Осциллограф отображает амплитуду измеряемого напряжения в зависимости от времени. Его основная задача состоит в том, чтобы человеческий глаз мог воспринимать повторяющиеся или одиночные сигналы на экране, которые появляются слишком быстро. Прибор способен проанализировать такие характеристики, как амплитуда, частота, время нарастания, период, искажения и другие.
Анализатор спектра отображает амплитуду входного сигнала в зависимости от частоты. Его основное назначение - измерение таких спектральных характеристик, как несущая частота, мощность, искажения, гармоника, полоса пропускания, а также другие характеристики, которые нелегко обнаружить при анализе во временной области.
В настоящее время многие функции осциллографов настолько перекликаются с функционалом спектроанализаторов, что в ряде измерений их различия практически полностью нивелируются.
Время чтения: 13 минут
В этой статье рассмотрим:
Из поколения в поколение для радиоинженеров были простые правила: проводя измерения в частотной области используем анализатор спектра, а при измерениях во временной области – осциллограф. Однако по мере того как цифровая революция упрощала и расширяла методы обработки данных, границы между двумя платформами начали стираться.
В осциллографах начали применяться методы быстрого преобразования Фурье (БПФ или FFT, fast Fourier transform), которые позволяли преобразовывать данные из временной области в частотную. Анализаторы спектра же научились собирать данные во временной области и использовать постобработку для генерации изображения.
Тем не менее существовали некоторые четкие различия между этими двумя платформами. Например, осциллографы были ограничены в скорости выборки. Они могли регистрировать сигналы с частотами только от постоянного тока до нескольких ГГц. Анализаторы спектра же могли видеть достаточно высоко, даже в микроволновом диапазоне, но при сканировании пропускали переходные явления.
Что, если нам нужно исследовать сигнал во временной области с несущей частотой 40 ГГц или выполнить полный захват широкополосного импульса в требуемом диапазоне? По мере развития технологий РЭБ (радиоэлектронная борьба), радиолокации и связи требования к измерительному оборудованию значительно возросли. А поскольку новые технологические решения в цифровой обработке данных открыли большие возможности для радиочастотного и микроволнового оборудования, то они также расширили возможности для измерительного оборудования.
Теперь анализаторы спектра и осциллографы могут гораздо больше, чем они умели делать даже несколько лет назад, и по мере расширения их возможностей границы между устройствами становятся размытыми, а иногда даже стираются.
Технологические решения
Цифровая революция изменила принцип работы анализаторов спектра и осциллографов на фундаментальном уровне:
Анализаторы спектра
Большинство современных спектроанализаторов имеют блок цифровой обработки (DSP, digital signal processing). Как и в классических устройствах, в начале входящий сигнал преобразуется до гораздо более низкой промежуточной частоты (ПЧ или IF, intermediate frequency). Затем он дискретизируется, оцифровывается аналого-цифровым преобразователем (АЦП или ADC, analog-to-digital converter) и обрабатывается с использованием методов DSP.
Также теперь анализаторы спектра поддерживают два режима работы развертки: непрерывный режим (постоянная работа гетеродина) используемый для просмотра сигналов в широком диапазоне и одиночный (режим паузы гетеродина) применяется для просмотра всех принятых данных в пределах анализируемой полосы пропускания на допустимой частоте дискретизации.
Основными преимуществами метода цифровой обработки являются повышенная точность и надежность. Замена аналоговых компонентов обработки цифровыми позволяет значительно снизить погрешности, присущие аналоговым спектроанализаторам. Компоненты классического анализатора спектра, такие как фильтры полосы разрешения (RBW, Resolution Bandwidth), а также логарифмические усилители, теперь реализованы в цифровом виде. Они стали более точными и воспроизводимыми.
Режим паузы гетеродина и способность сбора данных вокруг одной несущей частоты дают два дополнительных преимущества.
Во-первых, это возможность просмотра широкополосного сигнала во временной области. Осуществляется это за счет того, что принятые спектроанализатором сигналы дискретизируются и оцифровываются. Полученные результаты можно отображать во временной области, как на осциллографе. Однако основное отличие заключается в том, что у анализатора спектра данные преобразуются в низкочастотный сигнал, а изображение на экране строится относительно центральной частоты измерения.
Вторым преимуществом является возможность видеть информацию о фазе. Это позволяет выполнить ряд функций базовой цифровой обработки. В первую очередь эта функция применяется к сигналам коммуникационной связи, а также радиолокационным частотно модулированным (ЧМ).
Некоторые производители называют спектроанализаторы с этой функцией «анализаторами сигналов», чтобы отразить способность к демодуляции и анализу сигналов, поступающих с несущей. Однако устройство по-прежнему имеет важное ограничение по частоте дискретизации АЦП в цифровой области промежуточной частоты. Это ограничивает пропускную способность до нескольких сотен и даже десятков МГц.
Осциллографы
Также, как и в блоке IF спектроанализатора, попадающие на вход осциллографа импульсы, дискретизируются, а затем обрабатываются уже в цифровом формате, но с гораздо более высокой скоростью. В настоящее время существуют осциллографы реального времени, которые могут выполнять выборку данных со скоростью до 240 ГВыб/с. Такая скорость позволяет устройству регистрировать сигналы с частотами от 0 Гц (постоянный ток) до 100 ГГц и выше.
Есть ряд факторов, ограничивающих возможности подобной архитектуры. Одним из них является «лавина» данных, возникающая в результате такой быстрой выборки. За секунду генерируются сотни гигабайт данных. При использовании всей полосы пропускания могут быть захвачены и проанализированы только доли секунды.
Некоторые методы обработки данных, такие как сегментированная память, могут увеличить время захвата, но этот метод работает только для импульсных или периодических сигналов. Другая особенность заключается в том, что быстродействующие АЦП обычно имеют разрядность только 8 бит, в отличие от 14 или 16 битных АЦП спектроанализаторов.
Если вы исследуете низкоуровневые сигналы в широком частотном диапазоне (например, поиск паразитных излучений), то анализатор спектра будет иметь существенное преимущество. Но для большинства прикладных исследований коммуникационных и радиолокационных сигналов различия между этими двумя устройствами могут быть незначительными.
Подходящий инструмент для работы
Хотя эти две технологии частично пересекаются, все же между ними есть некоторые существенные различия. Давайте отметим их.
Различия между устройствами
1. Несущая частота и полоса пропускания
Важнейшим параметром является полоса пропускания сигнала, которого вы хотите проанализировать. Если исследуемый сигнал находится в пределах полосы пропускания анализатора спектра, а несущая частота составляет несколько ГГц, то этот прибор станет лучшим вариантом. Более низкая частота дискретизации спектроанализатора позволит вам собирать и анализировать данные в течение длительного времени.
Кроме того, анализаторы спектра, как правило, дешевле своих аналогов – осциллографов, особенно на частотах 10 ГГц и выше. Но если вы работаете с частотами в пределах нескольких сотен МГц или требуется наблюдение времени нарастания и спада волны, составляющих менее 20 нс, то лучшим выбором будет уже осциллограф.
2. Разрядность и уровень шума
Разрядность не менее важна при выборе устройств. Типичные спектроанализаторы производят выборку данных с разрядностью 14 бит, в то время как большинство осциллографов имеют 8-разрядные аналого-цифровые преобразователи.
Кроме того, в отличие от анализатора спектра, осциллографы имеют открытый вход (без фильтрации), что позволяет при выполнении измерения проникать большему числу широкополосных шумов. Это может стать проблемой при измерениях в средах, содержащих высокий уровень шума или фоновых сигналов. Однако методы обработки данных, применяемые в осциллографах, могут помочь выделить необходимые данные.
3. Количество каналов
Анализатор спектра является одноканальным устройством. Осциллографы обычно двух- или четырехканальные. Спектроанализаторы могут быть соединены когерентно, но это является нетривиальным и недешевым решением. При измерениях по двум, трем или четырем каналам осциллограф имеет естественное преимущество.
Чтобы проиллюстрировать практическое влияние различий устройств, рассмотрим некоторые преимущества и недостатки.
Недостатки устройств
1. Радиолокационные сигналы (статическая несущая частота)
Типичные радиолокационные сигналы имеют относительно низкую полосу пропускания, но высокие несущие частоты. Если полоса пропускания соответствует полосе анализатора спектра, то его выбор будет вполне логичным. Эти устройства предлагают более высокое разрешение и более длительное время захвата, при этом, как правило, по более низкой цене. Для более широкополосных радиолокационных сигналов может потребоваться использование осциллографа, чтобы увидеть весь сигнал сразу без его развертки.
2. Сигналы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (СППРЧ)
Если сигнал изменяет свою несущую частоту в пределах полосы пропускания спектроанализатора, то данные могут собираться, без каких-либо потерь, в течение нескольких секунд (в некоторых случаях нескольких минут или часов при использовании внешнего RAID-массива) по сравнению с несколькими миллисекундами для высоко скоростных осциллографов. Если диапазон частот СППРЧ шире, то исследователю придется воспользоваться осциллографом.
3. Широкополосная связь
Высокоскоростной осциллограф может быть отличным инструментом для демодуляции и анализа сигналов связи со скоростью передачи символов выше 100 МГц. Наиболее распространены измерения со скоростью передачи символов в несколько ГГц в диапазонах Ka и Ku.
4. Поиск слабых сигналов
Ключом к поиску побочных, а также других маломощных сигналов является ограничение уровня шума при измерении. Способность анализаторов выполнять узкополосную развертку в широком диапазоне частот, тем самым отфильтровывая большинство широкополосных шумов, делает их идеальным инструментом для решения этой задачи.
5. Многоканальные сигналы
Для некоторых объектов, таких как радар с фазированной антенной решеткой, системы обнаружения с несколькими антеннами, а также связь MIMO, может потребоваться параллельный анализ и сравнение дюжины или даже более сигналов. Здесь у осциллографа есть естественное преимущество, поскольку он является 4-канальным устройством с когерентными по времени входами.
Для более чем 4 каналов правильным выбором может стать отказ от обеих технологий, упомянутых ранее, и использование набора цифровых преобразователей (дигитайзеров). В отличие от присущих анализаторам спектра и осциллографам затратам на функционал и дополнительные компоненты, цифровые преобразователи могут стать компактным и экономичным решением для многоканального анализа данных. Их недостатком же обычно является дополнительная работа, необходимая для настройки и обработки полученных данных.
В результате внедрения методов цифровой обработки внутри анализаторов спектра и осциллографов признаки, которые отличают эти две технологии, стали размываться до такой степени, что для некоторых применений лучшим спектроанализатором может быть осциллограф, а лучшим осциллографирующим устройством – спектроанализатор. В любом случае современные инструменты гораздо более функциональны и мощны, чем те, что были доступны еще десяток лет назад.
Может ли один инструмент выполнять работу обоих?
Современные осциллографы имеют усовершенствованные функции БПФ, обеспечивающие производительность, аналогичную анализаторам спектра, но с дополнительной возможностью анализа в нескольких областях: временной области, частотной области, а также одновременного запуска и декодирования последовательных данных, а также анализа цифрового сигнала.
Так, например, если устройство осуществляет передачу данных посредством радиочастотного приемопередатчика, то вполне можно обойтись всего одним устройством.
Неплохим выбором может стать настольный осциллограф PINTECH MDO7500A. В нашем распоряжении 4 изолированных канала с полосой пропускания в 500 МГц, а также частотой дискретизации до 5 ГВыб/с в одноканальном режиме. Устройство может выполнять функции: анализатора спектра, логического анализатора, анализатора протоколов, мультиметра, частотомера, а также генератора сигналов.
При необходимости более тщательного спектрального анализа подойдет настольный анализатор спектра PINTECH MSD6360A. Прибор предназначен для работы в частотном диапазоне от 9 кГц до 3,6 ГГц с полосой пропускания от 110 Гц до 500 кГц, а также временем развертки от 10 мс до 3000 с. Устройство оборудовано: трекинг-генератором, а также демодулятором FM, AM, USB и LSB.
