rbw и vbw что это такое
Зависимости между настройками в анализаторах спектра
Некоторые настройки анализатора взаимозависимы. Чтобы избежать ошибок измерения, в обычном режиме работы современных анализаторов спектра эти параметры связаны друг с другом. То есть при изменении одной настройки все остальные зависимые параметры будут изменяться автоматически. Но эти параметры также могут быть установлены пользователем индивидуально. В таком случае особенно важно знать взаимосвязи и влияния различных настроек.
4.6.1 Время развертки (sweep time), полоса обзора (span), полоса разрешения (RBW) и полоса видеосигнала (VBW)
За счет использования аналоговых или цифровых фильтров ПЧ максимально допустимая скорость развертки ограничивается длительностями переходных процессов в фильтре ПЧ и в видеофильтре. Длительность переходного процесса в видеофильтре никак не влияет, если полоса пропускания видеосигнала (VBW) больше, чем полоса разрешения (RBW). В этом случае время переходного процесса увеличивается обратно пропорционально квадрату полосы разрешения, поэтому с уменьшением полосы разрешения в n раз минимально необходимое время развертки становится на n 2 больше. Применима следующая формула:
Коэффициент пропорциональности k зависит от типа фильтра и допустимой ошибки (выброса) отклика при переходном процессе. Для аналоговых фильтров, состоящих из четырех или пяти отдельных звеньев, коэффициент пропорциональности k равен 2,5 (максимальная ошибка переходного процесса составляет приблизительно 0,15 дБ). При использовании гауссовых фильтров с цифровой реализацией отклик при переходном процессе известен и точно воспроизводим. По сравнению с аналоговыми фильтрами, с помощью соответствующих поправочных коэффициентов могут быть получены более высокие скорости развертки без потерь при определении амплитуд, независимо от типа входного сигнала. Таким образом, можно получить коэффициент k равный 1. На рисунке 1 показано необходимое время развертки для полосы обзора 1 МГц как функция от ширины полосы разрешения.
Рисунок 1 – Теоретически требуемое время развертки как функция от ширины полосы разрешения при полосе обзора 1 МГц. Пример времени развертки, которое может быть достигнуто в современном анализаторе спектра с помощью фильтров БПФ
Если ширина полосы видеосигнала (VBW) меньше, чем ширина полосы разрешения (RBW), на требуемое минимальное время развертки начинает влиять длительность переходного процесса в видеофильтре. Аналогично фильтру ПЧ, при уменьшении полосы пропускания фильтра (VBW) длительность переходного процесса в видеофильтре увеличивается. Видеофильтр, если он реализован в аналоговой форме, обычно представляет собой фильтр нижних частот 1-го порядка или простую RC-цепь. Следовательно, существует линейная зависимость между полосой пропускания видеосигнала (VBW) и временем развертки (sweep time). Уменьшение полосы пропускания видео в n раз увеличивает время развертки в n раз.
Если не удается обеспечить минимально необходимое время развертки, фильтр ПЧ или видеофильтр не смогут достичь установившегося состояния, что вызовет потери в определении амплитуды и искажения в отображении сигнала (смещение частоты). Например, для синусоидального сигнала не будут правильно отображаться ни уровень, ни частота (рисунок 2). Более того, эффективное разрешение может ухудшиться из-за расширенного отображения спектра сигнала.
Рисунок 2 – Потери в определении амплитуды, когда не обеспечивается минимальное время развертки (синяя кривая)
Чтобы избежать ошибок измерений из-за короткого времени развертки, в нормальном рабочем режиме современных анализаторов спектра полоса разрешения (RBW), полоса видеосигнала (VBW), время развертки (sweep time) и полоса обзора (span) объединены и взаимосвязаны.
Полоса разрешения автоматически адаптируется к выбранной полосе обзора. Таким образом, можно избежать большого времени развертки из-за узкой полосы разрешения при больших полосах обзора или плохого разрешения из-за большой полосы разрешения при малых полосах обзора. В результате работа с анализатором спектра становится намного проще. Коэффициент связи между полосой обзора и полосой разрешения часто может быть установлен пользователем самостоятельно.
Также возможно частичное связывание этих параметров. Например, при ручной настройке полосы разрешения и полосы видеосигнала время развертки может подстраиваться автоматически.
При ручной настройке этих параметров, если минимальное время развертки не обеспечивается, то обычно выводится предупреждение ( UNCAL на рисунке 2 в верхнем левом углу).
При использовании фильтров БПФ длительность переходного процесса заменяется временем наблюдения, необходимым для заданного разрешения (уравнение 4 в разделе 3.1). В отличие от времени развертки при использовании аналоговых или цифровых фильтров, время наблюдения не зависит от полосы обзора, поэтому даже если бы полоса обзора была увеличена, время наблюдения при постоянном разрешении не увеличивается. Таким образом, время наблюдения как функция от разрешения (желтый график), показанная на рисунке 1, не зависит от полосы обзора.
На практике большие полосы обзора делятся на несколько поддиапазонов. При заданном разрешении для каждого поддиапазона требуется соответствующее время наблюдения. Общее время наблюдения прямо пропорционально количеству поддиапазонов. Таким образом, реальное время измерения значительно больше ожидаемого в теории. На рисунке 1 показано время развертки, которое может быть достигнуто с помощью современного анализатора спектра, использующего БПФ-фильтры. На нем ясно видно, что фильтры БПФ позволяют значительно сократить время развертки при больших отношениях полосы обзора к полосе разрешения, особенно при использовании очень узких полос разрешения.
В современных анализаторах спектра ширина полосы видеосигнала (VBW) также может быть связана с полосой разрешения (RBW). При изменении полосы пропускания сигнала ПЧ (RBW) ширина полосы видеосигнала подстраивается автоматически. Коэффициент связи (соотношение между полосой разрешения и полосой видеосигнала) зависит от режима применения и, следовательно, должен быть установлен пользователем (смотрите раздел 4.3). Помимо значения, задаваемого пользователем, часто доступны следующие варианты:
По умолчанию полоса пропускания видеосигнала обычно выбирается так, чтобы максимальное усреднение с помощью видеофильтра достигалось без увеличения требуемого времени развертки. При коэффициенте пропорциональности k = 2,5 (уравнение 1) ширина полосы видеофильтра должна быть, по крайней мере, равна полосе разрешения (RBW / VBW = 1). Если фильтр ПЧ реализован в цифровом виде, коэффициент пропорциональности k = 1 может быть достигнут посредством соответствующей компенсации, описанной выше, а минимальное требуемое время развертки может быть уменьшено в 2,5 раза. Чтобы обеспечить достижение видеофильтром установившегося состояния, несмотря на уменьшенное время развертки, выбранная полоса пропускания видеосигнала должна быть примерно в три раза больше, чем полоса разрешения (RBW / VBW = 0,3).
4.6.2 Опорный уровень (reference level) и ослабление РЧ сигнала (RF attenuation)
Чтобы избежать перегрузки или даже повреждения первого смесителя и последующих каскадов обработки, входные сигналы с высокими уровнями должны ослабляться аттенюатором, входящим в состав анализатора (рисунок 3). Ослабление, необходимое для конкретного опорного уровня, зависит от динамического диапазона первого смесителя и последующих блоков. Уровень на входе первого смесителя (т.е. уровень смесителя) должен быть заметно ниже точки компрессии 1 дБ. Из-за нелинейностей при увеличении уровня сигнала на входе смесителя уровни продуктов преобразования, формируемых в анализаторе спектра, увеличиваются непропорционально. Если уровень сигнала на входе смесителя слишком большой, эти продукты преобразования могут вызывать помехи на отображаемом спектре, и поэтому так называемый диапазон, свободный от продуктов интермодуляции, уменьшится, т.е. верхняя граница динамического диапазона анализатора опустится.
Рисунок 3a – Автоматическая подстройка ослабления РЧ сигнала и усиления сигнала ПЧ к максимальному уровню сигнала, отображаемому на дисплее (максимальный уровень сигнала = опорный уровень) – сильный входной сигнал 
Рисунок 3b – Автоматическая подстройка ослабления РЧ сигнала и усиления сигнала ПЧ к максимальному уровню сигнала, отображаемому на дисплее (максимальный уровень сигнала = опорный уровень) – слабый входной сигнал
Если ослабление РЧ сигнала слишком велико, что приводит к слишком низкому уровню сигнала на входе смесителя, отношение сигнал/шум входного сигнала будет излишне уменьшено. В результате, как показано на рисунке 4, получаемый в итоге динамический диапазон уменьшается из-за более высокого уровня шума. На рисунке 5 показано влияние уровня сигнала на входе смесителя при входном сигнале, состоящем из одной синусоиды (смотрите раздел 5.2 «Нелинейность»).
Рисунок 4 – Динамический диапазон, ограниченный минимальным уровнем шума, как функция от уровня сигнала на входе смесителя 
Рисунок 5a – Входной сигнал, состоящий из одной синусоиды: динамический диапазон уменьшается из-за слишком высокого уровня сигнала на входе смесителя 
Рисунок 5b – Входной сигнал, состоящий из одной синусоиды: динамический диапазон уменьшается из-за слишком низкого уровня сигнала на входе смесителя 
Рисунок 5c – Входной сигнал, состоящий из одной синусоиды: для сравнения, динамический диапазон, достигаемый при оптимальном уровне сигнала на входе смесителя
Чтобы получить полный динамический диапазон логарифмического усилителя и детектора огибающей (при использовании аналоговых фильтров ПЧ) или аналого-цифрового преобразователя (при использовании цифровых фильтров ПЧ), уровень сигнала на последней ПЧ соответствующим образом усиливается с помощью усилителя ПЧ. Коэффициент усиления выбирается таким образом, чтобы сигналы, достигающие опорного уровня, вызывали полную загрузку логарифмического усилителя, детектора огибающей (при индикации уровней в линейном масштабе) или АЦП (при использовании цифровых фильтров ПЧ). Следовательно, коэффициент усиления сигнала ПЧ устанавливается косвенно через опорный уровень, хотя он также зависит и от выбранного значения аттенюатора. При поддержании опорного уровня на постоянном значении, при увеличении ослабления РЧ сигнала коэффициент усиления сигнала ПЧ должен быть увеличен (смотрите gпч,1 и gпч,2 на рисунке 4).
Если уровень входного сигнала, который необходимо вывести на дисплей, превышает опорный уровень, это может вызвать перегрузку. Коэффициент усиления сигнала ПЧ в этом случае необходимо уменьшить за счет увеличения опорного уровня.
Связь между опорным уровнем и ослаблением РЧ сигнала
В современных анализаторах спектра, ослабление РЧ сигнала может быть привязано к настройке опорного уровня. Критерий этой связи – максимальный уровень на входе смесителя, достигаемый при входном сигнале, соответствующем опорному уровню. Таким образом, уровень сигнала на входе смесителя, достигаемый при полной загрузке, (т.е. максимальный уровень смесителя при сохранении нелинейных искажений на допустимом уровне) определяется как разница между опорным уровнем и ослаблением РЧ сигнала. Применима следующая формула:
При выборе уровня сигнала на входе смесителя необходимо найти компромисс между низким отношением сигнал/шум и низким уровнем искажений. Для того, чтобы оптимизировать уровень сигнала на входе смесителя для конкретных измерений, некоторые анализаторы позволяют пользователю свободно выбирать уровень смесителя для заданного опорного уровня. Часто в анализаторах предоставляются предварительно заданные настройки этой связи:
Низкое отношение сигнал/шум
Чем ниже ослабление РЧ сигнала, тем меньше снижается отношение сигнал/шум на входе первого смесителя. Для низкого отображаемого уровня шума требуется высокий уровень сигнала на входе смесителя (смотрите раздел 5.1 «Собственный шум»).
Низкие искажения
Чем ниже уровень сигнала на входе смесителя, тем меньше искажения, создаваемые анализатором спектра из-за нелинейностей. В этом режиме ослабление РЧ сигнала выше (смотрите раздел 5.2 «Нелинейность»).
В таблице 1 показаны некоторые типовые настройки ослабления ВЧ сигнала и усиления сигнала ПЧ при заданных значениях опорного уровня для различных режимов работы. Пример показывает, что даже при очень низких опорных уровнях ослабление РЧ сигнала всегда устанавливается не менее 10 дБ. Таким образом, выполняется защита первого смесителя, и достигается хорошее согласование по входу. Так достигается более высокая точность измерения абсолютных уровней (смотрите раздел 5.10.1 «Компоненты ошибки»). В этом примере ослабление РЧ сигнала может быть установлено на максимум 70 дБ, а усиление сигнала ПЧ – на максимум 50 дБ.
| Уровень сигнала на входе смесителя | –40 дБм (низкие искажения) | –30 дБм (нормальный режим) | –20 дБм (низкий шум) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Опорный уровень | Ослабление РЧ сигнала | Усиление сигнала ПЧ | Ослабление РЧ сигнала | Усиление сигнала ПЧ | Ослабление РЧ сигнала | Усиление сигнала ПЧ |
| +30 дБм | 70 дБ | 30 дБ | 60 дБ | 20 дБ | 50 дБ | 10 дБ |
| +20 дБм | 60 дБ | 30 дБ | 50 дБ | 20 дБ | 40 дБ | 10 дБ |
| +10 дБм | 50 дБ | 30 дБ | 40 дБ | 20 дБ | 30 дБ | 10 дБ |
| 0 дБм | 40 дБ | 30 дБ | 30 дБ | 20 дБ | 20 дБ | 10 дБ |
| –10 дБм | 30 дБ | 30 дБ | 20 дБ | 20 дБ | 10 дБ | 10 дБ |
| –20 дБм | 20 дБ | 30 дБ | 10 дБ | 20 дБ | 10 дБ | 20 дБ |
| –30 дБм | 10 дБ | 30 дБ | 10 дБ | 30 дБ | 10 дБ | 30 дБ |
| –40 дБм | 10 дБ | 40 дБ | 10 дБ | 40 дБ | 10 дБ | 40 дБ |
| –50 дБм | 10 дБ | 50 дБ | 10 дБ | 50 дБ | 10 дБ | 50 дБ |
| –60 дБм | 10 дБ | 50 дБ | 10 дБ | 50 дБ | 10 дБ | 50 дБ |
| –70 дБм | 10 дБ | 50 дБ | 10 дБ | 50 дБ | 10 дБ | 50 дБ |
| –80 дБм | 10 дБ | 50 дБ | 10 дБ | 50 дБ | 10 дБ | 50 дБ |
| –90 дБм | 10 дБ | 50 дБ | 10 дБ | 50 дБ | 10 дБ | 50 дБ |
| –100 дБм | 10 дБ | 50 дБ | 10 дБ | 50 дБ | 10 дБ | 50 дБ |
4.6.3 Перегрузка
При использовании анализатора спектра следует быть осторожным, чтобы избегать перегрузки слишком высокими уровнями входных сигналов. Перегрузка может произойти в нескольких точках тракта прохождения сигнала. Чтобы избежать её, необходимо правильно установить как ослабление РЧ сигнала, так и опорный уровень (усиление сигнала ПЧ). Ниже описаны критические компоненты и критерии, которые необходимо соблюдать.
Первый смеситель
Чтобы охватить нижний частотный диапазон (до 3 ГГц, в случае описываемого здесь анализатора), во входной РЧ части обычно используется принцип высокой первой промежуточной частоты. Если в анализаторе спектра перед первым смесителем нет узкополосного преселектора, сигналы могут поступать на первый смеситель во всем диапазоне входных частот (до 3 ГГц в нашем примере) независимо от отображаемой на дисплее полосы обзора (span). Таким образом, смеситель может быть перегружен сигналами, лежащими далеко за пределами полосы обзора. В зависимости от полосы обзора, выбранной для отображения на дисплее, создаваемые из-за этой перегрузки побочные колебания (гармоники высших порядков) могут искажать показываемый спектр (рисунки 6 и 7).
Рисунок 6 – Высшие гармоники входных сигналов, генерируемые в первом смесителе 
Рисунок 7a – Изображение на дисплее анализатора спектра при подаче на вход синусоидального сигнала с f = 520 МГц 
Рисунок 7b – Вторая гармоника с f = 1040 МГц, создаваемая в первом смесителе, появляется на изображении, даже если основная частота сигнала не содержится в отображаемом спектре
Чтобы избежать перегрузки, уровень смесителя, т.е. общий уровень сигнала на входе первого смесителя должен быть ниже точки компрессии 1 дБ смесителя. Данный параметр указывается в техническом описании конкретного анализатора спектра (смотрите раздел 5.4). Как было описано в разделе 4.6.2, уровень смесителя устанавливается с помощью аттенюатора. Некоторые современные анализаторы спектра оснащены детектором перегрузки перед первым смесителем, и поэтому в случае перегрузки может отображаться предупреждение.
Если входная часть анализатора спектра оснащена узкополосным отслеживающим преселектором, риск перегрузки анализатора сигналами за пределами отображаемого спектра значительно снижается. Анализатор, описанный в этой книге, в тракте прохождения сигнала для диапазона частот от 3 ГГц до 7 ГГц содержит узкополосный преселектор в виде следящего ЖИГ-фильтра (YIG-фильтр, фильтр на основе резонатора из железо-итриевого граната). Если из этого частотного диапазона выводится на дисплей только небольшая полоса обзора, первый смеситель может быть перегружен только сигналами в пределах отображаемого спектра или близкими к нему. Из-за ограниченной избирательности ЖИГ-фильтра входные сигналы за пределами отображаемого спектра должны быть на определенном расстоянии от интересующего диапазона, чтобы они подавлялись фильтром в достаточной степени и не перегружали смеситель (рисунок 8).
Рисунок 8 – Подавление входных сигналов за пределами отображаемого спектра с помощью следящего ЖИГ-фильтра
Для измерений электромагнитной совместимости, которые часто подразумевают очень большое количество одновременно возникающих спектральных компонентов с высокими уровнями, согласно соответствующим стандартам анализаторы спектра обычно также могут быть оснащены дополнительными узкополосными следящими преселекторами в нижнем входном частотном диапазоне.
Обработка сигнала ПЧ до фильтра разрешения
За первым смесителем следуют каскады обработки аналогового сигнала, такие как усилители ПЧ и каскады преобразования. Эти каскады могут быть перегружены сильными сигналами только в пределах отображаемого спектра или вблизи него. Сигналы вне отображаемого спектра подавляются после первого преобразования последующими фильтрами ПЧ при условии, что расстояние от интересующего частотного диапазона достаточно велико (рисунок 9). Фильтры ПЧ на этапах 1-ой и 2-ой промежуточных частот обычно чрезвычайно широкополосные, поэтому расстояние по частоте, требуемое адекватного затухания, может быть очень большим (часто около 100 МГц).
Рисунок 9 – Подавление продуктов преобразования на 1-й ПЧ с помощью фильтра первой промежуточной частоты
В отличие от перегрузки первого смесителя, побочные колебания, вызванные перегрузкой компонентов обработки аналогового сигнала ПЧ, не появляются в отображаемом спектре. Они подавляются фильтром ПЧ и последующими узкополосными фильтрами разрешения (рисунок 10).
Рисунок 10 – Подавление побочных колебаний, возникающих в компонентах обработки аналоговых сигналов ПЧ
Описываемый здесь анализатор спектра имеет детекторы перегрузки на 2-ой и 3-ей ПЧ ( 44 и 45 ) и поэтому может указать на перегрузку блоков аналоговой обработки сигнала ПЧ.
Настраиваемый усилитель ПЧ и последующие блоки
Как уже отмечалось выше, усиление сигнала ПЧ зависит от настройки опорного уровня.
Если сигнал в отображаемом спектре превышает опорный уровень, настраиваемый усилитель ПЧ и последующие блоки обработки сигнала будут перегружены. Их реакция зависит от выбранных настроек. Исходя из структурной схемы анализатора спектра, представленной ниже, возможны следующие случаи:
Использование аналоговых фильтров ПЧ
Превышение опорного уровня вызывает перегрузку логарифмического усилителя (при отображении уровней в логарифмическом масштабе) или перегрузку детектора огибающей (при отображении уровней в линейном масштабе).
Для входного сигнала, уровень которого превышает опорный уровень, измерения выполнить невозможно. Однако эта перегрузка не влияет на измерения уровней слабых сигналов в непосредственной близости от сильного сигнала (рисунок 11). Как показано на структурной схеме, фильтр разрешения состоит из нескольких отдельных звеньев. Звенья фильтра перед настраиваемым усилителем ПЧ обеспечивают подавление сильных входных сигналов за пределами полосы пропускания. Следовательно, побочных колебаний, которые могут исказить отображаемый спектр, не будет.
Рисунок 11a – Измерение уровня слабого входного сигнала при наличии очень сильного сигнала при нормальном уровне сигнала 
Рисунок 11b – Измерение уровня слабого входного сигнала при наличии очень сильного сигнала при перегрузке настраиваемого усилителя ПЧ. Перегрузка не влияет на результат измерения
Использование цифровых фильтров ПЧ или фильтров БПФ
При использовании цифровых фильтров ПЧ или фильтров БПФ сигнал ПЧ оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя. Если в отображаемом спектре уровень сигнала превышает опорный уровень, аналого-цифровой преобразователь может быть перегружен. В отличие от аналоговых фильтров, в этом случае создаются продукты преобразования, которые становятся видимыми на отображаемом спектре (рисунок 12).
Рисунок 12a – Продукты преобразования из-за перегрузки аналого-цифрового преобразователя при использовании цифровых фильтров ПЧ или фильтров БПФ 
Рисунок 12b – Отображаемый спектр при нормальном уровне сигнала (без перегрузки аналого-цифрового преобразователя при использовании цифровых фильтров ПЧ или фильтров БПФ)
Ликбез по массовым цифровым анализаторам спектра радиочастот
Внешний вид массовых анализаторов спектра радиочастот
Рис. 1. Внешний вид анализаторов спектра
Первые две модели (АКТАКОМ АКС-1301/1601 и АКИП 4201/4202) похожи друг на друга как две капли воды. И это неслучайно: их основой являются приборы южнокорейской фирмы ED Co. Анализатор R&S FS300/315 — это настольный прибор с возможностью автономного питания. Из-за малых размеров он имеет маленький дисплей с невысоким разрешением. А новейшие DSA 1020/1030 стали успешным прорывом на рынок анализаторов спектра преуспевающей китайской компании RIGOL. Близки к ним и анализаторы спектра фирм LG (серия SA-9**) и GW Instek (серия GSP-8**). Подобные анализаторы (как правило, более дорогие) выпускают и другие фирмы, например Agilent Technologies (серия Е4***А). К отдельному классу приборов относятся и дорогие анализаторы спектра реального времени корпорации Tektronix. Почти все примеры использования анализаторов спектра, описанные в данной статье, вполне применимы и для них.
Принципы построения анализаторов спектра радиочастот
Большинство анализаторов спектра построено по принципу работы супергетеродинного радиоприемника (рис. 2). От радиоприемника анализатор спектра отличается, прежде всего, автоматической перестройкой частоты гетеродина и графическим построением спектра — зависимости уровня напряжения или мощности сигнала от частоты в определенном диапазоне ее изменения.
Рис. 2. Упрощенная функциональная схема аналогового анализатора спектра на основе супергетеродинного радиоприемника с одним преобразованием
Известно, что с учетом высших гармоник смесителя и гетеродина имеет место следующее соотношение частот у супергетеродинного радиоприемника:
где fг — частота гетеродина, fвх — частота входного сигнала, fп — промежуточная частота (ПЧ); m и n — целые числа 1, 2, 4 и т. д.
Меняя частоту гетеродина, можно изменять частоту приема при постоянной ПЧ. Если использовать только первые (фундаментальные) гармоники смесителя и сигнала гетеродина, то при fII = const для входной частоты (1) можно получить:
Постоянство ПЧ означает, что можно построить высокочувствительный усилитель промежуточной частоты с заданной высокой избирательностью, одинаковой для всех значений fr
Получение правильного спектра осложняется рядом обстоятельств. Диапазон частот сигнала у современных анализаторов спектра очень широк: у всех описанных ниже приборов он лежит в пределах от 9 кГц до 3-6 ГГц. Перекрыть непрерывно такой диапазон частот при одном преобразовании невозможно. Из формулы (2) следует, что супергетеродин имеет минимум два канала приема — один основной, а другой зеркальный. А если учесть нелинейность смесителя и гармоники гетеродина, то их будет куда больше — в соответствии с (1).
Эти проблемы удалось решить, применяя ПЧ, более высокую, чем максимальная рабочая частота анализатора. В результате зеркальная частота оказывается далеко за пределами рабочего диапазона частот, и ее легко обработать не очень сложным фильтром нижних частот. Резко сокращается кратность частот гетеродина. Так, при f = 3,476 ГГц для получения f от 0 до 3 ГГц нужно использовать гетеродин с перестраиваемой частотой от 3,476 до 6,476 ГГц, то есть с кратностью частот меньше 2.
Но усилитель с высокой ПЧ трудно сделать с высокой избирательностью. А она нужна для четкого выделения линий спектра, в частности гармоник сигнала. Поэтому для повышения избирательности анализатора спектра применяется двойное и даже тройное преобразование частоты. Например, при двойном преобразовании для ПЧ1 применяется не перестраиваемый фильтр, а фильтры ПЧ2 делаются узкополосными, и они формируют вид пиков спектра на экране. Подавление паразитных каналов приема решается тщательным экранированием узлов анализатора.
В усилителе последней ПЧ (обычно логарифмическом) применяются фильтры с заданной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) и заданной полосой частот BW (Band Wide). После фильтрации сигнал последней ПЧ подается на набор детекторов, выделяется его огибающая, уровень которой пропорционален логарифму амплитуды входного сигнала, его среднего значения или иному амплитудному значению сигнала. Логарифмический масштаб анализатора по вертикали позволяет выводить спектры в очень широком диапазоне амплитуд входных сигналов.
Высокочастотные составляющие сигнала после детектора и шумы ослабляются фильтрами видеочастоты (VBW), после чего сигнал с их выхода подается на канал вертикального отклонения индикатора (электронно лучевой трубки или жидкокристаллического). Генератор пилообразного напряжения осуществляет развертку индикатора по горизонтали и одновременно перестройку гетеродина и, соответственно, частоты входного сигнала. Так, в принципе получается график спектра сигнала в виде функции уровня сигнала от частоты. При этом вместо вертикальных линий дискретного спектра периодического сигнала [2, 3] анализаторы дают набор пиков, ширина которых зависит от вида АЧХ и BW фильтров в тракте последней ПЧ. Обычно форма АЧХ близка к Гауссовой кривой, что обеспечивает малое время переходных процессов при изменении частоты.
Наконец, есть еще одна, по сей день не вполне решенная проблема. Это получение высокой скорости построения графика спектра. Особенно она существенна при использовании аналоговых фильтров в тракте ПЧ. Они сильно искажают быстро меняющийся по частоте сигнал. В современных анализаторах спектра эта и сопутствующие ей проблемы (например, точное детектирование и ослабление шума) решаются переходом на цифровые методы обработки сигналов в тракте последней ПЧ. Для этого применяются цифровые фильтры и цифровые детекторы. Полная функциональная схема типичного анализатора спектра на диапазон частот от 9 кГц до 3 ГГц (с расширением до 7 ГГц за счет еще одного преобразования частоты) довольно сложна и приведена в [5].
Параметры массовых анализаторов спектра
В таблице 1 приведены основные параметры анализаторов данной группы (4 серии прибора и 8 разновидностей моделей). Близость технических характеристик приборов налицо. Это следствие применения унифицированной элементной базы. Унифицирован также интерфейс пользователя приборов.
Таблица 1. Основные параметры бюджетных цифровых анализаторов спектра
Цветной дисплей этих приборов жидкокристаллический с довольно высоким разрешением — 640×480 пикселей и размером по диагонали 14 см. Он дает четкое изображение, как линий спектра, так и элементов интерфейса (прежде всего меню) и информационных надписей на экране. Малым весом приборы не отличаются: их масса около 10 кг. К недостаткам приборов можно отнести и ограниченные возможности USB-порта на передней панели: он допускает подключение только модулей флэш-памяти и USB-принтеров. Зато есть привычные порты — параллельный Centronix и последовательный RS-232. Последний, как и порт локальной сети LAN, можно использовать для управления прибором от ПК. Опционально поставляется и модуль приборного порта GPIB. У приборов под торговой маркой АКТАКОМ сетевой порт уже встроен.
Новейшие анализаторы спектра DSA1020/1030 выпускает китайская компания RIGOL. Ее массовые (бюджетные) осциллографы давно известны и популярны, они выпускаются даже под маркой такой крупной фирмы, как Agilent Technologies (США). Хотя «начинка» анализаторов спектра фирмы RIGOL практически та же, что у указанных выше приборов, есть ряд интересных особенностей их.
Улучшенные характеристики DSA1020/1030 достигнуты во многом благодаря применению современного процессора Blackfin фирмы Analog Devices и хорошей проработке прибора в целом. Процессор Blackfin обладает хорошим соотношением цена/качество, высоким энергосбережением и богатым набором инструментов и приложений для разработки.
Цветной 8,5-дюймовый широкоформатный ЖК-дисплей DSA1030A имеет самое высокое разрешением (800×480 пикселей), что дает высококачественное отображение спектров. Приборы имеют удобный интуитивный графический интерфейс и опции для связи с ПК: LAN/USB-хост, USB-устройство. При этом порт USB-устройства можно использовать для связи с ПК и полноценного управления прибором от него. VGA-выход и опция приборного порта GPIB дополняют возможности этого анализатора спектра.
Этот прибор — самый легкий из упомянутых. Он позволяет использовать встроенную литиевую аккумуляторную батарею для автономного питания с временем работы до 3 часов. Компактная и прочная конструкция корпуса прибора позволяет легко его переносить. Он имеет встроенную энергонезависимую память, в которой возможно сохранение данных непосредственно и в USB-модуле флэш-памяти.
Имея улучшенные характеристики (хотя и не все), анализаторы фирмы RIGOL по стоимости занимают среднее положение между относительно дешевыми приборами АКТАКОМ и АКИП и подобными по характеристикам анализаторами спектра ведущих фирм Agilent Technologies, Tektronix, R&S и др.
Все анализаторы имеют три режима запуска: свободный, видео, внешний. Но режимы детектирования различны:
Из типовых функции измерений у анализаторов можно отметить следующие:
Функции выбора предварительной установки позволяют быстро и легко вернуть предыдущие настройки измерений: пользовательские или заводские параметры настройки.
Иачало работы с массовым анализатором спектра
В большинстве статей и книг по анализаторам спектра (увы, их очень мало) пользователю предлагается сразу начать работу с прибором. Дескать, смотрите, как это просто: нажал кнопку Autoset и сразу получил спектр сигнала от подключенного к его входу генератора. Нередко такое испытание оказывается не только первым, но и последним перед отправкой прибора в ремонт и выговором от начальства.
Начать работу с прибором нужно с детального изучения описания к прибору — если оно, конечно, есть. За основу описанной ниже работы возьмем анализаторы спектра российских торговых марок АКТАКОМ и АКИП как самых дешевых и достаточно мощных профессиональных приборов.
Подключив к анализатору кабель питания и проверив заземление прибора (от розетки или с помощью зажима заземления), можно спокойно включить прибор выключателем на задней стенке прибора. Он включает спящий режим прибора (загорается красный индикатор на передней панели у кнопки Power в нижнем левом углу). Нажав эту кнопку, можно перевести прибор в рабочий режим: загорается зеленый индикатор. На экране появится заставка прибора, которая продемонстрирует наличие используемых опций и фильтров. Можно задать перезагрузку прибора (Preset) при каждом включении. Примерно через 1-2 минуты экран анализатора приобретет рабочий вид, показанный на рис. 3. Перед работой рекомендуется прогреть прибор в течение 15-20 минут.
Рис. 3. Экран анализатора спектра АКТАКОМ АКС-1301 после включения
Для выключения прибора с переходом в спящий режим (с сохранением настроек) нужно нажать кнопку Power на передней панели и удерживать ее до загорания индикатора красного цвета (индикатор зеленого цвета при этом гаснет). Для полного выключения используется выключатель на задней стенке прибора, при этом настройки и установки прибора теряются.
Системные установки анализатора спектра
В принципе, после включения с прибором можно начинать работу. Но не будем спешить и ознакомимся с некоторыми системными возможностями анализатора спектра. Если прибор ранее использовался, его стоит привести в начальное состояние, нажав кнопку Preset в группе кнопок System передней панели (средняя группа в правой части передней панели). Будет получено показанное на рис. 3 изображение экрана. Его нужно внимательно изучить.
Справа от рабочего окна экрана видно меню, управляемое кнопками, которые находятся напротив его позиций. Сверху, слева и снизу видны информационные записи о рабочих установках прибора. Их смысл будет понятен немного позже. Отметим лишь, что при ручной установке какого-либо параметра перед его обозначением помещается символ #. Последняя установка отмечена на экране надписью крупными белыми буквами. Пока обратите внимание на желтую линию спектра. Она содержит две части — почти вертикальную линию (нерабочая часть спектра в области частот менее 9 кГц) и широкую горизонтальную шумовую дорожку. Линия спектра строится бегущей маленькой птичкой белого цвета. По умолчанию анализатор готов отразить максимально широкий спектр. Он имеет полосу частот 3 ГГц и центральную частоту 1,5 ГГц, то есть перекрывает область частот от 0 до 3 ГГц.
Нажмите кнопку System и в меню в правой части экрана выберите позицию Show System («Показать данные о системе»). Будет выведено окно с данными о системе (рис. 4). Из него можно узнать серийный номер прибора, состав его частей и опций. Например, можно узнать, что данный экземпляр прибора имеет опции локальной сети LAN и трекинг-генератора TRK и что у него отсутствуют опции приборного порта GPIB и генератора CDMA.
Рис. 4. Окно с данными о системе анализатора
Нажав кнопку Return, можно вернуться к прежнему окну (рис. 3). Теперь обратите внимание на самую верхнюю светлую строку экрана: в ней должны отображаться данные о текущих дате и времени.
Установка даты и времени очень проста. Допустим, нужно установить дату. Выберите позицию меню Time/Date (рис. 5) и затем снова Time/Date: внизу этой позиции подчеркивание перейдет от надписи Off (вывод отключен) к надписи On (вывод включен).
Рис. 5. Установка текущей даты
Нажав кнопку Return, вернитесь к меню System. Аналогично установите текущее время, используя в подменю Time/Date позицию Set Time («Установить время»). Учтите, что при рестарте анализатора происходит сброс установленных значений даты и времени. При этом созданные файлы будут начинаться с января 2000 г. Установив в позиции Time/Date команду Off, можно вообще отключить вывод даты и времени.
Теперь следует разобраться с использованием файловой системы прибора и его памяти. Для этого, нажав кнопку File, выведем меню этих операций (рис. 6).
Рис. 6. Меню файловых операций File
Оно имеет следующие позиции и возможности:
В наше время эти возможности прекрасно известны любому пользователю ПК и в особом описании не нуждаются. Поэтому остановимся на управлении записью файлов. Она возможна в заранее созданную анализатором директорию screen. Если к USB-порту на передней панели подключен модуль флэш-памяти, то подменю Save выводит экран с перечнем директорий:
С помощью кнопок ▲ и ▼ над поворотной ручкой можно перемещать выделение по этим и другим директориям и установить его на нужную директорию. Аналогично можно просмотреть директории на флэш-модуле памяти и выбрать директорию для записи своих файлов. Выбор директории фиксируется нажатием кнопки Return. Активизируя подменю Save, можно получить подменю с рядом команд записи файлов:
Эти операции также вполне очевидны. Для записи файла, помимо команды Save Now, можно использовать кнопку Save в группе кнопок System. Полное имя файла (с указанием директории) выводится в статусной строке на экране снизу. На время записи построение текущего спектра приостанавливается и затем автоматически возобновляется.
Анализатор позволяет распечатать изображение на экране принтером, подключаемым к принтерному порту Ethernet, или USB. Для этого прежде всего нужно установить настройку на принтер, нажав кнопку Print Setup. Появится подменю, показанное на рис. 7.
Рис. 7. Подменю установок принтера Print Setup
Это подменю имеет следующие позиции:
После этих установок для печати содержимого экрана достаточно нажать кнопку Print в группе кнопок System.
Установка основных параметров частоты, полосы обзора и амплитуды
Теперь мы готовы к осмысленному применению анализатора спектра по его прямому назначению. Есть три основные группы параметров, которые задаются при спектральном анализе:
Контроль спектра опорного генератора
Для последующей работы целесообразно рассмотреть спектр синусоидального сигнала. Если под рукой нет генератора синусоидальных сигналов (например, при покупке анализатора спектра), то можно воспользоваться сигналом опорного генератора с частотой 10 МГц. Его сигнал выведен на коаксиальный разъем типа N на задней стенке прибора. Подключите вход анализатора к этому разъему подходящим кабелем. Сигнал опорного генератора по уровню меньше допустимого, и такое соединение безопасно. Теперь нажмите кнопку автоматической установки Autoset и дождитесь проведения этой установки анализатором в течение нескольких секунд.
Экран примет вид, показанный на рис. 8. На нем виден реальный спектр синусоидального сигнала в виде достаточно острого пика в самом центре экрана.
Рис. 8. Спектр сигнала от опорного генератора, полученный автоматически, и меню установок частоты Frequency
Теоретически такой спектр имеет вид отрезка вертикальной прямой, но, как отмечалось, в реальности он выглядит, как пик конечной ширины. Пик посажен на шумовую дорожку, которую анализатор воспроизводит, будучи очень чувствительным прибором. Благодаря логарифмическому масштабу по вертикали шум хорошо заметен на экране внизу и практически совсем не заметен в верхней части экрана, где отображаются вершины пиков. Но он все же может вызвать небольшую нестабильность вершин пиков и погрешность измерения их уровней.
Обратите внимание на то, что при автоматической настройке параметры Center Freq и Span резко изменились. Они оказались равными 10 (примерно) и 5 МГц соответственно (против изначальных 1,5 и 3 ГГц). Это и есть главный результат автоматической установки. Внимательный читатель заметит и другие изменения параметров, в частности полос RBW и VBW.
Специалиста спектр на рис. 8 должен насторожить. Дело в том, что автоматически центральная полоса и полоса обзора оказались выбранными так, что регистрируется только первая гармоника сигнала. Высшие гармоники с частотами 20, 30 МГц и т. д., даже если они есть, не попадают в автоматически установленную полосу частот от 5 до 15 МГц и потому на рис. 8 не отображаются.
На этом рисунке видно меню частоты Frequency с активной позицией Center Freq. Попробуем изменить эту частоту, сделав ее равной 8 МГц. Для этого достаточно ввести новое значение частоты, нажав цифровую клавишу 8. Вид экрана изменится на показанный на рис. 9. Тут видны два изменения: изменилась надпись Center Freq (появилось значение 8) и изменилось меню в правой части экрана — оно сменилось на меню Units («Единицы измерения»). В этом меню можно выбрать единицы измерения частоты: GHz (ГГц), MHz (МГц), kHz (кГц) и Hz (Гц). В нашем случае активизируем позицию MHz и тут же увидим новый спектр, показанный на рис. 9. Как и следовало ожидать, пик спектра сместился вправо относительно новой центральной частоты на 2 МГц (цена деления горизонтальной шкалы Span/10 = 0,5 МГц).
Рис. 9. Спектр сигнала от опорного генератора после изменения центральной частоты
Вернемся к прежнему значению центральной частоты в 10 МГц, нажав кнопку Return, и рассмотрим состав меню Frequency:
Если нажать кнопку Span, то справа от окна спектра появится меню Span:
В нашем примере значение Span автоматически устанавливалось равным 5 МГц. Установим его (аналогично описанной установке центральной частоты) на новое значение — 1 МГц, то есть сузим полосу обзора в пять раз — до ±0,5 МГц относительно центральной частоты. Спектр явно изменится, и пик станет менее острым (рис. 10).
Рис. 10. Спектр сигнала от опорного генератора после изменения центральной частоты
Заметьте, что пик расширился по основанию вовсе не в 5 раз, а заметно меньше. Почему? Дело в том, что ширина пика зависит не только от полосы обзора, но и от полосы фильтра ПЧ Res BW (или RBW). В нашем случае она выбирается автоматически и оказалась разной (рис. 8 и 10: 30 и 10 кГц соответственно).
Контроль амплитудных параметров
Кнопка Amplitude открывает меню контроля амплитудных параметров (рис. 11). Одним из важнейших амплитудных параметров является опорный уровень. Это максимальный уровень сигнала, соответствующий верхней линии шкалы масштабной сетки экрана. Он может устанавливаться в широких пределах.
Рис. 11. Меню амплитудных параметров и установка опорного уровня
Меню амплитудных параметров содержит следующие установки:
Установка опорного уровня и других амплитудных параметров может быть автоматической или ручной. При ручной установке используются цифровые клавиши или поворотная ручка. Если сигнал превышает опорный уровень, то он обрезается и появляется сообщение IF Overload (рис. 12). Этот случай можно устранить смещением опорного уровня или изменением ослабления аттенюатора. Иногда нужно увеличить ослабление аттенюатора.
Рис. 12. Пример превышения опорного уровня сигнала и установки ослабления аттенюатора
Амплитудные установки в анализаторе спектра физически означают задание режимов работы смесителя. Их неверный выбор может вызвать сильные нелинейные искажения сигнала и привести к появлению искажений сигнала, в частности, к появлению ложных составляющих спектра.
Управление фильтрами ПЧ и видеочастоты
Как уже отмечалось, полоса частот фильтра ПЧ Res BW (RBW) задает ширину спектральных пиков, Чем она уже, тем резче пики и меньше уровень шумов спектра. Управление фильтрами осуществляется из меню BW/Avg, вызываемого нажатием кнопки BW/Avg из группы кнопок Control. Эта кнопка находится в правом верхнем углу передней панели. Установив минимальное значение RBW = 300 Гц (у старых моделей оно равно 1 кГц), можно получить спектр, показанный на рис. 13. Спектр разительно изменился: его пик стал очень острым и похож на отрезок вертикальной прямой — почти как предсказанный теоретически спектр синусоиды. Заметно снизился и уровень шума: шумовая дорожка опустилась вниз почти до границы экрана. Но время построения спектра Sweep возросло до 44 с. При уменьшении VBW (а оно возможно до 10 Гц) время построения спектра доходит до многих сотен секунд, что обычно неприемлемо.
Рис. 13. Спектр сигнала от опорного генератора при выборе RBW = VBW = 300 Гц
Весьма эффектным методом уменьшения шума является усреднение заданного числа n спектров (задается командой Average — «усреднение»). На рис. 14 показан спектр при выборе RBW = VBW = 3 кГц и Average = 10 Гц (усреднение по 10 спектрам). Произошло дальнейшее существенное уменьшение уровня шума, при вполне приемлемом времени построения спектра (мене 4 с на 1 спектр и в 10 раз больше для усредненного спектра). Учтите, однако, что усреднение может привести к большим погрешностям при измерении амплитуды коротких пиков спектра и даже к их исчезновению.
Рис. 14. Спектр сигнала от опорного генератора при выборе RBW = VBW = 300 Гц
Выявление гармоник спектра почти синусоидального сигнала
С первого взгляда опорный генератор генерирует синусоидальный сигнал, спектр которого имеет один пик на частоте 10 МГц (рис. 8-11). Да и осциллограмма этого сигнала, снятая цифровым 1-Гц осциллографом DP04101 (рис. 15), показывает идеально чистую синусоиду.
Рис. 15. Осциллограмма сигнала опорного генератора
Но на самом деле сигнал все же имеет отклонения от синусоидальной формы, просто не заметные на глаз. Высокочувствительный анализатор спектра легко выявляет высшие гармоники в спектре сигнала, которые просто невозможно увидеть, рассматривая осциллограмму. И это одно из принципиальных и замечательных достоинств анализаторов спектра.
Выполните установки, показанные на рис. 16, и постарайтесь получить самостоятельно показанный на нем спектр. Обратите внимание на то, что установка центральной частоты на 50 МГц и полосы обзора на 100 МГц делает горизонтальную ось с ценой деления 10 МГц и дает диапазон частот от 0 до 100 МГц. Это позволяет наблюдать первую гармонику (первый большой пик) и до 10 высших гармоник. Отчетливо видны только вторая и третья гармоники. Уровень других оказался на уровне шумов, и они не заметны.
Рис. 16. Пример построения спектра сигнала опорного генератора с гармониками
Радиотракт анализатора спектра линеен только при малых уровнях сигнала. При больших уровнях он проявляет присущую ему нелинейность. Поэтому при больших уровнях сигнала можно обнаружить ложные гармоники, которые присущи сигналу, искаженному самим анализатором. Такое возможно при перегрузке анализатора (рис. 17).
Рис. 17. Пример появления ложных гармоник и негармонических искажений из-за перегрузки анализатора
Обратите внимание на два небольших пика перед пиком первой гармоники и на пик между пиками 7-й и 8-й гармоник. Такие пики обусловлены негармоническими искажениями, которые появляются также при перегрузке анализатора. Признаком перегрузки является ограничение амплитуды первой гармоники и появление предупреждающей надписи IF Overload на экране. Всегда избегайте перегрузки, для этого следует правильно выбрать опорный уровень и установить коэффициент ослабления сигнала входным аттенюатором.
Дисплей и линия экрана (горизонтальный курсор)
Современный анализатор спектра не просто прибор для построения графиков спектров, но и многофункциональный измеритель параметров сигналов — как частотных, так и амплитудных. Грубо эти параметры можно измерять по графику спектра с использованием масштабной сетки экрана. Однако при этом погрешность измерений велика — до нескольких процентов.
Тут уместно отметить, что удобный для просмотра графиков спектров жидкокристаллический дисплей современных анализаторов спектра плохо приспособлен для точных измерений из-за своего конечного разрешения (640×480 пикселей для анализаторов АКТАКОМ и АКИП). Этот недостаток заметно ослаблен специальной техникой курсорных и маркерных измерений, которые реализованы цифровыми методами.
Доступ к курсору (горизонтальной линии дисплея) дает кнопка Display («Дисплей») в группе кнопок контроля (Control). Она выводит меню, представленное на рис. 18.
Рис. 18. Экран с меню Display и горизонтальной линией экрана
Рис. 19. Полный экран (без меню)
Это меню содержит позиции:
Горизонтальная линия (курсор) экрана может плавно перемещаться вверх или вниз поворотной ручкой или устанавливаться в заданную позицию цифровыми клавишами. На рис. 18 показан пример установки этой линии на пик спектра и контроль его уровня. А на рис. 19 показан переход к полноэкранному изображению командой Full Screen. Линия дисплея здесь установлена в середине шумовой полоски спектра и позволяет оценить текущий средний уровень шума.