Ассортимент анализаторов спектра и сигналов от компании Rohde & Schwarz

Как следует из названия, анализатор спектра обнаруживает сигналы, присутствующие в выбранном диапазоне спектра. Основной функцией является графическое представление сигналов как зависимости амплитуды (или уровня мощности) по оси y от частоты по оси x; амплитуды обнаруженных сигналов отображаются в частотной области. Анализатор ВЧ-спектра охватывает радиочастоты и СВЧ-частоты. Максимально доступный диапазон частот с преселекцией в настоящее время составляет от 2 герц до 85 ГГц; более высокие частоты достижимы при использовании внешних смесителей. Обычно для частот по оси x используется линейная шкала, а для амплитуды по оси y используется логарифмическая шкала или шкала в децибелах (которая также является логарифмической), что позволяет одновременно видеть сигналы с сильно различающейся амплитудой. Анализаторы спектра широко используются в ВЧ-испытаниях не только для отображения свойств полезных сигналов, например того, занимает ли сигнал назначенную полосу пропускания, но и для поиска нежелательных сигналов.

В области ВЧ-испытаний вряд ли остались простые анализаторы спектра, позволяющие определять уровень полезных и нежелательных сигналов путем отображения спектральных составляющих в частотном диапазоне. Природа многих современных импульсных сигналов, а также необходимость обнаружения и исследования переходных сигналов означают невозможность надежного обнаружения всех сигналов, периодически возникающих как переходные процессы, или измерения фазы сигнала с помощью классического анализатора спектра, использующего такой же принцип супергетеродина, как в радиоприемниках. Поскольку интересующий диапазон частот (полоса обзора) превышает возможности анализатора спектра по одновременной обработке данных, сканирование (развертка) полосы обзора выполняется от низких частот к высоким. Если переходный сигнал отсутствует в момент сканирования соответствующей частоты, он не будет обнаружен.

Цифровая обработка с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) из временной области в частотную значительно расширяет возможности анализатора спектра на основе супергетеродина с точки зрения как обнаружения, так и анализа сигналов. БПФ обеспечивает гораздо более быстрый захват и анализ полосы обзора: параллельное применение БПФ расширяет мгновенную полосу пропускания, что позволяет — при условии использования подходящих фильтров — обнаруживать импульсные и переходные сигналы. Многие анализаторы спектра также имеют режим нулевой полосы обзора, предназначенный для анализа фазы и амплитуды сигнала, а также для демодуляции сигнала на выбранной частоте. Помимо простого представления обнаруженных сигналов на экране, можно проводить измерения шума, усиления, фазы, занимаемой полосы частот сигнала и мощности в соседнем канале. Цифровой сигнал можно экспортировать для последующей обработки с помощью программных инструментов анализа.

Анализатор сигналов, а точнее векторный анализатор сигналов, используется для демодуляции и анализа сигналов со сложной цифровой модуляцией. Векторный анализатор сигналов записывает сигналы на фиксированной центральной частоте, используя фильтры для установки полосы пропускания — или полосы обзора — отображаемого спектра; анализатор спектра сканирует более широкий диапазон частот. В отличие от специализированного анализатора спектра, векторный анализатор сигналов отображает информацию о фазе, а также дополнительные расширенные свойства сигнала, которые невозможно получить с помощью анализа спектра, и использует цифровую обработку для демодуляции сигналов на основе цифровых синфазных (I) и квадратурных (Q) составляющих модуляции. Векторный анализатор сигналов анализирует характеристики сигнала, такие как отношение сигнал/шум (или отношение несущая/шум), модуль вектора ошибок (EVM) и мощность в кодовой области. Прибор позволяет измерять все характеристики импульсных и переходных сигналов, включая все значения уровня, частоты, фазы, шума, усиления, ширины занимаемой полосы сигнала и мощности в соседнем канале.

При разработке измерительных приборов всегда приходится идти на компромисс между уровнем шума и полосой пропускания; поскольку векторный анализатор сигналов центрируется по фиксированной частоте, даже узкой полосы анализа достаточно, чтобы хорошо спроектированный прибор имел низкий уровень собственных шумов и превосходную чувствительность для обнаружения сигналов низкого уровня.

В большинстве векторных анализаторов сигналов также предусмотрен режим анализа спектра, который лучше подходит для обнаружения нежелательных сигналов. В этом режиме полоса обзора захваченного сигнала увеличивается, а возможности демодуляции уменьшаются до АМ, ЧМ или ФМ.

Требуемый диапазон частот анализатора спектра будет зависеть от области применения, то есть от частот, которые необходимо исследовать, как для полезных, так и для нежелательных сигналов, а также от цели обнаружения сигналов. Например, для целей мониторинга спектра достаточно, если диапазон частот будет включать те частоты, которые необходимо контролировать. В случае разработки устройств и исследований ЭМП многие стандарты требуют измерения паразитных излучений на третьей гармонике основной частоты; для устройства, работающего в ISM-диапазоне 2,4 ГГц, например устройства Wi-Fi или Bluetooth®, требуется диапазон частот не менее 7,2 ГГц. Для соответствия стандартам в некоторых случаях требуется измерение паразитных излучений на пятой гармонике; для устройства 2,4 ГГц диапазон частот должен составлять 12 ГГц. Для тестирования устройств 5G, работающих в диапазоне n258 от 24,25 до 27,50 ГГц, на рынке представлено очень мало анализаторов спектра с необходимой максимальной частотой 82,5 ГГц. Многие стандарты таких организаций, как ETSI, ANSI или 3GPP, определяют ограничения для внеполосных излучений, непосредственно примыкающих к основной частоте. Обязательно учитывайте, какие стандарты применяются к конкретному испытуемому устройству. Универсальным правилом будет стремиться к тому, чтобы максимальная частота превышала ожидаемый максимум на 20 %.

В общем случае динамический диапазон описывает максимальные и минимальные значения, которые может измерить прибор; в случае анализатора спектра, предназначенного для одновременного обнаружения нескольких сигналов, это способность анализатора обнаруживать слабый сигнал при наличии сильного сигнала. Динамический диапазон анализатора спектра определяется как отношение (в дБ) сильного сигнала к слабому, при котором анализатор спектра может с заданной точностью измерять слабый сигнал в присутствии сильного сигнала.

Поскольку одним из основных вариантов использования анализатора спектра является поиск паразитных излучений в присутствии полезного сигнала, способность анализатора обнаруживать слабый сигнал в присутствии сильного сигнала является основным критерием эффективности. Максимальный диапазон уровней сигнала, уровень собственных шумов, фазовый шум и паразитные сигналы прибора — все это вносит свой вклад в определение динамического диапазона.

Для более слабого сигнала динамический диапазон ограничен собственным шумом анализатора, а для более сильного — его нелинейностью.

Собственный шум определяется отображаемым средним уровнем шума (DANL), выраженным в дБм и приведенным к полосе разрешения 1 Гц. Предусилитель уменьшает уровень DANL, что помогает обнаруживать слабые сигналы, но уменьшает общий динамический диапазон.

Нелинейность характеризуется точкой компрессии 1 дБ, искажением второй гармоники и точкой пересечения третьего порядка (TOI).

Фазовый шум сигнала представляет собой короткие, быстрые колебания частоты, видимые на дисплее анализатора спектра как размытие или дрожание осциллограммы. Фазовый шум распространяет мощность сигнала на соседние частоты, что приводит к появлению шумовых боковых полос, ослаблению полезной мощности сигнала и снижению качества сигнала. Слабый сигнал может раствориться в фазовом шуме сильного соседнего сигнала.

Фазовый шум в частотной области соответствует джиттеру во временной области; колебание частоты также является отклонением фронта сигнала во времени.

Причиной фазового шума (и джиттера) являются отклонения в работе генератора, по которому синхронизируется осциллограмма.

Идеальный генератор формирует чистый синусоидальный сигнал; вся мощность сигнала находится на одной частоте. Однако все реальные генераторы имеют фазово-модулированные компоненты шума из-за нестабильной работы генератора. Компоненты фазового шума распространяют мощность сигнала на соседние частоты. Фазовый шум генератора часто включает низкочастотный фликкер-шум и может включать белый шум. Фазовый шум описывает стабильность генератора в частотной области, а джиттер — во временной области.

Фазовый шум можно измерить с помощью анализатора спектра при условии, что фазовый шум испытуемого устройства достаточно велик по сравнению с фазовым шумом гетеродина анализатора спектра.

Собственный фазовый шум анализатора спектра ограничивает возможность выполнения измерений фазового шума и влияет на измерения модуля вектора ошибок (EVM) для сигналов с цифровой модуляцией, особенно если они узкополосные.

За дополнительную плату некоторые анализаторы спектра можно дополнить генераторами с более высокой точностью для повышения чувствительности измерений фазового шума.

На этот вопрос нет единственно правильного ответа — оптимальный анализатор спектра выбирается в зависимости от конкретных обстоятельств. Ключевыми факторами будут частота измеряемых сигналов, измеряемые характеристики, конкретный список измерений, место измерения и бюджет. Диапазон частот анализатора спектра определяет минимальную и максимальную частоту, которую можно измерить. Требуемая скорость измерения, полоса анализа, фазовый шум, динамический диапазон и чувствительность зависят от измеряемых сигналов и требуемой точности. Возможности анализа должны соответствовать индивидуальным требованиям. Дополнительные критерии включают портативность и вес прибора, наличие опций для расширения возможностей после первоначальной покупки, поддержка обслуживания и калибровки, а также пригодность для использования в существующей испытательной инфраструктуре, то есть может ли новый анализатор заменить собой предыдущее оборудование.

Ассортимент анализаторов спектра Rohde & Schwarz включает в себя решения как для стандартных измерений, так и для специализированных отраслевых измерений. Примерный охват:

• Анализаторы спектра начального уровня, например R&S®FPC1500, с начальным диапазоном частот от 5 кГц до 1 ГГц, который можно расширить до 3 ГГц, для самых разных бюджетов и целей от ознакомительного обучения до профессионального использования, включая всесторонние возможности модернизации.
• Портативные анализаторы спектра с аккумуляторным питанием, используемые для работы в полевых условиях с частотами до 31 ГГц, например R&S®FPH.
• Универсальные настольные приборы, например R&S®FSV3000 или R&S®FPL1000. Они имеют превосходные ВЧ-характеристики и множество опций анализа сигналов, включая 5G NR, а также полноценный интерфейс пользователя и автоматизированное управление.
• Компактные приборы без встроенного интерфейса пользователя для производственного применения, встраивания в системы и мониторинга, например анализатор спектра и сигналов R&S®FPS. Сверхбыстрые измерения, превосходные характеристики, минимальный размер, вес и потребление электроэнергии.
• Приборы с улучшенными характеристиками, например R&S®FSW. Приборы этого класса обладают непревзойденными ВЧ-характеристиками, уникальной максимальной частотой 90 ГГц и полосой анализа 8,3 ГГц.