Если не прибегать к строгой классификации радиоволн, то высокочастотными колебаниями условно называют те, которые не воспринимаются слухом человека и превышают 20 кГц. В наше время частоты ниже одного мегагерца для радиосвязи почти не используются. Область радиочастотного спектра (РЧС) от 1 МГц и до 30 МГц задействована для профессиональной магистральной и радиолюбительской коротковолновой связи, а также частично для радиовещания.
На сегодня полоса от 30 МГц и до десятков гигагерц востребована почти во всех видах коммуникаций: от радиовещания и телевидения до профессиональных специальных радиосредств, радионавигации и космической связи. Поэтому далее будет подразумеваться именно эта область РЧС.
Оборудование для радиотехники и телекоммуникаций обязано строго отвечать жёстким требованиям соответствующих стандартов, поэтому для его разработки, изготовления и эксплуатации необходимы точные профессиональные приборы для тестирования высокочастотных сигналов.
Эта статья призвана помочь читателям сориентироваться во множестве предложений различных вендоров на рынке метрологического обеспечения работы радиоинженеров.
Время чтения: 23 минуты
Специфика работы с высокочастотными сигналами
В любой области человеческой занятости есть свои тонкости. Сложность радиочастотных измерений заключается в существовании антенного эффекта. Его суть в том, что измерительная техника, провода, соединяющие её и исследуемый объект, окружающие металлические предметы представляют собой вторичные излучатели (приёмники) электромагнитных волн (ЭМВ). Они накладываются на полезный сигнал, что непредсказуемо влияет на результаты тестов, искажая их.
Перечислим прочие особенности высокочастотных измерений:
- Для соединения оборудования с измерительными приборами используют только экранированный кабель минимально необходимой длины.
- Исследование характеристик антенн выполняют в специальных помещениях, стены и потолки которых покрыты материалами, не отражающими радиоволны (их называют безэховыми камерами).
- Для антенн, когда размеры в натуральную величину не позволяют поместить их в такие камеры, измерения выполняют на моделях, габариты которых и рабочая длина волны пропорционально уменьшаются по сравнению с реальными (такой подход называется методом масштабного моделирования).
- Натурные испытания излучателей проводят в обстановке, максимально приближённой к реальным условиям их использования (в идеальном случае — непосредственно в местах эксплуатации).
- При диагностике слабых излучений в ближней зоне запрещено присутствие источников мощных радиопомех (передатчиков радио или телевизионного вещания, сварочных аппаратов и т. д.). Ближней называют часть пространства, радиус которой удовлетворяет условию: r ˂ λ (радиус зоны r меньше длины волны λ, на которой проводят тестирование).
- Входной импеданс средств измерений должен иметь минимальную и известную реактивную составляющую, а активную — стремящуюся к бесконечности (исключение составляют измерения в 50-ти или 75-омных трактах, где активная составляющая равна 50 или 75 Ом).
Если не учитывать эти особенности, то о корректности результатов испытаний говорить не приходится.
Немного о значимости входного импеданса. Приведу пример из собственной практики. Как-то я столкнулся с ситуацией, когда связка кодер-декодер, собранная по схеме, рекомендованной производителем, не работала. Входная информация шифровалась кодером, принимался декодером, но не декодировалась. Замена микросхем и контроль исправности деталей обвязки не помогли выявить причину происходящего.
В ходе проверки осциллографом формы импульсов на промежуточных выводах микросхемы, а именно: при прикосновении измерительного щупа к одному из них, всё заработало. При отключении щупа схема снова переставала работать.
Очевидно, что щуп, обладая известным из его характеристик импедансом, вносил ёмкость и активное сопротивление в собранную схему, после чего она начинала работать. Осталось подключить между тестируемым выводом и общим проводом соответствующие конденсатор и резистор, что и было сделано. Проблема была решена.
Особенности ключевых приборов для работы с ВЧ напряжениями
Рассматриваемые приборы предназначены для диагностики состояния высокочастотного оборудования на всех стадиях технологического цикла его эксплуатации.
К особенностям аппаратов этого класса относятся:
- аппаратная сложность;
- применение специализированного ПО;
- высокая стабильность внутренних источников опорного напряжения;
- наличие высокоомных и 50-омных входов;
- дороговизна по сравнению с устройствами аналогичного назначения, работающими в более длинноволновых диапазонах.
Кроме того, оборудование для радиотехников может эффективно использоваться только инженерами, имеющими соответствующую квалификацию.
Обзор оборудования для работы с ВЧ сигналами
Осциллографы
Основное назначение этих приборов заключается в наблюдении, изучении и документировании процессов, происходящих в настоящий момент в радиоцепях.
К таким измерителям предъявляется ряд обязательных требований:
- Необходимый динамический диапазон и максимальная чувствительность каналов вертикального отклонения (КВО).
- Поддержка внутренней и внешней синхронизации.
- Наличие высокоомного и 50-омного входов.
- Максимальная временная стабильность и скорость развёртки.
- Наличие необходимых интерфейсов, чтобы соединяться с внешним оборудованием.
Для сопоставления функциональных возможностей, метрологических и потребительских качеств были выбраны два схожих устройства одного класса: осциллоскопы Siglent SDS6204 H12 Pro и RIGOL MSO8204, которые существенно отличаются в цене.
Сравнение функционала
| Функция/модель | SDS6204 H12 Pro | MSO8204 |
| Цифровой осциллограф | + | +* |
| Вольтметр | - | + |
| Частотомер | - | + |
| Генератор | + | +* |
| Анализатор протоколов | - | +* |
| Анализатор спектра | - | + |
Примечание: *опция.
Характеристики осциллографов
| Параметр/модель | SDS6204 H12 Pro | MSO8204 |
| Количество аналоговых (цифровых) каналов | 4 (16) | 4 (16**) |
| Макс. частота дискретизации, выборок/с* | 10х10^9 | 10х10^9 |
| Полоса пропускания КВО*** для высокоомного/низкоомного входов, МГц | 2000 (50 Ом)/1000 (1 Мом) | 2000 (50 Ом)/500 (1 Мом) |
| Время нарастания импульса, нс | ˂0.45 | ˂175 |
| Диапазон вх. напряжений, В | 0.005-10 | 0.001-10 |
| Чувствительность КВО, мВ/дел. | 0.5 | 1 |
| Точность измерения амплитуды вх. напряжения, не хуже % | ±1.5 | ±2 |
| Вх. Импеданс каналов вертикального отклонения |
1 Мом, 20 пФ 50 Ом |
1 Мом, 19 пФ 50 Ом |
| Область скоростей развёртки | 0.1 нс/дел-1000 с/дел | 0.2 нс/дел-1000 с/дел |
| Интерфейсы | USB 3.0 Host(x2), USB 2.0 Host(x2), USB 2.0 Device, LAN, micro SD, HDMI, вход внешнего триггера, доп. выход (TRIG OUT, PASS/FAIL), вход 10 МГц, выход 10 МГц (только 8 каналов) | USB Host/Device, USB-GPIB, LAN, TRIG OUT, HDM |
Примечание:
*в одноканальном режиме.
**Доступны 16 каналов с пробником RPL2316.
Эти устройства незначительно отличаются по дискретизации, входному импедансу, скорости развёртки, потребляемой мощности, рабочей температуре, массе и габаритам. Оба изделия обеспечивают функцию анализа протоколов и много вариантов запуска.
Сопоставление данных, представленных в таблицах 1 и 2, позволяет выделить особенности этих измерителей.
Особенности Siglent SDS6204 H12 Pro
Большая часть органов управления устройством вынесена на переднюю панель.
Это узкоспециализированный прибор. Его достоинства:
- лучшее быстродействие и точность измерения амплитуды (минимальная длительность обнаруживаемого импульса);
- широкий набор интерфейсов для подключения внешних устройств;
- наличие встроенного источника колебаний;
- поддержка следующих базовых способов запуска: по ширине импульса, по его фронту (спаду), по времени, по видеосигналу, по интервалу между импульсами, по предопределённому шаблону, по внешнему сигналу;
- статистическая обработка результатов исследований и их отображение в форме гистограмм, графиков трендов, диаграмм траектории;
- большой экран.
Из минусов: минимальная заводская гарантия (1 год), отсутствие опций, расширяющих функционал.
Почти все органы управления этим осциллографом вынесены на переднюю панель.
Устройство создано по многофункциональному принципу. Его достоинства:
- поддерживается нескольких дополнительных опций (генератор, анализатор протоколов, цифровой осциллограф);
- имеется встроенный вольтметр, частотомер и анализатор спектра;
- реализованы курсорные измерения (разность напряжений или временной интервал между точками размещения курсоров);
- обеспечиваются математические операции с напряжениями разных каналов (сложение, вычитание, умножение, деление и др.);
- расширенная заводская гарантия 3 года;
- аппарат включён в Государственный реестр средств измерений (ГРСИ);
- стоимость изделия втрое меньше по сравнению с Siglent SDS6204 H12 Pro, но она несколько вырастет при покупке дополнительных опций.
Минусы: меньшая полоса пропускания КВО по входу 1 Мом, худшее быстродействие, ограниченный набор интерфейсов, небольшой дисплей, отсутствие возможности статистической обработки результатов тестирования.
Таким образом, с учётом соотношения цена-качество, MSO8204 предпочтительнее, чем SDS6204 H12 Pro.
Анализаторы спектра
Эти измерители позволяют исследовать различные процессы в спектральной области. Они отвечают нескольким обязательным требованиям:
- Обеспечение широкого динамического диапазона по входным сигналам и высокой чувствительности, ограниченной собственными шумами.
- Максимальная временная стабильность и скорость развёртки.
- Анализ всех видов информации в соответствии с международными стандартами сетей связи.
- Поддержка необходимых интерфейсов для подключения внешнего оборудования.
- Хранение в энергонезависимой памяти не меньше 10 групп пользовательских параметров.
Спектрометры делят на скалярные и векторные. В скалярных изделиях применён принцип последовательного обзора РЧС. Они были изобретены в первой половине прошлого века. С момента создания эти аппараты претерпели существенные усовершенствования, стали программно управляемыми и активно используются в наши дни. Их основное преимущество в том, что последовательный просмотр спектра происходит во всём рабочем диапазоне изделия: обычно от десятков кГц до нескольких десятков ГГц.
Векторные измерители — это современная разработка. Они анализируют РЧС в более узкой полосе по сравнению со скалярными. Она составляет лишь десятки МГц, но анализ происходит не последовательно, как в сканирующих изделиях, а мгновенно. Эти современные устройства, разработанные не так давно. Их весомое преимущество — анализ РЧС в режиме реального времени.
Ниже остановимся на векторных спектрографах. Они обеспечивают:
- динамическое тестирование сигналов;
- тестирование и отладку техники, работающей по спецификациям 1xEV-DO, GSM, CDMA, 802.11, Bluetooth и др.;
- исследование качества цифровой модуляции сигналов;
- поддержку нескольких форм отображения полученных данных, таких как классические спектрограммы, глазковые диаграммы и созвездия, а также кодограммы.
Эти аппараты позволяют изучать процессы в трёхмерном сигнальном пространстве, когда учитываются все характеристики колебания: амплитуда, частота и фаза.
Для сравнения были выбраны два спектроскопа в реальном времени, схожие по возможностям, но принадлежащие к разным ценовым группам: Siglent SSA3075X-R и RIGOL RSA5065-TG.
Сравнение функционала.
| Функция/модель | SSA3075X-R | RSA5065-TG |
| GPSA | + | + |
| RTSA | + | + |
| VSA | +* | +* |
| EMI | +* | +* |
| TG | + | + |
| VNA | +* | - |
Примечание: *опция.
В таблице использованы следующие англоязычные сокращения:
- GPSA (General-Purpose Spectrum Analyzer — анализатор спектра общего применения). В основе этого прибора лежит последовательный обзор спектра.
- RTSA (Real Time Spectrum Analyzer — анализатор спектра реального времени).
- VSA (Vector signal analyzer — векторный анализатор сигналов). В этом режиме изделие преобразует аналоговое ВЧ сообщение в цифровую форму, обрабатывает его и выдаёт информацию о его амплитуде и фазе. Полученные данные используются для оценки параметров цифровой модуляции.
- EMI (Electromagnetic Interference — электромагнитные помехи). Спектрометр применяется в качестве радиоприёмника, позволяющего исследовать уровень радиопомех. Для такого тестирования к прибору подключают измерительную антенну с известными направленными свойствами.
- TG (Tracing Generator — следящий генератор). Выходное напряжение этого блока изменяется синхронно с частотой настройки спектрографа. Если вход четырёхполюсника подключить к следящему генератору, а выход — ко входу спектроанализатора, можно измерить амплитудно-частотную характеристику испытуемой схемы.
- VNA (Vector Network Analyzer — векторный анализатор сетей). Этот вид измерений позволяет изучать S-параметры различных четырёхполюсников.
Характеристики спектрографов
| Параметр/модель | SSA3075X-R | RSA5065-TG |
| Область рабочих частот, Гц | 9х10^3-7.5х10^9 | 9х10^3-6.5х10^9 |
| Разрешение по частоте, Гц | 1 | 2 |
| Полоса пропускания, МГц** | 25 (40*) | 25 (40*) |
| Фазовый шум, дБс/Гц | ˂-98 | ˂-115 |
| Чувствительность, ограниченная шумами, дБм/Гц | -165 | ˂-145 |
| Диапазон вх. напряжений, дБ | ˂90 | 85 (200***) |
| Точность измерения амплитуды, дБ | ˂0.7 | ˂0.3 |
| Анализ модуляции* | AM, FM, ASK, FSK, MSK, PSK, QAM | FSK, MSK, PSK, QAM, ASK |
| Интерфейсы | USB-хост, USB-устройство, LAN (GPIB*) | LAN, USB-хост, USB-устройство, HDMI |
Примечание:
*опция.
**в режиме реального времени.
***в режиме спектрограммы.
Из таблиц 3 и 4 следует, что оба сравниваемых изделия имеют схожий функционал, но отличаются по своим метрологическим свойствам.
Особенности Siglent SSA3075X-R
Все органы управления этим изделием расположены на передней панели.
Достоинства аппарата:
- поддержка режима векторного сетевого анализатора;
- более широкий рабочий спектр и высокое разрешение по частоте;
- лучшая чувствительность, ограниченная собственными шумами;
- хорошие динамические свойства;
- широкий набор исследуемых видов модуляции.
Из минусов:
- худшая точность при оценке амплитуды колебаний;
- больший фазовый шум.
Это прибор с достаточно большим экраном и множеством настроек, при этом его интерфейс не назвать сложным.
Преимущества изделия:
- высокая точность измерения амплитуды;
- малая величина фазовых шумов;
- обеспечен режим трекинг-генератора;
- более привлекательная цена;
- RSA5065-TG включён в ГРСИ.
Минусы:
- меньший диапазон рабочих частот;
- худшее разрешение по частоте, чувствительность, динамический диапазон;
- отсутствие интерфейса GPIB.
Следовательно, с учётом соотношения цена-качество, имеет смысл остановить свой выбор на RSA5065-TG.
Генераторы сигналов
Главное назначение этого оборудования — диагностика состояния, настройка и регулировка радиоприёмников различного назначения путём подачи на их вход ВЧ-напряжения с требуемым уровнем и видом модуляции.
К рассматриваемому типу средств измерений предъявляются следующие базовые требования:
- Высокая спектральная чистота выходных колебаний.
- Максимальная временная стабильность параметров.
- Минимальный шаг частотной сетки.
- Поддержка всех используемых в радиосредствах видов модуляции.
- Допустимый уровень гармонических искажений.
- Запоминание не менее 10 групп заранее запрограммированных параметров.
- Наличие необходимых интерфейсов связи с другими устройствами.
Для сопоставления функциональных возможностей, метрологических параметров и потребительских свойств были выбраны два схожих аппарата одного класса: источники ВЧ колебаний Siglent SSG5040X-V и RIGOL DSG830, которые принадлежат к разным ценовым сегментам.
Сравнение функционала.
| Функция/модель | SSG5040X-V | DSG830 |
| К-во каналов | 1 | 1 |
| Встроенный генератор импульсных последовательностей | + | +* |
Примечание: *опция.
Параметры ВЧ-генераторов.
| Параметр/модель | SSG5040X-V | DSG830 |
| Диапазон поддерживаемых частот, Гц | 9х10^3-4х10^9 | 9х10^3-3х10^9 |
| Разрешение по частоте, Гц | 1х10^-3 | 0.01 |
| Частотная нестабильность, ppm | ˂±1 | ˂±1 |
| Фазовый шум, дБн/Гц | -110 | -112 |
| Пределы изменения выходного напряжения, дБ | от -110 до +24 | от -110 до +20 |
| Точность установки амплитуды, дБ | ˂0.7 | ˂0.5 |
| Поддерживаемая модуляция | AM, FM, PM, IQ | AM, FM, PM* |
| Интерфейсы | USB-Device/Host/LAN | USB-Device/Host/LAN |
| Гарантия, лет | 1 | 1 |
Примечание: *встроенная модуляция.
При подаче на отдельный вход внешнего модулирующего колебания оба измерителя поддерживают все основные виды модуляции: PSK, BPSK, QPSK, 8PSK, DBPSK, DQPSK, D8PSK, OQPSK, PI/4-DQPSK, PI/8-D8PSK, 16QAM, 32QAM, 64QAM, 128QAM, 256QAM, 512QAM, 2FSK, 4FSK, 8FSK, 16FSK, MSK, 2ASK, 4ASK, 8ASK, 16ASK.
Все органы управления этим изделием и базовые интерфейсные соединители расположены на передней панели.
Из плюсов:
- больший амплитудный диапазон выходных напряжений;
- наличие квадратурной (IQ) модуляции;
- лучшее разрешение по частоте.
Минусы:
- больший уровень фазовых шумов;
- SSG5040X-V не входит в ГРСИ.
У этого прибора все кнопки управления, дисплей и подключения также находятся на передней панели.
Преимущества устройства:
- малая величина фазовых шумов;
- лучшая точность регулировки амплитуды выходного напряжения;
- относительно невысокая цена;
- устройство внесено в ГРСИ.
Недостатки:
- худшее значение частотных параметров;
- встроенный генератор импульсных последовательностей поставляется опционально.
Оба рассматриваемых аппарата снабжены одинаковым набором интерфейсов для внешних соединений и обеспечены гарантией производителя один год.
Учитывая параметры оборудования, для использования в профессиональных целях имеет смысл применять DSG830.
Отдельного рассмотрения заслуживают источники колебаний произвольной формы, которые применяют для получения модулированного колебания требуемого типа. Сообщение бывает однократным или периодическим. Его форма бывает треугольной, трапецеидальной, синусоидальной, экспоненциальной и др. С помощью рассматриваемых аппаратов оценивается работа различной телекоммуникационной аппаратуры.
Сравнение функционала.
| Функция/модель | UNI-T UTG4162A | DG4202 |
| К-во каналов | 2 | 2 |
| Счётчик периода колебаний | + | + |
| Стандартные формы | гармоническая, прямоугольная, пилообразная, импульсная, шумовая | |
| Произвольные формы | двухтональная, экспоненциальная, произвольная | двухтональная, экспоненциальная, Гаусса, Лоренца, произвольная |
Параметры приборов.
| Параметр/модель | UNI-T UTG4162A | DG4202 |
| Рабочий спектр, Гц | От 1х10^-6 до 160х10^6* | От 1х10^-6 до 200х10^6* |
| Разрешение по частоте, Гц | 1х10^-6 | 1х10^-6 |
| Частотная нестабильность, ppm | ±50 | ±2 |
| Уровень гармоник, дБ | ˂-40 | ˂-40 |
| Фазовый шум, дБс/Гц | ˂-115 | ˂-115 |
| Пределы изменения выходного напряжения, мВ | 1–5000** | 1–10000** |
| Точность установки амплитуды, % | ±1 | ±1 |
| Поддерживаемая модуляция | AM, FM, PM, ASK, FSK, PSK, QPSK, OSK, PWM, SUM, QAM (QAM4, QAM8, QAM16, QAM32, QAM64, QAM128, QAM256) | AM, FM, PM, ASK, FSK, PSK, BPSK, QPSK, 3FSK, 4FSK, OSK, PWM |
| Интерфейсы | USB Host/USB Device/LAN | |
| Гарантия, лет | 1 | 3 |
Примечание:
*Приведена максимальная ширина рабочего спектра. Для разных форм колебаний она различна.
**Амплитуда на выходе в разных режимах неодинаковая.
Сравниваемые аппараты имеют схожий функционал, немного отличающиеся технические характеристики, одинаковый набор интерфейсов и принадлежат одному ценовому сегменту, но имеют и серьёзные отличия.
Все элементы управления и главные интерфейсные разъёмы находятся на передней панели прибора.
Преимущества: большее число поддерживаемых разновидностей модуляции.
Недостатки:
- худшее значение нестабильности и меньшая мощность на выходе;
- меньший срок гарантии производителя.
Большая часть средств управления и контроля вместе с интерфейсным подключением сгруппированы на передней панели.
Из плюсов:
- применим в режиме источника гармоник до 16-й включительно;
- показывает лучшую стабильность и большую мощность на выходе;
- имеется расширенная заводская гарантия вендора 3 года;
- аппарат включён в ГРСИ.
Минусы: не поддерживает квадратурную модуляцию.
Таким образом, для большинства профессиональных применений предпочтительнее модель DG4202.
Как выбрать профессиональный прибор для работы с ВЧ сигналами
Поскольку идеальных измерителей в технике нет, в зависимости от специфики работ приходится подбирать метрологическое оборудование, исходя из соображений здравого смысла и финансовых возможностей.
С технической точки зрения учитывают диапазон частот прибора, необходимую точность и чувствительность, возможности встроенного ПО в части обработки, хранения и визуализации результатов тестов, поддержку дополнительного функционала, удобство использования в конкретной обстановке:
- Для лабораторных условий целесообразно выбирать настольные прецизионные измерители с обширным набором интерфейсов для присоединения других устройств. Многофункциональность здесь уходит на второй план. Если предполагается применение оборудования в составе автоматизированных измерительных систем, нужна поддержка интерфейса GPIB.
- Для выездных измерений и сервиса необходимы компактные мультифункциональные приборы с автономным питанием. Если предстоит исследование загрузки РЧС, то для этой задачи подбирают спектрометры с повышенной чувствительностью и динамическими свойствами.
- Для тестирования и настройки телекоммуникационного оборудования в месте его эксплуатации или в производственных условиях подбирают приборы, дающие приемлемую для практики точность.
- При испытаниях передатчиков высокая чувствительность анализаторов спектра неважна.
Частотная стабильность генераторов обязана быть как минимум на порядок больше аналогичного параметра гетеродинов испытываемых приёмников.
Конечно, каждый радиоинженер хотел бы иметь универсальную измерительную чудо-лабораторию с отличными метрологическими свойствами и размером с чемодан-дипломат, но сегодня такие пожелания пока из области фантастики.
