01.08.2017

Анализ сигнала в реальном времени - открывающиеся возможности

В статье рассматриваются основные сведения об анализаторах спектра реального времени, которые открывают новую веху в анализе сигналов.

Никита Болдырев, руководитель направления радиоизмерительного оборудования, nb@dipaul.ru

Теория Фурье гласит, что любое электрическое явление во временной области состоит из одной или нескольких синусоидальных волн с соответствующими частотами, амплитудами и фазами. Таким образом, можно преобразовать сигнал во временной области в его эквивалент в частотной области. Измерения в частотной области показывают количество энергии на каждой конкретной частоте.

Во многих случаях частотная область гораздо удобнее для определения гармонического состава сигнала. Те, кто занимаются связью, радиолокацией, радионавигацией и телеметрией, очень заинтересованы в определении внеполосного и паразитного излучений, наличия гармоник несущего сигнала. Инженеры и техники также часто обеспокоены искажением сообщений, транслирующихся с модуляцией несущего сигнала. Интермодуляция 3-го порядка (т. е. две составляющие сложного сигнала, модулирующие друг друга) причиняет много хлопот, если компоненты искажения надлежащим образом не отфильтрованы и попадают в заданную полосу частот. Устройством для наблюдения за спектром является анализатор спектра или (все более часто употребляемое обозначение для современных приборов) анализатор сигналов (АС). Основными параметрами АС являются:

• частотный диапазон (до 1 ТГц компании Keysight);
• чувствительность;
• полоса анализа сигнала (до 1 ГГц, N9040B Keysight);
• точностные характеристики (погрешность амплитудная и фазовая);
• динамический диапазон;
• искажения (в западной литературе используется понятие точки пересечения по интермодуляционным составляющим 3-го порядка - TOI);
• полоса анализа сигнала.

Анализаторы функционируют в терагерцовом частотном диапазоне. Чувствительность и точность - те параметры, которые постоянно улучшаются. За последнее десятилетие задачи по увеличению полосы и реализации анализа в реальном времени приобрели большую актуальность, и такая тенденция продолжается. Связано это с развитием широкополосных систем связи, радиолокации и РЭБ, с использованием систем с множественным доступом, в которых несущие сигналов меняются во времени. Для детального понимания анализа сигнала в режиме реального времени необходимо рассмотреть эволюцию архитектуры анализаторов сигналов.

Свипирующий анализатор спектра

В свипирующих анализаторах (см. рис. 1) зависимость мощности от частоты определяется путем преобразования исследуемого сигнала с понижением частоты и его свипирования в пределах полосы пропускания фильтра промежуточной частоты (ПЧ), называемой полосой разрешения (RBW).

Детектор, включенный за фильтром ПЧ, вычисляет амплитуду на каждой частоте выбранной полосы обзора. Такое решение обеспечивает широкий динамический диапазон, но обладает существенным недостатком: в каждый момент времени амплитуду можно вычислить только на одной частоте. Данный подход основан на допущении, что в течение полного свипирования измеряемый сигнал остается практически неизменным. Следовательно, достоверные измерения можно получить только для относительно стабильных входных сигналов. При резких изменениях сигнала возможен пропуск некоторых из этих изменений.

Как видно из рисунка 2, свипирующий анализатор спектра анализирует частотный сегмент Fa, тогда как кратковременное изменение в спектре происходит в сегменте Fb (изображение слева). Когда свипирование достигает сегмента Fb, это событие прекращается, не будучи обнаруженным (изображение справа).

Поскольку свипирующие анализаторы спектра не могут надежно регистрировать подобные явления, при их использовании для исследования радиочастоты сигналов большинства современных средств связи нельзя рассчитывать на высокую производительность. Помимо пропуска кратковременных сигналов, имеется вероятность неправильного представления спектра импульсных сигналов, используемых в современных системах радиосвязи и РЛС. Свипирующие анализаторы обеспечивают спектр импульсного сигнала только при многократном свипировании.

Векторные анализаторы сигналов

При анализе сигналов с цифровой модуляцией для получения информации об амплитуде и фазе сигнала необходимы векторные измерения. Упрощенная структурная схема векторного анализатора сигналов (VSA) приведена на рисунке 3.

Векторный анализатор преобразует входной РЧ-сигнал в цифровую форму в пределах полосы пропускания прибора и записывает в память информацию об амплитуде и фазе преобразованного сигнала, которая используется цифровым сигнальным процессором для демодуляции, обработки и отображения результатов измерений АЦП. Входящий в состав векторных анализаторов сигналов АЦП оцифровывает широкополосный сигнал ПЧ, после чего преобразование с понижением частоты, фильтрация и детектирование выполняются цифровым способом. Алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ) применяются для преобразования из временной области в частотную. Векторный анализатор измеряет параметры модуляции, например девиацию частоты ЧМ-сигнала, мощность в кодовой области, амплитуду вектора ошибки (EVM) и диаграмму созвездий. Кроме того, с помощью векторного анализатора сигналов можно отображать мощность в канале, ее зависимость от времени и спектрограммы. Несмотря на возможность сохранения осциллограмм в памяти, векторный анализатор имеет ограниченные функции анализа кратковременных переходных процессов. В режиме автоматической развертки, обычном для таких анализаторов, захваченные сигналы перед обработкой должны заноситься в память. При последовательной обработке пакетов данных прибор не реагирует на события, появляющиеся между моментами регистрации данных. Это затрудняет и даже делает невозможным обнаружение одиночных или редких событий.

Анализаторы спектра реального времени

Термин "реальное время" появился на ранних этапах цифрового моделирования физических систем. Анализ сигналов в режиме реального времени предполагает выполнение операций анализа со скоростью, достаточной для точной обработки всех составляющих сигнала в интересующей полосе частот. Для этого необходимо соблюдение следующих условий:

• частота дискретизации входного сигнала отвечает критерию Котельникова (частота дискретизации должна минимум в два раза превышать заданную полосу пропускания);
• все измерения выполняются непрерывно и достаточно быстро, чтобы отслеживать изменения входного сигнала.

Архитектура анализатора спектра реального времени (RTSA) рассчитана на решение проблем, связанных с невозможностью использования свипирующего и векторного анализаторов спектра для анализа динамических РЧ-сигналов и переходных процессов (см. рис. 4).

RTSA анализирует сигнал с использованием цифровой обработки сигналов (DSP) перед занесением данных в память, что коренным образом отличается от обработки после захвата сигналов, заложенной в архитектуру векторного анализатора. Обработка в реальном времени позволяет обнаруживать события, которые не могут регистрироваться анализаторами с другой архитектурой, и выполнять запуск по этим событиям, чтобы избирательно сохранять данные в памяти.

На рисунке 5 представлен спектр сигнала в свипирующем анализаторе и в реальном времени. Отличие в рассматриваемом случае далеко не только в цвете, сколько в детализации структуры эфира и спектра.

Какие возможности открывает анализ в реальном времени и где он необходим?

• Системы с множественным доступом, в которых несущие информационных сигналов могут менять частоту несколько сотен раз в секунду. ППРЧ (псевдослучайная перестройка рабочей частоты) используется как в военной, так и гражданской сферах: сигнал, передающийся с использованием этого метода, устойчив к глушению.
• Анализ переходных процессов. Анализ сигнальных аномалий, зачастую позволяющий идентифицировать причину возникновения неисправностей, среди которых могут быть частотные ограничения средств передачи сигналов (когда отфильтровываются высокочастотные составляющие сигнала), неправильная конструкция печатных узлов, трактов передачи сигнала, некорректная работа интегральных и дискретных компонентов.
• Определение характеристик радиолокационных и импульсных сигналов. Радары, работающие в импульсном режиме, передают сигналы в течение очень короткого времени и применяют скачкообразную перестройку частоты. Чтобы зарегистрировать такой сигнал и выставить помеху, необходимо обнаруживать слабые сигналы очень малой длительности.

Таким образом, анализаторы спектра реального времени открывают новую веху в анализе сигналов и позволяют обнаруживать события, которые еще вчера остались бы непознанными.

Источники:

1. www.elcomdesign.ru