rbw что это в радиотехнике

Особенности архитектур анализаторов спектра

Если вы не знаете, что такое частотный спектр сигнала, как из кривой сигнала на графике зависимости амплитуды от времени получается набор «палок» на графике зависимости амплитуды от частоты, что такое преобразование Фурье, то читать дальше бесполезно.

Особенности архитектур анализаторов спектра

Частота дискретизации берется более 2*fмакс с целью учета следующих факторов: неправильные условия взятия выборок; не бесконечная крутизна АЧХ ФНЧ (гармоники могут проникать на вход фильтра, вызывая наложение спектров выборок). Для преобразования Фурье используется только «отрезок» сигнала, ограниченное число выборок, отсюда название «оконная обработка»: входной сигнал умножается на определенную «оконную функцию» перед взятием выборок или после взятия (во временной области). Данная операция идентична операции взятия свертки в частотной области.

Для точного представления спектра сигнала необходимо выполнение также следующих условий: сигнал должен быть периодическим (в реальности все сигналы финитны); время наблюдения должно быть целым числом периода сигнала. На практике эти условия невыполнимы, что приводит к расширению спектра и ошибке в амплитуде.

Гетеродин – это маломощный генератор электрических колебаний, применяемый для преобразования частот сигнала. Супергетеродинный – это такой, который использует больше одного гетеродина для преобразования сигнала на промежуточную частоту. Архитектура используется в силу возможностей обеспечить высокую чувствительность, широкий охват частот вплоть до микроволнового диапазона и широкий динамический диапазон.

Входной тракт для частот до 3 ГГц

Первая ПЧ для диапазона 9кГц – 3 ГГц выбирается высокой для обеспечения хорошей избирательности по зеркальному каналу силами фильтра. Она равна 3476.4 МГц. Частоты структурных элементов анализатора редко выбираются точными или кратными, поскольку на стадии проектирования анализатора тщательно просчитываются все возможные эффекты, связанные с протечками частоты (изоляция элементов не идеальна), возбуждением гармоник/субгармоник и интермодуляций в нелинейных элементах (смесителях и усилителях), паразитными излучениями и т.д.

Указание связи по постоянному току означает отсутствие разделительного конденсатора во входном тракте. Это нужно для работы с частотами порядка единиц/десятков Гц. Связь по переменному току указывает на наличие такого конденсатора во входном тракте сигнала. Но на смеситель нельзя подавать DC (это испортит прибор), поэтому при использовании связи по постоянному току необходимо тщательно контролировать, чтобы на вход анализатора не поступал постоянный ток!

При использовании высокой 1-й ПЧ сложно реализовать высокую избирательность ПФ, поэтому далее сигнал переносится на более низкую ПЧ, что позволяет обеспечить высокую избирательность по соседнему каналу за счет узких полос ПФ (RBW). Но делать с 3476.4 МГц сразу 20.4 МГц (в примере) нельзя, т.к. возможно затекание зеркальной частоты 2-й ПЧ, которую также сложно отфильтровать. Поэтому 2-я ПЧ выбирается всего на один порядок ниже: 404.4 МГц (в примере). После преобразования частоты сигнал ПЧ усиливается, затем фильтруется. И уже 3-я ПЧ выбирается 20.4 МГц (в примере) для обеспечения максимально узкой RBW.

Анализ импульсов и некоторые особенности БПФ

Отдельно следует отметить, что линейчатый спектр при анализе импульса отображается при выполнении условия: разрешающая способность полосы пропускания (РПП) должна быть меньше 0.3 частоты повторения импульса (ЧПИ). Иначе будет отображаться огибающая спектра импульса. Два метода можно использовать для определения режима работы анализатора сигналов: спектр импульса или линейчатый спектр. По первому методу измените РПП. Амплитуда наблюдаемого сигнала не должна измениться, если анализатор работает в режиме линейчатого спектра. Если анализатор работает в режиме спектра импульса, то наблюдаемая амплитуда изменится, потому что она является функцией РПП. По второму методу измените время развертки. Линии, изображающие составляющие спектра сигнала, не будут изменяться от времени развертки в режиме линейчатого спектра. В режиме спектра импульса расстояние между линиями ЧПИ будет изменяться как функция времени развертки.

Если условия для режима линейчатого спектра выполняются
(РПП > количества пикселей на частотной оси) ни один из входных сигналов не теряется. Поэтому этот тип детектора является особенно полезным при измерениях в задачах электромагнитной совместимости (для предварительной оценки уровня помех).

Минимальный пиковый детектор (Min peak)

Минимальный пиковый детектор отбирает для индикации из выборок, приходящихся на пиксель, единственную выборку с минимальным значением.

Автоматический пиковый детектор (Auto peak)

Автоматический пиковый детектор обеспечивает одновременную индикацию максимального и минимального значений. Два значения измеряются и их уровни индицируются одновременно (они соединены вертикальной линией). Не рекомендуется использовать trace average.

Процессы усреднения

В анализаторе спектра доступно несколько способов обработки, сглаживающих вариации в амплитуде огибающей. Первый метод – детектирование среднего. Он рассмотрен выше. Второй и третий методы – видеофильтрация и усреднение трассы (trace average, оно же обработка кривых).

Видеофильтр расположен после разрешающего фильтра и представляет собой ФНЧ с изменяющейся частотой среза. При прохождении сигналом видеофильтра ТЕРЯЕТСЯ ИНФОРМАЦИЯ О ФАЗЕ СИГНАЛА.

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры.

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Источник

Выбор цифровых анализаторов спектра с учетом их нелинейности и измерений уровня

Роль нелинейности
и измерений уровня

Хотя спектральный анализ сигналов основан на линейных математических операциях
[3–5], современный цифровой анализатор
спектра является нелинейным устройством
с множеством принципиально нелинейных
узлов: входным усилителем, смесителями, усилителями промежуточной частоты
(в том числе логарифмическим) и детекторами. Нелинейность присуща как самым дорогим анализаторам спектра [1], так и самым
дешевым [2].

Нелинейность ведет к появлению в строящихся спектрах новых линий (пиков), принципиально отсутствующих у спектра самого
входного сигнала и сильно затрудняющих
его анализ. Это может привести к погрешностям измерений, грубым просчетам при анализе сигналов и даже к неверным выводам
о физике работы тестируемых компонентов.
Разумеется, степень этих искажений зависит
от класса приборов и должна учитываться
при их выборе.

Современные цифровые анализаторы спектра имеют высочайшую точность задания частот с помощью цифровых синтезаторов: разрешение порядка 10 –6 достигается даже у самых
дешевых анализаторов спектра АКТАКОМ
АКС-1301 [1, 2, 6] (рис. 1). Такой же порядок
имеет нестабильность частоты за длительный
период (порядка года). Это делает настройку
частоты анализаторов стабильной как на высоких, так и на низких частотах и позволяет использовать для спектрального анализа
фильтры с очень узкой полосой пропускания
(разрешения) — до единиц и десятков гигагерц, а также исследовать не только широкополосные устройства, но и устройства с высокой избирательностью.

Рис. 1. Самый дешевый
цифровой анализатор спектра АКТАКОМ АКС-1301
с диапазоном частот от 9 кГц до 3 ГГц

Однако погрешность измерений уровня
сигналов у анализаторов спектра довольно
велика, поскольку она определяется массой
факторов: погрешностью входного делителя, усилителей перед смесителями, самими
смесителями, уровнями сигналов гетеродина, нестабильностью логарифмического
усилителя промежуточной частоты, погрешностью коэффициента передачи детекторов
и конечной точности цифровых измерений
уровня. Разумеется, погрешность измерений
уровня зависит и от частоты сигнала: она
возрастает как на низких, так и на высоких
частотах. Неравномерность амплитудночастотной характеристики (АЧХ) составляет ±(1–3) дБ в диапазоне частот от 9 кГц
до 3 ГГц, но часто имеет сильный спад на низких (менее 100 кГц) частотах.

Полоса разрешения фильтров промежуточной частоты RBW задает вид и ширину пиков
линий спектра и также вносит вклад в суммарную погрешность оценки высоты пиков спектральных линий, а зачастую и их положения
(частоты). А полоса частот видеофильтров
на выходе блока детекторов сильно влияет
на уровень шума, погрешность оценки уровня сигнала и время проведения измерений.

У дешевых анализаторов спектра
вполне удовлетворительной является абсолютная погрешность измерения уровня пиков
спектра порядка ±(1–1,5) дБм (децибел мощности), и лишь у дорогих анализаторов спектра высокого класса она достигает значений
±(0,2–0,4) дБм и ниже. Однако эта погрешность может многократно возрастать при проявлении анализатором его скрытых нелинейных свойств, возникающих при неудачных
установках параметров приборов. Поэтому
пользователь должен буквально чувствовать
работу анализатора и не полагаться на полученные даже дорогим прибором первые результаты. Прибор надо тщательно и всесторонне обследовать, вначале на теоретически
понятных примерах, а затем — на близких
к решаемым задачам практических примерах.

Динамический диапазон
анализатора спектра

Особенность современных цифровых анализаторов спектра — огромный динамический диапазон тестируемых сигналов. Снизу
он задается средним отображаемым уровнем
шума DANL (Displayed Average Noise Level),
достигающим значений –(100–170) дБм. Это
уровень середины шумовой дорожки анализатора спектра. А сверху он ограничен
(на уровне +20…40 дБм) нелинейностью
тракта анализатора спектра и допустимой
мощностью, рассеивающейся на резисторе
50 Ом входа. Подача сигнала более высокого уровня может вывести входные цепи или
смеситель анализатора из строя.

Такой огромный динамический диапазон (до 200 дБм) практически не реализуем.
На практике всегда приходится работать
в окне уровней сигнала с динамическим диапазоном порядка 40–70 дБм. Он задается двумя важными амплитудными параметрами
анализатора:

Изменение опорного уровня физически
означает выбор верхней границы видимого
окна нелинейной передаточной характеристики анализатора спектра (в первую очередь
его смесителя). Ее превышение означает физическое ограничение уровня сигнала и генерацию высших гармоник.

Уровень сигнала в анализаторах спектра
и опорный уровень задается в децибелах
мощности (с единицами мощности Вт, мВт,
мкВт и т. д.):

или в децибелах напряжения (с единицами
напряжения В, мВ, мкВ и т. д.):

Помимо входного аттенюатора c дискретно регулируемым (часто электронным путем) ослаблением (например, от 0 до 50 дБ
с шагом 10 дБ, а иногда и 1 дБ), многие анализаторы спектра имеют встроенный предварительный усилитель с коэффициентом
усиления +20 дБм (иногда +20 дБн по напряжению). Он позволяет повысить чувствительность анализатора, то есть уровень
воспринимаемого сигнала, и повысить отношение сигнал/шум анализатора.

Сквозная передаточная
характеристика
анализатора спектра

Нелинейность анализатора спектра во многом зависит от его сквозной передаточной
характеристики — зависимости уровня выходного напряжения, определяемого индикатором, от мгновенного значения входного
сигнала. В радиотехнике принято, в первом
приближении, представлять эту характеристику полиномом (степенным многочленом)
с целочисленными показателями степени:

Обычно при малых амплитудах входного
сигнала u_вх(t) достаточно ограничиться тремя членами полинома, но при больших амплитудах нужно учитывать и члены более
высокого порядка. Подстановка выражения
для конкретного входного сигнала u_вх(t) в (3)
позволяет найти зависимость u_вых(t).

Если у передаточной характеристики проявляется симметрия, то коэффициенты a_n
с четными n имеют малые значения и u_вых (t)
содержит в основном нечетные гармоники.
Но чаще встречается случай, когда коэффициенты полинома a_n уменьшаются по мере n,
и наиболее существенными являются первые
три гармоники, порождаемые синусоидальным входным сигналом с частотой первой
гармоники (и частотой повторения) f₁:

Общепринятой мерой нелинейных искажений одночастотных сигналов является коэффициент нелинейных искажений:

Для реализации этого метода надо выбрать
частоту несущей f в 10–50 раз выше максимальной частоты сигнала A(t), который подается на вход внешней модуляции генератора.
Выход генератора подается на вход анализатора спектра. У анализатора спектра начальная частота Start задается равной f, а конечная
End = Start+Span, где Span — полоса обзора.
Таким образом, на экране анализатора строится спектр только правой боковой полосы частот АМ-сигнала генератора. Для предотвращения роста нелинейных искажений глубину
модуляции следует выбирать от 50 до 80%.

Рис. 23. Построение спектра синусоидального сигнала
с частотой 10 кГц модуляционным методом

На рис. 23 показан спектр синусоидального
сигнала с частотой 10 кГц, который модулирует несущую с частотой 1 МГц. Просматривается
область частот от 1 до 1,05 МГц, то есть полоса
обзора составляет 50 кГц. Спектральный пик
исследуемого сигнала с частотой 10 кГц (маркер 1) четко выделяется, никаких паразитных
частот не видно, и есть лишь очень малый пик
второй гармоники сигнала (маркер 2). Его уровень меньше 60 мкВ, и это говорит о высокой
чистоте сигнала последнего. Динамический
диапазон при этой реализации модуляционного метода составляет не менее 60 дБ.

Рис. 24. Спектр низкочастотного меандра

Теперь рассмотрим спектр более сложного низкочастотного сигнала, например меандра (рис. 24). Сразу видно, что в спектре
отчетливо присутствуют только нечетные
гармоники. На пики их спектра установлены
маркеры, позволяющие оценить уровень 1-й,
3-й, 5-й и 7-й гармоник. Уровень четных гармоник неотличим от шумов. Такой результат
вполне соответствует теоретическому представлению о спектре меандра, у которого
амплитуда нечетных гармоник пропорциональна 1/n, где n — номер гармоники.

Спектр низкочастотного треугольного сигнала показан на рис. 25. С первого взгляда
он напоминает спектр меандра: видны только нечетные гармоники, уровень которых
уменьшается по мере роста номера. Но полученные с помощью маркеров данные об их
амплитуде показывают, что уровень гармоник в этом случае значительно меньше такового для меандра.

Рис. 25. Спектр низкочастотного треугольного сигнала

Рассмотрим еще один пример — на построение спектра низкочастотного пилообразного (линейно-нарастающего с быстрым спадом) сигнала. В его спектре (рис. 26)
присутствуют все гармоники — как четные,
так и нечетные. Их уровень падает пропорционально 1/n. Первые 4 гармоники выделены маркерами.

Рис. 26. Спектр низкочастотного пилообразного сигнала

Приведенные примеры наглядно показывают, что совместное применение цифрового генератора произвольных функций и массового
и сравнительно дешевого унифицированного
цифрового анализатора спектра радиочастот
позволяет анализировать спектры низкочастотных сигналов любой (в том числе тип
вой) формы. При этом исключается влияние
спада чувствительности анализатора на низких (менее 100 кГц) частотах и отсутствуют
паразитные частотные составляющие.

Разрешающая способность при использовании массовых анализаторов составляет
100–300 Гц, но у более дорогих моделей может достигать 1–10 Гц. Это позволяет решать
задачи анализа спектра сигналов с частотами
ниже 100 кГц без влияния искажений сигнала
в этом диапазоне и наличия в нем паразитных сигналов. В частности, описанный метод
позволяет оценивать и измерять параметры
ВЧ-генераторов с амплитудной модуляцией
стандартными низкочастотными сигналами и оценивать величину их коэффициента нелинейных искажений. Не стоит забывать, что спектральный анализ на низких
частотах сейчас обеспечивает большинство
современных цифровых осциллографов.

Выбор анализаторов спектра
по частотным
и амплитудным параметрам

Из приведенных примеров ясно, что работа даже с дешевыми массовыми анализаторами спектра, такими как АКТАКОМ
АКС-1301/1306, позволяет получить важные
данные о спектрах самых различных сигналов и выявить как их свойства, так и свойства
самих анализаторов, обусловленные влиянием их нелинейности и неудачных установок
параметров. Для проведения серьезных исследований и тестирования ответственных
компонентов важен все же выбор оптимально подходящих для этого типов анализаторов спектра. Ныне их выпускается очень
много, и это может существенно затруднить
такой выбор.

Наиболее совершенные анализаторы спектра реального времени с существенно расширенными характеристиками выпускает фирма Tektronix. Они подробно описаны в статье
[1] и потому далее не рассматриваются, хотя
многие описанные выше положения и основы применения анализаторов спектра в полной мере относятся и к ним. В области производства обычных цифровых анализаторов
спектра, безусловно, лидирует корпорация
Agilent Technologies [10]. Именно клоны ее
приборов выпускают корейские и китайские фирмы по вполне умеренным ценам
[2]. В числе безусловных лидеров находится
и германская компания Rohde&Schwarz [11].

При выборе анализаторов спектра в первую
очередь учитывается их цена и частотный диапазон. Современная унифицированная элементная база умеренно дешевых анализаторов спектра позволяет строить приборы с частотным диапазоном от 9 кГц (иногда и ниже)
до 3–6 ГГц. Такие анализаторы часто оснащаются трекинг-генераторами и другими опциями, например аккумуляторными батареями для автономного питания. Анализаторы
на более высокие частоты обычно содержат
дополнительные СВЧ-смесители и гетеродины и относятся к иной, существенно более дорогой группе приборов.

В остальном разнообразие анализаторов спектра базируется на разных полосах
фильтров RBW и VBW, разном минимальном уровне шумов и динамическом диапазоне, а также разных параметрах уровня.
Разумеется, подробный анализ возможностей
анализаторов требует их детального изучения по фирменным материалам, например
проспектам продукции [10, 11] и описаниям
приборов.

Анализаторы спектра
фирмы Agilent Technologies

Остановимся, для примера, на анализаторах спектра фирмы Agilent Technologies [10].
В последнее время фирма в отношении этих
приборов часто использует общий термин —
анализаторы сигналов.

Значительная часть анализаторов спектра этой компании имеет диапазон частот
от 9 кГц до 3–6 ГГц и относится к приборам
на основе унифицированной элементной
базы (рис. 27). Приборы имеют и типовой
интерфейс, отличающийся несущественными особенностями, например расположением
поворотной ручки и групп кнопок. Такие отличия нельзя относить к принципиальным.
Гораздо важнее большое время наработки
на отказ у этих анализаторов и существенно расширенный диапазон полос фильтров
RBW и VBW. Приборы нередко обладают
наилучшими для своего класса показателями
по чувствительности, уровню шума и линейности передаточной характеристики. В общем, это фирменные изделия!

Рис. 27. Анализатор спектра ESA-L
фирмы Agilent Technologies,
построенный на унифицированной элементной базе

ESA-L — довольно старый прибор, предусматривающий запись спектров и копий
экрана на обычный гибкий диск. Порт USB
у него отсутствует. Тем не менее прибор выпускается и по сей день в трех модификациях. Основные параметры анализаторов спектра ESA-L фирмы Agilent:
Диапазон частот: 9 кГц

Другая серия — ESA-E — имеет существенно меньшую погрешность измерения уровня спектральных компонент и существенно
меньшие минимальные значения полосы
RBW. Ее характеристики следующие:

Эти приборы имеют хотя и настольное
оформление (рис. 27), но могут применяться
в качестве высококачественных портативных
приборов с автономным питанием. Время
работы от батареи у них около 1,9 часа (две
аккумуляторные батареи поставляются как
опции). Корпус с резиновыми уплотнителями и передняя панель сделаны так, что с прибором можно работать в дождь и при высокой влажности. В виде опции анализаторы
оснащаются трекинг-генератором и приборным портом GPIB.

Анализатор спектра серии N1996A — это
типичный прибор среднего класса с малой погрешностью измерения уровня и наилучшим
в этом классе приборов динамическим диапазоном и высоким уровнем точки пересечения
третьего порядка (TOI) +18 дБм. Внешний
вид прибора представлен на рис. 28. Наличие
портов USB позволяет использовать модули
флэш-памяти и современные принтеры.

Рис. 28. Внешний вид анализатора спектра серии N1996A

Рис. 29. Внешний вид настольных анализаторов N9000A серии CXA

Типичные настольные анализаторы спектра N9000A серии CXA (рис. 29) относятся
к эконом-классу. В России их часто называют
«бюджетными», но вряд ли такое название
справедливо для этих все же довольно дорогих
приборов. Анализаторы спектра N9000A — это
типичные серийные приборы на основе унифицированной элементной базы. Архаичный
накопитель на гибком диске у них уже отсутствует и заменен USB-накопителем на основе
флэш-памяти. Порты USB выведены на переднюю панель прибора. Есть и порт головных
телефонов для прослушивания радиостанций.
Особо следует отметить возможность поставки
опций в виде мощных систем компьютерной
математики MATLAB, существенно расширяющих возможности приборов.

Параметры анализатора N9000A CXA:

Особо стоит отметить малый уровень шума
этих приборов (–157 дБм). Подобными параметрами (но с несколько большим уровнем шума)
характеризуются анализаторы спектра N9320A:

Серия анализаторов спектра N9030A PXA —
это высокоточные приборы с рекордными
показателями по погрешности измерения ам
плитуды, малому значению среднего уровня
собственного шума и высоте точки пересечения третьего порядка. Приборы опционально обеспечивают полосу анализа до 140 МГц.
Внешний вид приборов показан на рис. 30.

Рис. 30. Внешний вид высокоточных анализаторов спектра N9030A PXA

Параметры анализаторов спектра N9030A
серии PXA:

Рис. 31. Анализаторы серии E7400A

Анализаторы серии E7400A (рис. 31) служат
для квалификационных измерений на соответствие нормативным требованиям к излучаемым ЭМП (напряженность электромагнитного поля) в диапазоне до 26,5 ГГц. Квазипиковые
детекторы и полосы пропускания, удовлетворяющие нормативным требованиям по измерению ЭМП, в сочетании с необходимым для
ЭМП набором видов измерений, облегчают
оценку уровня ЭМП на стадии разработки продукции. С приборами используются специальные пробники ближнего поля 11940A/11941A.

Agilent Technologies выпускает и портативный (ручной) анализатор спектра N9340B.
Он имеет достаточно высокие характеристики для приборов такого класса:

Разумеется, и другие фирмы выпускают
анализаторы спектра широкого применения. Нельзя не отметить обширный выбор таких приборов у германской компании
Rohde&Schwarz [11]. Фирма производит как
простые анализаторы на унифицированной элементной базе, например популярные небольшие FS310/315 с диапазоном частот
от 9 кГц до 3 ГГц (FS315 имеет встроенный
трекинг-генератор), так и высококлассные настольные модели и миниатюрные (ручные)
приборы. Некоторые приборы этой фирмы
имеют верхние частоты свыше 100 ГГц и максимальный уровень входного сигнала до +35 дБм.
Последнее позволяет напрямую подключать
к анализаторам спектра сотовые телефоны
и исследовать сигналы их передатчиков.

Заключение

Эта статья завершает серию обзорных
статей автора по массовым современным
анализаторам спектра, которые широко
внедряются в практику радиотехнических
и электронных измерений и в системы тестирования электронных компонентов.
Анализаторы спектра в последние годы интенсивно развиваются и становятся основой нового поколения многофункциональных приборов — векторных анализаторов
спектра, анализаторов сигналов и цепей.
Разумеется, это новое поколение приборов
заслуживает дальнейшего самого серьезного
рассмотрения.

Источник