Анализаторы спектра. Топ приборов в Суперайс

Анализаторы спектра.

Когда изобретатель радио А. С. Попов впервые включил изготовленный им радиоприёмник, то услышал треск, образующийся из-за электрических разрядов в атмосфере. Их интенсивность увеличивалась с приближением грозы. На современном языке это электромагнитные волны (ЭМВ), представляющие собой радиопомехи природного происхождения. Так выявилась проблема загруженности радиочастотного спектра (РЧС), которая постоянно усугубляется по мере насыщения эфира различными радиоэлектронными средствами (РЭС). Они создают взаимные помехи друг для друга, называемые станционными.

Свою лепту в загрузку РЧС вносят промышленное электрооборудование и бытовые электронные приборы (например, СВЧ-печи, называемые в просторечии микроволновками). Так возникают радиопомехи промышленного происхождения. Существуют и другие виды и источники помех, которые здесь не рассматриваются.

РЧС — природный ресурс с ограниченной шириной полосы, насыщенный сигналами и шумами. Для оптимизации его использования, определения принадлежности передатчиков, предотвращения создания станционных помех необходим непрерывный мониторинг интересующего диапазона частот. Эти и другие цели достигаются спектральным анализом с использованием спектрометров. Иные названия: спектрографы, спектроанализаторы, спектроскопы, анализаторы спектра.

Предлагаемая статья подготовлена для того, чтобы сформировать у читателей представление о современном уровне развития техники для радиочастотного и спектрального анализа и помочь разобраться в особенностях некоторых образцов, заслуживающих особого внимания.

Время чтения: 18 минут

Что такое анализаторы спектра

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:

  • исследования спектров периодических непрерывных и импульсных сигналов;
  • контроля частот, полного коэффициента шума, фазовых шумов;
  • оценки интермодуляционных искажений четырёхполюсников;
  • частотного анализа (полос излучения, паразитных, внеполосных и побочных колебаний);
  • измерения мощностей сигналов соседних каналов;
  • оценка внешних электромагнитных шумов и радиопомех.

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

  • VSA (Vector Signal Analyzer — векторный анализатор сигналов);
  • RTSA (Real Time Spectrum Analyzer — анализатор спектра реального времени).

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.

схема устройства VSA
Функциональная схема устройства VSA

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.

схема прибора RTSA
Cхема устройства RTSA

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

  • 1 — в частотной области;
  • 2 — во временной области;
  • 3 — анализа модуляции;
  • 4 — спектрограмма;
  • 5 — кодограмма.

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:

  • тестирования модуляции по протоколам радиосвязи 1xEV-DO, GSM, CDMA, 802.11, Bluetooth и др. с помощью синхронного отображения в разных областях;
  • захват и исследование сигналов с распределённым спектром, нестационарных и динамически меняющихся передач (например, систем с программно-перестраиваемой рабочей частотой — ППРЧ);
  • формирование спектральных портретов передатчиков в любых режимах их работы;
  • диагностика динамических характеристик системы фазовой подстройки частоты;
  • РЧС-мониторинг с привязкой к месту и времени.

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

Диаграмма сопротивлений
Диаграмма полных сопротивлений на экране RIGOL RSA5032.

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:

  • спектрограф;
  • измерительная (эталонная) узконаправленная антенна с известными характеристиками направленности, согласованная по входному импедансу с кабелем;
  • радиокабель;
  • высокочастотные аттенюаторы (при работе вблизи мощных источников помех);
  • поворотная опора с угломером.

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.

Векторный анализ

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

Диаграмма сигнальных созвездий
Диаграмма сигнальных созвездий на экране RIGOL RSA3032.

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)

Виды анализаторов РЧС

В зависимости от предназначения, к спектрографам предъявляются различные требования.

По конструктивному исполнению и способу использования различают следующие виды:

1. Портативные, для которых критичны:

  • малые габариты и вес;
  • устойчивость к механическим воздействиям;
  • расширенные эксплуатационные температуры;
  • хорошая различимость изображения на дисплее в условиях сильной внешней засветки;
  • приемлемая автономность.

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.

Бренды и модели

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

Технические характеристики спектроанализаторов

Параметр

RIGOL RSA3030E*

OWON HSA1016-TG

Victor10815TG

Atten GA4062

Диапазон частот, МГц

0.009–3000

0.009–1600

0.009–1500

0.009–1500

Уровень шума, дБ

<-140

<-160

<-135

<-158

Погрешность измерения амплитуды, дБм**

<0.3

<1,5

<1,5

<1

Фазовый шум, дБн/Гц***

<-90

<-80

-

-

Интермодуляционные искажения, дБм

10

10

10

-

Память, Мб

512

256

-

-

Дисплей: диагональ, мм/разрешение, пс

255/1024х600

215/1024х768

нет

215/-

Источник питания, В

100–240

100–240, акумм.

100–240

100–240

Гарантия, лет

3

1

1

1

Габариты, мм

410х224х135

265х190х58

421х221х115

410х210х136

*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.

RIGOL RSA3030E

RIGOL RSA3030E
RIGOL RSA3030E

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.

OWON HSA1016-TG

OWON HSA1016-TG
OWON HSA1016-TG

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.

Victor 10815TG

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

OWON HSA1016-TG
OWON HSA1016-TG

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.

Atten GA4062

OWON HSA1016-TG
OWON HSA1016-TG

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.

Выбор анализатора спектра, как и любого технически сложного изделия, многокритериальная задача. Здесь приходится балансировать между требуемыми метрологическими характеристиками товара, набором поддерживаемых функций, наличием опций, комплектацией и стоимостью эксплуатации. Цена часто один из главных факторов, влияющих на принятие решения о его приобретении.

Подбирая спектрограф для инженеров, целесообразно остановиться на изделиях, включённые в Госреестр, поскольку их характеристики, заявленные производителями, подтверждены сертификационными испытаниями. Это модели DSA832, DSA832E, DSA875, RSA5032, RSA5065-TG, RSA5065, RSA5065N.

Для тестирования загрузки РЧС или измерения уровня излучения гетеродина приёмника в антенну нужен вариант с максимальной чувствительностью и широким динамическим диапазоном.

На сегодня лучшие анализаторы спектра для детального тестирования в реальном времени и в узкой полосе частот — спектрографы RTSA.

Если же требуется контроль работы множества передатчиков непрерывного излучения, работающих во всём диапазоне частот анализатора, то лучше — сканирующий аппарат.

Для настройки передатчиков на эквивалент антенны требование к максимальной чувствительности необязательно, поскольку лабораторные эквиваленты имеют отдельный выход для подключения измерительных приборов. На нём присутствует тестируемый сигнал, мощности которого достаточно для гармонического анализа, работы любого частотомера или высокочастотного милливольтметра.

В крайнем случае, избыточную чувствительность всегда можно загрубить аттенюатором так, чтобы интересующий сигнал укладывался в поддерживаемый динамический диапазон.

Поиск спектроанализатора для радиолюбителей — редкое явление, поскольку он используется ими от случая к случаю. При этом востребованы компактные и недорогие модели со скромным функционалом. Любительское сообщество объединяет людей организованных и аккуратных, поэтому отзывы об анализаторах спектра, которые можно найти на специализированных форумах, будут очень важны для возможного покупателя.

В любом магазине электроники купить спектроанализатор тоже не получится, так как это далеко не предмет массового спроса. Его нужно искать в специализированных магазинах, а если нужна нестандартная комплектация, то придётся какое-то время ждать, пока заказ будет исполнен.

За рамками этой статьи остались анализаторы спектра для электроники, работающей в диапазонах звуковых или оптических волн. Это предмет отдельного рассмотрения.


Количество показов: 726
05.08.2024
Понравилась статья? Поделитесь ей в ваших социальных сетях:

Возврат к списку