Глава 8

Современные анализаторы спектра

На протяжении предыдущих глав мы разобрали фундаментальную архитектуру анализатора спектра и получили основные понятия о проведении измерений в частотной области. На практике, сегодняшние анализаторы спектра должны уметь справляться со многими дополнительными задачами, чтобы удовлетворять всем требованиям современных измерений. Эти задачи включают в себя:

• обеспечение измерений в специфичных задачах: мощности соседних каналов, коэффициента шума, фазовых шумов;
• обеспечение измерений для анализа цифровой модуляции в соответствии с индустриальными или регуляционными стандартами (GSM, cdma2000, 802.11, Bluetooth);
• проведение векторного анализа сигналов;
• сохранение данных;
• вывод данных на печать;
• передача данных через шину ввода/вывода в компьютер;
• обеспечение возможности дистанционного управления посредством GPIB, LAN, Internet;
• предоставление возможности обновления вшитых программ для включения новых возможностей или устранения дефектов;
• обеспечение возможности самокалибровки, устранения неисправностей, диагностики и починки;
• совместимость и возможность работы с опциональным оборудованием и/или программным обеспечением для расширения возможностей.

Специфические измерительные задачи
Вдобавок к измерениям основных характеристик сигнала - частоты и амплитуды - зачастую возникает потребность в проведении специфического измерения определенных параметров сигнала. Это, к примеру, может быть измерение мощности в канале и измерение мощности в соседних каналах, которое было рассмотрено нами в Главе 6. У многих сегодняшних анализаторов спектра эти функции являются уже встроенными. Нам нужно только задать полосу каналов и расстояние между ними, а затем запустить автоматическое измерение простым нажатием кнопки.

Комплементарная интегральная функция распределения (CCDF), показывающая статистику мощности, - еще один пример измерительной возможности, которая все чаще встречается в современных анализаторах спектра. Это проиллюстрировано на Рис. 8-1. CCDF-измерения предоставляют статистическую информацию, показывающую процент времени, которое мгновенная мощность сигнала превышает средний уровень мощности на заданное количество дБ. Эта информация полезна при конструировании, к примеру, усилителей мощности, где важно обрабатывать мгновенные пики сигнала с минимальным искажением, одновременно минимизируя стоимость, массу и энергопотребление устройства.
Другими примерами встроенных измерительных функций могут служить измерения занимаемой полосы, гармонических искажений и искажений перехвата третьего порядка (TOI), а также паразитного излучения. Настройки прибора - центральная частота, полоса обзора, полоса разрешения - для этих измерений зависят от определенных радио-стандартов, в соответствии с которыми исследуется конкретное устройство. У большинства современных анализаторов спектра эти настройки хранятся в памяти, так что пользователь может просто выбрать необходимый радио-стандарт из списка (GSM/EDGE, cdma2000, W-CDMA, 802.11a/b/g и т.п.) и провести измерения надлежащим образом.

Конструкторы СВЧ-устройств часто заинтересованы в знании коэффициента шума своих устройств, поскольку он напрямую влияет на чувствительность приемников и других систем. У некоторых анализаторов спектра - например, у моделей серий PSA и ESA-E, - есть дополнительная возможность измерения коэффициента шума. Эта опция предоставляет возможность управления источником шума, который необходимо подключить к входу исследуемого устройства, а также использовать программные средства, требуемые для автоматизирования процесса измерения и вывода результатов. На Рис. 8-2 показаны типичные результаты подобного измерения, содержащие коэффициент шума исследуемого устройства (верхняя трасса) и усиление (нижняя трасса) в зависимости от частоты. Для более подробной информации об измерениях коэффициента шума см. документ Agilent Application Note 1439, Measuring Noise Figure with a Spectrum Analyzer.

Аналогично, измерение фазовых шумов - обычная процедура при исследовании работы генераторов. В системах связи с цифровой модуляцией фазовый шум может негативно повлиять на значение коэффициента битовых ошибок. Фазовый шум также способен снизить способность доплеровских радарных систем захватывать импульсы, отраженные от цели. Многие анализаторы фирмы Agilent, включая модели серий ESA, PSA и 8560, могут предложить опциональные возможности измерения фазового шума. Они предоставляют программные средства для управления измерением и выводом результатов измерений фазового шума в зависимости от частотной отстройки от несущей, как показано на Рис. 8-3.

Анализ цифровой модуляции
У обычных систем беспроводной связи, используемых нынче по всему миру, есть предписанные техники измерения параметров, установленные организациями, разрабатывающими стандарты, или же государственными органами регулирования. И в анализаторах спектра сегодня обычно можно встретить опциональные возможности по проведению ключевых измерений для различных форматов связи. Например, если нам надо протестировать передатчик на предмет соответствия стандарту беспроводной связи Bluetooth, нам нужно измерить такие параметры, как:

• среднюю/пиковую выходную мощность
• модуляционные характеристики
• начальный частотный допуск несущей
• дрейф частоты несущей
• полосу/канал слежения
• обзор модуляции
• полосу по уровню 20 дБ
• мощность смежных каналов

Такие измерения возможно провести на приборах серии ESA-E с соответствующими опциями. Для более подробной информации об измерениях в рамках стандарта Bluetooth см. документ Agilent Application Note 1333, Performing Bluetooth RF Measurements Today. Опции для проведения измерений по другим стандартам связи доступны для приборов серии ESA-E, включая стандарты cdmaOne и GSM/GPRS/EDGE.

Измерительные возможности для широкого ассортимента стандартов беспроводной связи также доступны для анализаторов серии PSA, включая:
• GSM/EDGE
• W-CDMA
• HSDPA
• cdma2000
• 1xEV-DO
• 1xEV-DV
• cdmaOne
• NADC and PDC
• TD-SCDMA

На Рис. 8-4 показано измерение амплитуды вектора погрешностей, проводимое для сигнала GSM/EDGE. Этот тест помогает провести диагностику модуляционных искажений или искажений усиления, которые ведут к битовым ошибкам в приемнике.

Не все системы цифровой связи основаны на подробно сформулированных индустриальных стандартах. Инженерам, работающим с нестандартными запатентованными системами или с системами еще только разрабатывающихся стандартов, необходимо больше гибкости для анализа векторно-модулированных сигналов в изменяющихся условиях. Обеспечить это можно двумя способами. Во-первых, во многих анализаторах спектра имеются возможности персонализации модуляционного анализа. Во-вторых, более обширный анализ можно провести при помощи программного обеспечения, установленного на внешний компьютер. Например, программное обеспечение для векторных анализаторов сигнала серии Agilent 89600 может быть использовано с анализаторами спектра серий ESA и PSA для обеспечения многостороннего и гибкого векторного анализа сигнала. В этом случае анализатор спектра работает как радиочастотный понижающий преобразователь и цифровой преобразователь. Программное обеспечение работает с анализатором спектра посредством соединения GPIB или LAN, и передает IQ-данные в компьютер, где и производится векторный анализ сигнала. Измерительные настройки - тип модуляции, скорость передачи, фильтрация, время запуска и длительность регистрации - можно изменять по необходимости, в зависимости от конкретного исследуемого сигнала.

Сохранение и печать данных
По окончании измерения вполне закономерно желание как-то зафиксировать и сохранить полученные данные. Возможно, нам будет достаточно просто сделать быструю распечатку с дисплея прибора. В зависимости от конкретных моделей анализатора и принтера, соединить их можно по параллельному порту, RS-232 или GPIB.
Очень часто нам важнее сохранить результаты измерения в виде файла данных - либо в собственную память анализатора, либо на универсальный внешний накопитель (например, гибкий диск). В таком случае нас могут заинтересовать различные формы представления данных, которые мы желаем сохранить. Это включает:

• Графический образ изображения на дисплее. - Желательно, в распространенном формате файла, вроде BMP, gif или Windows metafile.
• Данные трассы. - Сохраняются в виде пар координат X-Y, представляющих точки частоты и амплитуды на экране. Количество пар данных может варьироваться. Современные анализаторы спектра - например, приборы серии ESA и PSA, - позволяют выбирать разрешение экрана, устанавливая от минимум 2 до максимум 8192 дисплейных точек на экране. Такой формат данных хорошо подходит для использования в электронных таблицах при работе на компьютере.
• Состояние прибора. - Необходимо для протоколирования настроек анализатора спектра: центральной частоты, полосы обзора, опорного уровня и т.п., которые использовались при проведении измерения. Совпадение тестовых настроек очень важно для проведения повторяемых измерений по прошествии некоторого времени.

Большинство анализаторов спектра фирмы Agilent поставляются с копией программного обеспечения Agilent’s IntuiLink. Оно позволяет переводить данные о трассе или о настройках прибора непосредственно в электронную таблицу Microsoft Excel или в документ Word.

Передача данных и дистанционное управление прибором
В 1977 году компания Agilent Technologies (в то время еще в составе Hewlett-Packard) создала первый в мире анализатор спектра, управляемый по GPIB - модель 8568А. Интерфейс GPIB (также известный как HP-IB или IEEE-488) сделал возможным управление всеми главными функциями анализатора с внешнего компьютера и передачу данных трассы на компьютер. Это новшество проложило путь множеству автоматизированных измерений спектра, которые оказались более быстрыми, чем измерения с ручным управлением, и обладали более высокой повторяемостью. А данные измерений, передаваемые на компьютер, можно было сохранять на диск, анализировать, корректировать и обрабатывать всевозможными способами.

Сегодня автоматическое контрольно-измерительное оборудование стало нормой, и практически все современные анализаторы спектра поставляются со множеством встроенных интерфейсов. Самым распространенным так и остался GPIB, но в последние годы значительно возросла популярность подключения по Ethernet LAN, поскольку оно обеспечивает высокую скорость передачи данных на большое расстояние, а также легко интегрируется в любое соединенное с компьютерной сетью окружение. Да и другие стандартные интерфейсы, которые широко применяются в компьютерной индустрии, скорее всего, найдут воплощение в составе анализаторов спектра в будущем, что облегчит соединение прибора и компьютера.

Доступен ряд коммерческих программных продуктов для обеспечения управления анализатором спектра удаленно через шину ввода/вывода. Также можно написать и собственное программное обеспечение для управления прибором, причем несколькими разными способами. Один из методов - это посылать программирующие команды напрямую в анализатор. Старые модели обычно использовали собственные фирменные наборы команд, но новые инструменты - например, серии Agilent ESA и PSA, - используют команды общего промышленного стандарта SCPI («стандартные команды для программируемых приборов»). Более распространенный способ - использовать стандартные программные драйверы, например VXI plug&play, которые позволяют пользоваться функциональными командами высокого уровня без необходимости подробного знания составных команд SCPI. Не так давно появилось новое поколение драйверов, независимых от языка, под названием IVI-COM («заменяемый виртуальный инструмент»), которые можно использовать в работе с моделями серий ESA и PSA. Драйверы IVI-COM основаны на стандарте Microsoft Component Object Model и работают в ряде PC-приложений и сред разработки, таких как Agilent T&M Programmers Toolkit и Microsoft Visual Studio .NET.

Некоторые задачи требуют, чтобы управление анализатором спектра и сбор данных с него проводились с очень большого расстояния. Например, может возникнуть потребность в слежении за спутниковыми сигналами, когда оператор находится в центре управления, а данные собираются с удаленных станций слежения, находящихся за сотни, а то и тысячи километров от центра. Анализаторы спектра серий ESA и PSA имеют программные опции, которые позволяют управлять прибором, захватывать изображение с экрана и передавать данные трассы по сети Internet посредством стандартного web-обозревателя.

Обновление прошивок
Внутри современных анализаторов спектра содержится намного больше программного обеспечения, чем в приборах, созданных буквально несколько лет назад. И по мере добавления новых возможностей в программы или исправления ошибок, очень желательно обновить прошивки уже готовых приборов, чтобы воспользоваться преимуществами проделанных улучшений.

Свежайшие версии прошивок для анализаторов спектра можно найти на веб-сайте Agilent Technologies. Оттуда их можно сохранить себе на компьютер в виде файла. Простейший метод перенести новые прошивки в свой анализатор - это скопировать их при помощи дискет. Некоторые модели, включая приборы серии PSA, позволяют записать новые прошивки непосредственно в анализатор через порт Ethernet LAN. Рекомендуется периодически заглядывать на веб-страничку, посвященную вашей модели анализатора спектра, и проверять, не обновились ли версии прошивки.

Калибровка, устранение неисправностей, диагностика и ремонт
Анализаторы спектра нуждаются в периодической калибровке, которая обеспечивает уверенность в том, что прибор соответствует всем своим заявленным спецификациям. Обычно ее проводят раз в год. Однако, помимо этих ежегодных калибровок, прибор надлежит периодически настраивать, чтобы скомпенсировать тепловой дрейф и эффекты старения. Современные анализаторы спектра, такие как приборы серий ESA и PSA, обладают встроенными процедурами такой настройки, которые активируются при включении прибора, во время обратной трассировки через определенные интервалы времени, или при изменении внутренней температуры прибора. Эти процедуры постоянно подстраивают прибор, поддерживая его заявленные рабочие параметры. Раньше приходилось включать анализаторы в условиях неизменной температуры и держать включенными минимум тридцать минут, чтобы прибор достиг своих заявленных спецификаций. Автоподстроечные процедуры позволяют современным инструментам выйти на заявленный рабочий режим уже через пять минут после включения.

Сегодняшние анализаторы спектра обычно имеют в своем составе программное сервисное меню. С его помощью можно осуществлять полезные диагностические функции, например, проверку органов управления внешней панели. Также можно выводить на экран подробности процесса автоподстройки или список опциональных персонализированных настроек, установленных в приборе. Когда возникает необходимость установить новую персонализированную настройку для определенного рода измерений, фирма Agilent предоставляет уникальный лицензионный ключ для нее, привязанный к серийному номеру прибора. Этот ключ вводится с клавиатуры передней панели и активирует вшитую опциональную измерительную возможность.

Заключение
Целью данной книги является предоставить читателю широкий обзор основных концепций и понятий об анализаторах спектра. Однако, вполне предсказуемо желание ознакомиться подробнее со многими другими темами, связанными со спектральным анализом. Подходящим местом, с которого можно начать, является веб-сайт Agilent Technologies по адресу www.agilent.com, на котором можно воспользоваться функцией поиска по теме «анализатор спектра».

Подразделение Анализа Сигналов компании Agilent Technologies посвящает этот документ Блэйку Питерсону (Blake Peterson), который не так давно отошел от дел, посвятив 46 лет безупречной работе в области инженерного проектирования и технического обучения сотрудников и клиентов Agilent. Среди его прочих заслуг есть и то, что он явился автором предыдущей редакции данного документа.