemiatania, od której zależy możliwość zauważenia przez przyrząd krótkotrwałych sygnałów zakłócających oraz  zakresu amplitud wizualizowanych sygnałów pomiarowych, od bardzo słabych na poziomie szumów do sygnałów dużej mocy generowanych np. przez nadajnik w.cz. telefonu komórkowego.

Ważnym elementem analizatora jest filtr rozdzielczy (RBW), który ustala szerokość okna pomiarowego przyrządu. Pasmo tego filtru determinuje precyzję analizy widma i szybkość przemiatania, dlatego zawsze istnieje możliwość regulacji płynnej lub skokowej.

Oprócz złożonych analizatorów ukierunkowanych na nowoczesną telekomunikację, na rynku dostępne są przyrządy o mniejszych możliwościach pomiarowych w zakresie analizy standardów telekomunikacyjnych, przeznaczonych do zastosowań w radiokomunikacji, serwisie itp. Dostępne są także analizatory w formie modułów i kart komputerowych do automatycznych systemów pomiarowych.

Jarosław Kwiatkowski, Rodhe & Schwarz Analizatory widma, mówiąc trywialnie, pozwalają zobaczyć to, czego nie widać na oscyloskopie. O ile oscyloskop pokazuje, jak zmienia się sygnał w dziedzinie czasu, analizator pokazuje ten sam sygnał w dziedzinie częstotliwości. Jeżeli przebieg sinusoidalny odkształcimy przez dodanie zakłócenia o nieznacznie różniącej się częstotliwości i 100-krotnie mniejszej amplitudzie, na oscyloskopie nie można zauważyć jakiejkolwiek różnicy, natomiast wykorzystując analizator widma, jest ona zauważalna natychmiast. Jaka jest rola analizatorów widma we współczesnej technice pomiarowej? Są one obecnie podstawowymi przyrządami pomiarowymi we wszystkich obszarach techniki, w których wykorzystuje się sygnały o częstotliwościach powyżej 1 GHz. Z perspektywy historycznej widać wyraźnie przesunięcie dominującego obszaru zastosowań z radiolokacji wojskowej w kierunku telekomunikacji mobilnej. Nie byłoby to możliwe bez ewolucji grupy przyrządów, jakimi są analizatory widma, co wymuszone było rosnącym stopniem złożoności analizowanych sygnałów. Kamieniem milowym w rozwoju analizatorów widma była ich „cyfryzacja”, czyli zastosowanie przetwornika A/D w torze pośredniej częstotliwości. Współczesny analizator widma jest właściwie uniwersalnym cyfrowym analizatorem sygnałów, którego funkcjonalność determinuje oprogramowanie, a zobrazowanie sygnału w dziedzinie częstotliwości jest tylko jednym z rodzajów pracy – obecnie coraz częściej chcemy oglądać przebiegi sygnałów m.in. w dziedzinie modulacji. Nowoczesny analizator widma pozwala na wizualizację poziomu sygnału UMTS w poszczególnych kanałach kodowych lub konstelację wektorowej modulacji sygnału GSM-Edge. Inne przykładowe rozszerzenia pomiarowe analizatorów widma to: WLAN, WiMAX, WiBRO, CDMA2000, 1xEV-DV/DO, Bluetooth, Noise Figure oraz Phase Noise. Jakich zmian w technologii analizatorów widma można spodziewać się w przyszłości? Do zmian należała będzie dalsza poprawa parametrów tych urządzeń, redukcja ich wymiarów oraz implementacja nowych funkcji pomiarowych. Jeśli mówimy o parametrach, współczesne analizatory wiodących producentów pozwalają na obserwację sygnałów na poziomie bliskim fizycznej granicy wyznaczanej przez poziom szumu termicznego. Przedmiotem dzisiejszej walki jest więc nie czułość, ale maksymalną szerokość pasma demodulacji analizowanych sygnałów, szybkość analizy i dokładność amplitudowa. Wydaje się, że nieuchronnie zbliża się również starcie z oscyloskopami, z których większość ma funkcję FFT pozwalającą na zobrazowanie widma. Pasmo pomiarowe oscyloskopów już dawno przekroczyło granicę 1GHz, a przyrządy te różnią się od analizatorów widma jedynie brakiem przemiany częstotliwości.