Pomiary widma klasycznymi analizatorami i analizatorami z cyfrową p.cz. cz. 1

Rys. 1. 3-wymiarowy model złożonego sygnału w.cz.

Pomiary sygnałów o częstotliwościach radiowych (w.cz., RF) wymagają stosowania skomplikowanych przyrządów, skonstruowanych specjalnie do tego celu. Z uwagi na zasadę pomiaru niezbyt przydatne są do tego oscyloskopy, nawet wysokiej klasy. Do pomiarów sygnałów radiowych należy więc stosować analizatory widma i wektorowe analizatory sygnałów. Złożoność ich budowy wymaga nie małej wiedzy od użytkowników, dotyczącej zresztą nie tylko samej obsługi aparatury, ale też zagadnień teoretycznych związanych z metodą wykonywanych pomiarów.

Porównując stopień skomplikowania urządzeń użytkowych i aparatury pomiarowej można zadawać sobie pytanie, co jest elementem napędzającym rozwój technologii. Z jednej strony, bez odpowiedniej aparatury pomiarowej nie byłoby możliwe konstruowanie urządzeń użytkowych, z drugiej jednak strony, koncepcja nowych rozwiązań wymusza konieczność opracowywania nowych przyrządów pomiarowych. Trudno stwierdzić, co jest skutkiem, a co przyczyną, trochę jak z jajkiem i kurą.

W nowoczesnych analizatorach stosowana jest niemal wyłącznie technika cyfrowej obróbki sygnału. Przyrządy te doskonale sprawdzają się w pomiarach urządzeń z modulacjami cyfrowymi, są niezastąpione przy badaniu sygnałów z nieregularnym widmem.

Pomiary w dziedzinie czasu i w dziedzinie częstotliwości

Rys. 2. Porównanie badania sygnału w.cz. analizatorem widma i oscyloskopem: a) sygnał bez modulacji, b) sygnał zmodulowany

Każdy sygnał zmienny może być analizowany w dziedzinie czasu albo w dziedzinie częstotliwości. Do pomiarów sygnałów m.cz. stosowane są oscyloskopy, które w swoim podstawowym trybie pracują w dziedzinie czasu. Ich ograniczone pasmo analogowe jest jednym z czynników, decydujących o tym, że przyrządy te nie nadają się do badania sygnałów w.cz. (o częstotliwościach radiowych). W takich przypadkach należy sięgać po analizatory widma, które z kolei dokonują pomiarów w dziedzinie częstotliwości. Z matematycznego punktu widzenia obie metody są w zasadzie wymienne, jednak pomiary realizuje się z zastosowaniem odmiennych rozwiązań układowych.

Złożony sygnał zmienny może być przedstawiony w 3-wymiarowym modelu, na przykład tak, jak na rysunku 1. Oscyloskop widzi ten sygnał 2-wymiarowo od strony czasu (zielona strzałka), analizator widma zaś od strony częstotliwości (niebieska strzałka). Przebieg analizowany w dziedzinie czasu pokazuje zmiany poziomu sygnału (mocy) w czasie, natomiast analiza w dziedzinie częstotliwości ukazuje rozkład składowych częstotliwościowych widma. Z rysunku 1 wynika, że niektóre informacje o sygnale, w zależności od punktu widzenia mogą być przesłaniane i zaciemniane.

Rys. 3. Graficzna interpretacja zasady działania klasycznego analizatora widma

Cechy sygnału można określać na podstawie informacji zawartych w jego wykresie czasowym lub w widmie. Niektóre informacje są bardziej czytelne z zależności czasowych inne natomiast z widma. W praktyce często dokonuje się zamiany dziedziny czasu na dziedzinę częstotliwości za pomocą przekształcenia Fouriera, stosowane jest również przekształcenie odwrotne przy przechodzeniu z dziedziny częstotliwości na dziedzinę czasu.

Sygnały radiowe są to sygnały zmodulowane, których widmo zawiera wiele składowych częstotliwościowych. Ich analiza w dziedzinie częstotliwości jest więc bardziej naturalna i dostarcza więcej czytelnych informacji o sygnale. Na rysunku 2 przedstawiono porównanie analizy dwóch przebiegów w.cz. przeprowadzonej oscyloskopem i analizatorem widma. Oba sygnały mają częstotliwość 1 GHz, przy czym sygnał z rysunku 2a nie jest modulowany, a sygnał z rysunku 2b jest modulowany przebiegiem sinusoidalnym o częstotliwości 1 kHz. Na podstawie przebiegów oglądanych na oscyloskopie nie można stwierdzić praktycznie żadnych różnic między obydwoma sygnałami, różnice są natomiast doskonale widoczne przy zastosowaniu analizatora widma.

Zależności czasowe w widmie

Rys. 4. Graficzna interpretacja zasady działania cyfrowego analizatora widma

Badając sygnały w.cz. klasycznym analizatorem widma możemy natknąć się na przypadek, w którym pomiar nie będzie w pełni wiarygodny. Dobrym przykładem jest analiza sygnału, którego widmo zmienia się dość szybko w czasie.

Zasada działania klasycznego analizatora widma polega na przemiataniu określonego zakresu częstotliwości z ustalonym krokiem i badaniu poziomu sygnału (mocy) dla kolejno wybieranych częstotliwości. Model działania takiego analizatora przedstawiono na rysunku 3. Graficzną interpretacją pomiaru jest płaszczyzna ustawiona pod pewnym kątem w stosunku do osi czasu. Na niej znajdują się wyniki skanowania częstotliwości.

Klasyczny analizator widma będzie więc mierzył poprawnie przy założeniu, że w czasie jednego cyklu przemiatania widmo sygnału nie ulegnie zmianie. Co jednak będzie, jeśli szybkość zmian widma okaże się większa niż szybkość przemiatania? Taki przypadek przedstawiono na rysunku 3. Mimo, że w 3-wymiarowym widoku widma wyraźne widoczne są dwie składowe f1, i f2, to jednak analizator pokaże tylko jedną z nich. Będzie to f1, gdyż składowa o tej częstotliwości występowała w sygnale w chwili (t1), w której analizator mierzył tę częstotliwość. W chwili (t2) pomiaru częstotliwości f2 składowa taka w sygnale już nie występuje, więc nie może być wyświetlona.

Analizatory widma z przemiataniem (klasyczne) stanowią bardzo liczną grupę urządzeń wykorzystywanych do pomiarów sygnałów radiowych, jednak jak widać z powyższego przykładu, zupełnie nie nadają się do pomiarów nowoczesnych urządzeń, w których widmo zmienia się bardzo dynamicznie i szybko. Odpowiednim przyrządem będzie dla nich cyfrowy analizator p.cz. (digital IF signal analyzer) mierzący widmo nieregularne. Jego dodatkową zaletą jest możliwość wykonywania pomiarów poziomu sygnału w dziedzinie częstotliwości, a także zmian widma w czasie. Ten ostatni pomiar jest przedstawiany w postaci spektrogramu. Zasadę działania analizatora cyfrowego przedstawiono na rysunku 4.

Artykuł opracowano na podstawie materiałów Anritsu.

Jarosław Doliński, EP
Meratronik
www.meratronik.pl