Анализаторы спектра. Топ приборов в Суперайс

Это специальные измерительные радиоприёмники, применяемые для решения задач в сфере диагностики, настройки радиооборудования и мониторинга состояния РЧС.

В радиосвязи описания различных процессов возможны во временном или спектральном измерениях. Для мониторинга временной области используются всем известные осциллографы, а для спектральной — спектроанализаторы.

Эти аппараты широко применяются исследовательскими лабораториями, конструкторскими бюро, промышленными предприятиями, техническими подразделениями операторов связи, радиочастотными центрами и другими органами контроля РЧС.

Все они делятся на изделия общего назначения и специализированные.

Первые строятся по последовательной схеме и называются сканирующими или скалярными. Они относятся к категории GPSA (General-Purpose Spectrum Analyzer — анализаторы спектра общего назначения). В них радиосигналы исследуются в одном радиотракте, частота настройки которого плавно изменяется с помощью генератора развёртки. Так реализуется последовательный обзор выбранного диапазона, в процессе которого тестируются два параметра: амплитуда и частота. Для получения результатов необходимо несколько периодов развёртки, следовательно, работают они довольно медленно. Особенность моделей общего применения — минимальный функционал, предназначенный только для тестирования спектра.

Сканирующие устройства решают следующие базовые задачи:

Специализированные решения строятся по параллельной или комбинированной схеме. Их можно разделить на две группы:

Появление изделий VSA связано с развитием техники цифровой обработки. Это спектроизмерители, предназначенные в основном для тестирования цифровой модуляции по стандартам сетей беспроводной связи. Векторными они называются потому, что к исследуемым сканирующими приборами двум параметрам добавляется третий — фаза, а для их описания применяют векторный анализ.

Принцип его действия следующий. Наблюдаемый сигнал, обработанный фильтром нижних частот (ФНЧ), поступает на смеситель, где преобразуется в напряжение более низкой промежуточной частоты (ПЧ). После усиления и обработки фильтром ПЧ происходит его оцифровка с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В дальнейшем он обрабатывается в модуле цифрового преобразования сигнала (ЦПС). Результаты тестов сохраняются в памяти и выводятся на дисплей.

Оборудование формирует статические портреты сигналов в моменты, определяемые генератором выборки. Это делает невозможным сбор данных об объектах анализа за большой временной интервал.

Существуют модификации, сочетающие функции как сканирующего спектрометра, так и VSA. При этом реализуется поочерёдное (но не синхронное) тестирование и в частотной области, и в области модуляции.

Проблема несинхронности таких тестов решена в устройствах RTSA-типа, что стало возможным благодаря развитию быстродействующих АЦП. В отличие от спектроскопов, в RTSA контролируются как медленные гармонические, так и быстро меняющиеся (в том числе импульсные) непериодические и даже одиночные сигналы.

Цифрами на рисунке обозначены представления результатов, выводимые на цветной дисплей:

Здесь назначение элементов от входа устройства до АЦП аналогично схеме устройства VSA

Этого решение отличается источником синхронизации. Она происходит непосредственно от оцифрованного входного сигнала, а не от тактового генератора. Результаты оцифровки мгновенно запоминаются, анализируются и отображаются в пяти представлениях

Помимо базового функционала исследования частотного спектра, специализированные RTSA-устройства поддерживают следующие функции:

Недостаток — узкая полоса анализируемых частот (несколько десятков МГц), что определяется возможностями современных АЦП.

Если в состав любого спектрометра включён следящий генератор, (с аналогичной настройке спектранализатора частоте), то можно исследовать S-параметры четырёхполюсников, их частотные параметры и измерять хорошо известный всем специалистам и радиолюбителям коэффициент стоячей волны (КСВ).

Для этого потребуется программа VNA (Vector Network Analyzer Application — приложение векторного анализатора цепей). Так прибор общего применения становится специализированным.

Тогда необходимы базовые представления о круговой диаграмме Вольперта-Смита (или диаграмме полных сопротивлений), поскольку с её помощью отображаются результаты тестов

К вспомогательным функциональным возможностям всех спектроанализаторов относятся самотестирование, поддержка дополнительных опций и сопряжение с различными изделиями по стандартным интерфейсам. Наиболее распространённый из них — GPIB (General Purpose Interface Bus — интерфейсная шина общего назначения) для дистанционного управления различными измерительными приборами по сетям LAN или Ethernet.

Применение спектр-анализаторов в комплексах контроля загрузки РЧС позволяет в полном объёме реализовать метрологические свойства.

В состав комплексов входят:

Поворотное устройство позволяет изменять пространственное положение антенны в трёх плоскостях: вертикальной, горизонтальной и поворачивать ее вокруг своей оси. В последнем случае происходит поворот плоскости вектора напряженности электрического поля (Е). Его ориентация в пространстве и определяет поляризацию ЭМВ.

В простейшем случае поляризация линейная. Для излучателей, находящихся на поверхности земли — вертикальная или горизонтальная соответственно. Другой возможный вид поляризации ЭМВ — вращающаяся (круговая или эллиптическая). Её получают, применяя антенны специальной конструкции, например спиральные.

Изменение типа поляризации принимаемой ЭМВ для антенн метрового и диапазонов более коротких волн происходит простым поворотом излучателя вокруг своей оси на 90 градусов. На более длинных волнах изменить её можно, лишь заменив текущую антенну на другую, излучающую волны с необходимым типом.

Приёмная антенна обладает способностью выделять сигнал с определённой поляризацией ЭМВ. Это свойство называется поляризационной избирательностью. Так можно выделить ЭМВ с нужной поляризацией, а это ещё одна векторная величина.

С помощью ориентации измерительного излучателя по максимуму принимаемого сигнала, определяется направление прихода ЭМВ, а значит и азимут на источник излучения. Так к параметрам добавляется вектор, указывающий на азимут.

Таким способом идентифицируют радиосигналы как минимум по 4 параметрам: амплитуда, частота, поляризация и направление на источник излучения. Если будет применяться спектрометр RTSA, то добавляется пятый параметр — фаза.

Если направление неважно, достаточно ненаправленной антенны в горизонтальной плоскости.

Электрический сигнал можно описать в тригонометрической или комплексной форме. Последняя проще и компактнее. Каждому электросигналу соответствует вектор, соединяющий начало координат с соответствующей точкой. Его длина эквивалентна модулю комплексного числа, а угол между осью абсцисс (вдоль которой откладывается действительная часть комплексного числа) и вектором соответствует аргументу. Соответственно, вдоль оси ординат откладывается мнимая часть.

В амплитудно-фазовой плоскости каждый сигнал отображается точкой, в которой находится конец вектора.

Такое представление наглядно иллюстрируется помощью диаграмм, получаемых в спектроскопах реального времени

Здесь отображены все сигналы, передаваемые в системе связи, в виде набора точек.

Для анализа радиоцепей была изобретена круговая диаграмма Вольперта-Смита. Это отображение плоскости комплексных сопротивлений на плоскость коэффициента отражения, через который вычисляется КСВ. Она позволяет рассчитать относительное полное сопротивление нагрузки (например, антенны) по измеренным величинам КСВ и фазового угла коэффициента отражения.

Под этим подразумевается нормирование относительно волнового сопротивления (чаще всего это 50, реже — 75 Ом). На круговой диаграмме все величины представлены в безразмерном виде.

Эти и многие другие аспекты подробнее описаны в материале «Путеводитель по векторному анализу».(Данная статья будет опубликована в скором времени)

В зависимости от предназначения, к спектрографам предъявляются различные требования.

По конструктивному исполнению и способу использования различают следующие виды:

1. Портативные, для которых критичны:

Требования сопряжения с другой измерительной электроникой по различным интерфейсам для них не столь важны.

2. Переносные. Для них справедливо всё, что сказано выше, кроме времени автономной работы, поскольку в них нет встроенных аккумуляторов.

3. Стационарные. Для этой и двух следующих категорий аппаратов на первое место выходят требования к максимально широкому функционалу, жёсткие критерии в части метрологических характеристик, пользовательскому интерфейсу, формам представления результатов исследований и набору интерфейсов сопряжения с другим оборудованием.

4. Для лабораторий. Это прецизионные модели, с помощью которых проводятся научные исследования, поверки средств измерений и сертификационные испытания в центрах стандартизации и метрологии. В этом случае главное — точность и повторяемость результатов.

5. Для промышленных нужд. К ним относят аппаратуру для предприятий-производителей телекоммуникационного оборудования и операторов связи. Прецизионность для них неактуальна. Важно получение приемлемой для практики точности в условиях мощных радиопомех, создаваемым промышленными установками и передатчиками РЭС.

Ниже приведён краткий обзор спектр-анализаторов, работающих в одном частотном диапазоне, но отличающихся по другим параметрам, функционалу и цене.

Технические характеристики спектроанализаторов

*Параметры для режима работы GPSA. Характеристики в режиме RTSA здесь не приводятся, так как другие аппараты его не поддерживают.

**Программируемый спектроанализатор — сложный продукт, нуждающийся в периодической калибровке. Его характеристики гарантируются только после её прохождения. Периодичность этой процедуры определяет производитель.

***Точность измерений всех спектранализаторов достигается после прогрева в течение времени, указанного в инструкции по эксплуатации.

Полное входное сопротивление моделей в рабочем диапазоне частот — 50Ом при КСВ не хуже 1,5.

Этот переносной прибор, способный работать в двух режимах: GPSA и RTSA.

Имеется встроенный сенсорный дисплей с хорошим разрешением. Есть интерфейсы, USB Host (4 порта), USB Device, LAN, HDMI.

Обеспечиваются следующие операции над графиками: непрерывное отображение, удержание максимума, удержание минимума, усреднение, просмотр, очистка.

Поставляются опции: предусилитель RSA3000E-PA, ПО EMI (Electromagnetic Interference — ПО для исследования электромагнитных радиопомех), зонд ЭМВ в ближней зоне NFP-3, расширенные измерения RSA3000E-AMK, антенны 2.4 ГГц и 0,9–1,9 ГГц.

Наличие в дополнительной комплектации двух слабонаправленных приёмных антенн магнитного типа с известными параметрами позволяет оператору проводить мониторинг загрузки РЧС без использования антенн-измерителей сторонних производителей.

Это лучший образец по погрешности, уровню фазовых шумов и объёму встроенной памяти.

Единственный вариант из числа рассматриваемых, с расширенной гарантией производителя 3 года.

Портативный аппарат со следящим генератором (от 100 кГц до 1,5 ГГц, что немного меньше коридора частотного измерителя). Характеризуется наименьшим уровнем собственных шумов и, как следствие, самым широким динамическим диапазоном амплитуд входа.

Изделие отличается наличием встроенного GPS-приемника для привязки результатов исследований к месту и времени. Это важно при проведении полевых тестов.

Аппаратом поддерживаются интерфейсы USB, LAN, наушников. В комплекте кейс, сумка для переноски, слабонаправленная антенна для исследования РЧС и адаптер питания 220В. Время автономной работы от аккумуляторной батареи не менее 4 часов.

Изделие построено по классической сканирующей схеме. Особенность: у него нет дисплея и встроенной клавиатуры, поэтому для работы нужен ПК с Windows или Linux.

Имеются USB-порт, LAN-порт, REF. Порт VGA используется для подключения внешнего монитора.

Встроенный следящий генератор работает во всём частотном диапазоне прибора. В комплекте адаптер электропитания на 220В. Корпус изделия адаптирован для его эксплуатации в жёстких условиях промышленного производства.

Этот малошумящий спектрограф, построенный по последовательной схеме. Следящий генератор в нём отсутствует. Поддерживает USB и LAN-интерфейс, RS232/VGA. Самый тяжёлый прибор, но для настольного измерителя лабораторного типа это не критично. Бюджетная модель.

Сравнение характеристик спектроанализаторов показывает, что уже достигнут предел, определяемый уровнем развития существующей элементной базы.