Analizator widma Rigol DSA815

Rysunek 1. Pomiary widma z użyciem markerów

Powszechnie stosowana przez producentów sprzętu elektronicznego strategia marketingowa polega na wprowadzaniu do sprzedaży zwykle kilka modeli danego urządzenia jednocześnie. Dzięki temu zainteresowanie wyrobem jest kierowane do klientów o zróżnicowanych wymaganiach i możliwościach finansowych.

Bardzo często w niewielkich odstępach czasu pojawiają się również nowe typy urządzeń, w których istotne stają się już nie tylko parametry techniczne, ale też funkcjonalne. Działanie takie obserwujemy m.in. u Rigola. Firma ta w niedługim czasie rozszerzyła swoją ofertę do 9 modeli analizatorów widma. Aktualnie dostępne są trzy rodziny analizatorów.

W artykule jest opisany najprostszy model - DSA815, przeznaczony do pomiarów w pasmie od 9 kHz do 1,5 GHz. Analizator może więc być wykorzystywany do badania radioodbiorników UKF, sprzętu krótkofalarskiego i modelarskiego, popularnych torów radiowych, urządzeń wykorzystujących niższe częstotliwości pasma ISM, GSM400...GSM900 itp. Jak widać pasmo przyrządu jest zbyt małe do pomiarów sieci Wifi i urządzeń Bluetooth.

Charakterystyka analizatora

Tabela 1. Najważniejsze parametry techniczne analizatora DSA815

Analizator DSA815 został zaprojektowany zgodnie z przyjętymi dla tego typu urządzeń standardami. Nikt ich jednak nie ustanawia, są one nieformalne. Jeśli przyjrzeć się oscyloskopom cyfrowym, to okazuje się, że rozmieszczenie elementów regulacyjnych jest bardzo podobne u większości producentów. Nawet oprogramowanie oscyloskopów nie różni się zasadniczo.

Wyrób można często rozpoznać jedynie na podstawie logo wyświetlanego na ekranie. Nie powinno to jednak dziwić, przecież podobnie jest z samochodami, komputerami, telewizorami itp. Nie wszystkie pomysły udaje się zabezpieczyć patentami, część z nich jest więc chętnie kopiowana od konkurencji.

Projektując analizatory widma serii DSA konstruktorzy Rigola zastosowali sprawdzone pomysły innych producentów. Panel użytkownika zwiera typowe elementy. Znaczną jego część zajmuje 8-calowy wyświetlacz z matrycą 800×480 punktów. Miejsce obok niego zajmują przyciski, pokrętło nawigacyjne i klawiatura numeryczna.

Wzdłuż prawej krawędzi ekranu są rozłożone przyciski funkcyjne obsługujące menu ekranowe. W analizatorze wyróżniono 3 przyciski obsługujące najczęściej zmieniane nastawy. Są to: FREQ (parametry związane z częstotliwościami pomiarowymi), SPAN (parametry przemiatania) i AMPT (parametry związane z czułością, tłumieniem i poziomami referencyjnymi).

Do wprowadzanie precyzyjnych wartości liczbowych przewidziano klawiaturę numeryczną oraz pokrętło nawigacyjne wraz z przyciskami zwiększania i zmniejszania wartości. Wzdłuż lewej krawędzi ekranu umieszczono pasek statusowy. Znajdują się na nim podświetlane ikonki symbolizujące aktywność wybranych opcji i stan przyrządu. Najważniejsze parametry techniczne analizatora DSA815 przedstawiono w tabeli 1.

Metodyka pomiarów

Rysunek 2. Pomiary porównawcze z użyciem markerów referencyjnych

Jednym z najważniejszych narzędzi pomiarowych każdego analizatora są markery ekranowe. Algorytm ich obsługi jest bardzo podobny u większości producentów. Przyrządy poszczególnych firm mogą się natomiast różnić liczbą obsługiwanych markerów. Użytkownik analizatora DSA815 ma ich do dyspozycji 4. Markery są widoczne jako małe punkciki z opisującą je cyfrą (rysunku 1) i zawsze przylegają do wykresu widma.

Można je przesuwać pokrętłem nawigacyjnym, albo precyzyjnie ustawiać wprowadzając częstotliwość na klawiaturze numerycznej. Z każdym markerem pomiarowym może być stowarzyszony marker referencyjny. Jeśli jest on aktywny, analizator dokonuje pomiaru różnicy częstotliwości i poziomu sygnału między markerem pomiarowym i referencyjnym.

Wykorzystując tę metodę dokonano porównania poziomów sygnału stacji radiowych Zetka i Trójka w Warszawie (rysunek 2). Parametry kursorów są podawane w opcjonalnie włączanej tabelce widocznej w dolnej części ekranu. Innym zastosowaniem markerów jest ustalanie zakresu wyświetlanego widma. Jest on wyznaczony ustawionymi wcześniej markerami Mkr -> Start i Mkr -> Stop.

Na płycie czołowej przyrządu wyróżniono blok "Control" zawierający cztery przyciski inicjujące opcje ustalające sposób tworzenia wykresu widma. Pierwszy z nich - BW/Det, umożliwia ustawienie parametrów filtru RBW (Resolution Bandwidth), a więc wpływa na rozdzielczość analizy widma kosztem czasu przemiatania.

W większości przypadków opcja automatycznego wyboru częstotliwości RBW daje dobre wartości, ale użytkownik może je zmieniać według własnego uznania. Na podobnej zasadzie działa filtr VBW (Video Bandwidth). Ważna grupa parametrów jest ukryta pod przyciskiem DetType, ustalającym metodę tworzenia wykresu widma. Metod takich jest kilka: PosPeak, NegPeak, Sample, Normal, RMS Avg, Voltage Avg.

Jak widać, wykres widma jest kreślony na podstawie pomiarów w jednym przebiegu lub poprzez uśrednianie kilku pomiarów. Parametr ten dobiera się na przykład w celu minimalizacji szumu na wynik pomiaru. Opcje uruchamiane przyciskiem Sweep/Trig ustalają z kolei parametry przemiatania częstotliwości, takie jak: czas przemiatania, tryb jednorazowy lub ciągły.

Rysunek 3. Test Pass/Fail a) wynik prawidłowy, b) widmo z przekroczeniem zadanych progów

Wybierany jest też tryb wyzwalania samobieżny lub sygnałem zewnętrznym. Przycisk Trace/P/F pozwala tworzyć do trzech wykresów wyświetlanych jednocześnie na ekranie. Dla każdego z nich może być zastosowana inna metoda kreślenia. Podstawowa - Clear Write powoduje, że każdy nowy przebieg zastępuje ten, który został wyświetlony wcześniej, a więc jest to najczęściej wykorzystywana metoda.

Opcje Max Hold i Min Hold zapamiętują wartości odpowiednio: maksymalne i minimalne z przebiegów wcześniejszych. Użytkownik uzyskuje tym samym informację o zakresie zmian poziomów sygnału dla poszczególnych częstotliwości widma. Dwie kolejne opcje: Video Avg i Power Avg uśredniają wyniki. Opcja Freze zamraża aktualny stan wyświetlacza i wstrzymuje jego odświeżanie.

Kolejne opcje są związane z dodatkowymi obliczeniami matematycznymi wykonywanymi dla każdego przebiegu przed jego wyświetleniem na ekranie. Można w ten sposób na przykład symulować działanie tłumika włączonego w tor pomiarowy, czemu będzie odpowiadało dodanie pewnej wartości stałej (ujemnej dla tłumika) do każdego punktu wyświetlanego na ekranie.

Ostatnią opcją przycisku Trace/P/F jest uruchomienie testu Pass/Fail wykorzystywanego do oceny czy dany wykres widma mieści się w zadanych ramach. Jest to metoda bardzo dobrze znana także użytkownikom oscyloskopów cyfrowych. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowe wyniki takiego testu.

Wyniki z rysunku 3a są poprawne, natomiast na rysunku 3b obserwujemy pojawienie się dodatkowych prążków, które znacznie przekraczają wyznaczone poziomy. Analizator DSA815 ma wbudowany demodulator AM/FM oraz przedwzmacniacz słuchawkowy. Jest on przydatny podczas lokalizowania stacji, której sygnał nadawczy ma być mierzony.

Zaawansowane funkcje pomiarowe

Rysunek 4. Pomiar mocy w kanale podstawowym i w kanałach sąsiednich

Opisane wyżej pomiary są dostępne w analizatorze bez zainstalowanych opcji dodatkowych. Przyrządem takim można wykonywać tylko podstawowe pomiary takie, jak opisane wyżej. W zastosowaniach profesjonalnych wykonuje się jednak pomiary wymagające specjalistycznych funkcji, uaktywnianych dopiero po wykupieniu i zainstalowaniu opcji.

Niektóre pomiary wymagają stosowania generatora śledzącego. Przed przystąpieniem do pracy należy zadbać o prawidłowe ustawienie warunków dla każdego rodzaju pomiaru. Szczególnie ważne jest zwracanie uwagi na poziomy sygnałów i w razie konieczności stosowanie odpowiednich tłumików. Zlekceważenie tych zaleceń może zakończyć się uszkodzeniem wejściowych obwodów pomiarowych.

VSWR. Pomiar napięciowego współczynnika fali stojącej. Wymagany jest specjalny mostek pomiarowy i generator śledzący.

T-Power. Pomiar mocy w funkcji czasu dla ustalonej częstotliwości nośnej. Analizator przechodzi w tryb Zero Span (pomiar w funkcji czasy dokonywany przez analizator widma) i mierzy jedną z wybranych mocy: szczytową, średnią lub RMS w zadanym przedziale czasowym.

ACP (Adjacent Channel Power). Pomiar mocy w kanale podstawowym i w kanałach sąsiednich (rysunek 4).

Channel Power. Pomiar mocy i gęstości mocy w kanale (rysunek 5).

OBW (Occupied Bandwidth). Pomiar zajętości pasma. Wynikiem pomiaru jest stosunek mocy w kanale mierzonym do mocy w zadanym zakresie przemiatania.

EBW (Emission Bandwidth). Pomiar pasma emisji. Pasmo to jest wyznaczone dwoma częstotliwościami, dla których poziom sygnału spada o zadaną wartość w stosunku do wartości maksymalnej (rysunek 6).

C/N Ratio. Pomiar odstępu sygnału od szumu.

Harmonic Distortion. Pomiar zawartości harmonicznych do 10. włącznie. Ze względu na możliwy bardzo mały poziom ostatniej harmonicznej bliski już szumom własnym, warunkiem pomiaru jest zapewnienie minimalnego poziomu sygnału (częstotliwości podstawowej), który nie powinien być niższy niż -50 dBm.

TOI (Third-Order Intercept). Pomiar zniekształceń intermodulacyjnych 3. rzędu (rysunek 7).

Analizator DSA815 a EMI

Rysunek 5. Pomiar mocy i gęstości mocy

Zakłócenia elektromagnetyczne to temat, który coraz częściej zaprząta głowy konstruktorów. Jest to problematyka trudna, i co tu ukrywać, nie lubiana. Konieczność wykonywania drogich badań dotyczących emisji i odporności na zakłócenia elektromagnetyczne większości urządzeń elektronicznych sprawiła, że znacznie wzrosło zainteresowanie wszelkiego rodzaju analizatorami widma.

Oczywiście badanie końcowe musi być wykonane aparaturą najwyższej klasy, ale samodzielne przeprowadzenie choćby wstępnych pomiarów dużo tańszymi przyrządami może w ogólnym rozrachunku dać wymierne oszczędności. Taka praktyka staje się coraz bardziej powszechna ze względu na znaczny udział kosztów związanych z badaniami w akredytowanych laboratoriach w ogólnych kosztach wprowadzenia wyrobu do produkcji i sprzedaży.

Sam analizator jednak nie wystarczy. Potrzebne jest do tego odpowiednie stanowisko pomiarowe i dodatkowe oprzyrządowanie. O stanowisko pomiarowe musi zadbać sam użytkownik, natomiast opcje rozszerzające związane z pomiarami EMI, takie jak detektor quasi-peak i generator śledzący oferuje Rigol.

Akcesoria

Rysunek 6. Pomiar pasma emisji

Do analizatorów rodziny DSA815 oferowane jest dodatkowe oprzyrządowanie. Jest to:

• DSA Utility Kit, czyli zestaw kabli, adapterów i anten.
• Zestaw do pomiaru VSWR. Opcja umożliwiająca dokonywanie pomiarów w oparciu o parametr S11 (tłumienie odbiciowe, współczynnik odbicia, napięciowy współczynnik fali stojącej)
• Tłumik 40 dB.
• Zestaw zaawansowanych funkcji pomiarowych. Opcjonalne oprogramowanie analizatora DSA815 z funkcjami obliczającymi najczęściej spotykane w pomiarach RF parametry. Bez tej opcji jednak dość trudno wyobrazić sobie sens stosowania analizatora widma.
• Konwerter USB-GPIB. Urządzenie przydatne na zautomatyzowanych stanowiskach pomiarowych wykorzystujących powszechnie stosowany w takich przypadkach interfejs GPIB.
• TX1000 - zestaw demonstracyjny z wbudowanym generatorem 1 GHz, mikserem, filtrem i wzmacniaczem, emitujący sygnał testowy RF.
• DSA800-EMI - filtr EMI i filtr Quasi-Peak (200 Hz, 9 kHz, 120 kHz, pasmo -6 dB).

Podsumowanie

Rysunek 7. Pomiar zniekształceń intermodulacyjnych

Wysokie ceny analizatorów widma wynikają m.in. z konieczności stosowania szerokopasmowych układów wejściowych. Oprócz wymagań czysto elektronicznych, niezwykle istotne są także odpowiednie rozwiązania konstrukcyjne, mechaniczne. Ale tu nikt sprawdzonych rozwiązań nie sprzedaje, do wszystkiego trzeba dojść samodzielnie, najczęściej metodą prób i błędów.

Tym bardziej należy się uznanie dla Rigola, że w pewnym momencie zaryzykował podjęcie tej tematyki, a wyniki prac możemy już ocenić na podstawie prób z gotowymi wyrobami. Analizator DSA815 jest jednym z prostszych przyrządów tej klasy. Pasmo do 1,5 GHz ogranicza zakres jego zastosowań, jednak modele takie znajdują się w ofertach wszystkich liczących się na świecie producentów.

Zapotrzebowanie na analizatory o tych parametrach jest więc wystarczająco duże, aby podejmować produkcję. Zaletą DSA815 w porównaniu z podobnymi przyrządami innych marek jest dużo niższa cena, z czego bynajmniej nie wynika adekwatnie niższa jakość przyrządu. Pewne mankamenty ujawniają się w opcjach pomiarowych.

Brakuje na przykład charakterystycznego dla wyrobów markowych wykresu spektroskopowego wykorzystywanego do badania zmian widma w długim czasie. Jak zwykle u Rigola na pochwałę zasługuje staranność wykończenia mechanicznego i ogólnie design przyrządu.

W tańszych oscyloskopach tej firmy mankamentem były dość słabe wyświetlacze, jednak w najnowszych przyrządach, m.in. w DSA815, mamy już doskonały, duży ekran o przekątnej 203 mm. Do zalet należy również dodać małe szumy układów wejściowych i dużą rozdzielczość pomiarową (RBW_min=100 Hz).

Jarosław Doliński
NDN-Zbigniew Daniluk
www.ndn.com.pl