Развитие беспроводных технологий ставит перед инженерами, занимающимися тестированием и сертификацией беспроводных устройств, новые задачи. Быстрые изменения отраслевых стандартов и оборудования конечных пользователей заставляют серьезно задуматься и производителей, поскольку контрольно-измерительные приборы должны идти в ногу с новейшими исследованиями, а для эффективного проектирования они должны опережать требования новых стандартов.
Анализаторы спектра и сигналов являются показательным примером этого взаимосвязанного и разностороннего развития. Новейшие модели этих приборов демонстрируют преимущества расширенной функциональности, которая дает возможность решать быстро меняющиеся задачи без дополнительных расходов и нарушений, вызванных необходимостью постоянной замены контрольно-измерительного оборудования.
Современные анализаторы спектра для беспроводных систем
В течение 30 лет беспроводные системы и оборудование для их тестирования развивались под влиянием схожих технологических принципов. При этом особое внимание уделялось диапазону частот, в котором работают полупроводниковые устройства, и основным характеристикам, таким как энергоэффективность, уровень шума и др. Однако самые серьезные изменения, связанные с архитектурой устройств, были вызваны переходом к цифровым технологиям. Они привели к появлению аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, мощных цифровых сигнальных процессоров и программного обеспечения. Все это связано с непрерывным развитием цифровых ИС, описанным законом Мура.
В результате для анализа ВЧ- и СВЧ-сигналов пришлось перейти от свипирующих анализаторов спектра к анализаторам сигналов и их дальнейшему развитию — векторным анализаторам сигналов и анализаторам спектра реального времени. Основная причина перехода состоит в замене аналоговой обработки сигналов промежуточной частоты (ПЧ) цифровой обработкой (рис. 1).
Рис. 1. Упрощенная блок-схема анализаторов спектра и сигналов
При переходе от анализатора спектра к анализатору сигналов можно расширить диапазон частот и использовать более гибкие возможности по сравнению с обычными свипирующими анализаторами спектра. Комплексные величины синфазной и квадратурной составляющей I/Q сигнала, получаемые в результате цифровой дискретизации конечного сигнала ПЧ, дают полное представление обо всей полосе пропускания по ПЧ и позволяют выполнять все типы анализа с помощью цифрового сигнального процессора (DSP).
Первые ВЧ/СВЧ анализаторы сигналов с полностью цифровым трактом ПЧ позволили плавно и эффективно объединить технологии свипирования и БПФ при анализе спектра. Они также имеют «цифровой выход», сигнал с которого обрабатывается внешним программным обеспечением векторного анализа сигналов (VSA). Это ПО расширяет функциональные возможности анализатора, в частности, обеспечивает гибкую демодуляцию аналоговых и цифровых сигналов, их захват и воспроизведение для постобработки.
Полностью цифровой тракт ПЧ в анализаторах сигналов облегчает работу с быстро изменяющимися цифровыми сигналами. В настоящее время широкополосные технологии, такие как скачкообразное изменение частоты и мультиппексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), все чаще применяются в системах с импульсной или пакетной передачей, делая возможным совместное использование частотных каналов или целых диапазонов частот. Измерения, необходимые для разработки, диагностики и производства систем беспроводной связи такого типа, позволяет выполнять только цифровая архитектура тракта ПЧ.
ПЛИС и модульная архитектура
Расширение полосы модуляции в беспроводных системах вызвало повышение быстродействия АЦП и цифровых сигнальных процессоров, а также расширение полосы пропускания цифровых трактов ПЧ в современных анализаторах сигналов. Эти дополнительные усовершенствования, частично основанные на тех же аналоговых и цифровых технологиях, позволяют выполнять анализ в режиме реального времени.
Доступные в течение нескольких последних лет анализаторы сигналов реального времени выдают спектр мощности (в скалярной, а не векторной форме), который рассчитывается с достаточно высокой скоростью. Это позволяет обрабатывать в тракте ПЧ все выборки, поступающие с выхода АЦП, для отображения или обновления спектра на дисплее. Это означает, что ни один сигнал из полосы измерения (например, конечной полосы ПЧ) не будет пропущен. Поток спектральных данных обычно передается со скоростью, достигающей сотен тысяч спектров в секунду, что затрудняет просмотр отдельных спектров, поэтому в анализаторах реального времени используются специальные режимы их отображения.
Анализаторы спектра реального времени отображают спектр в виде гистограммы с градацией цветов. Эта очень удобная функция позволяет мгновенно оценивать частоту появления той или иной спектральной составляющей (рис. 2). Анализаторы сигналов Agilent серии Х обладают достаточными ресурсами и гибкостью, для такого анализа. В этих приборах для обработки сигналов используются ПЛИС и специализированные ИС с легко изменяемой конфигурацией.
Рис. 2. Представление спектра в реальном времени в виде гистограммы с градацией цветов
Использование нового внешнего и встроенного ПО позволяет расширить возможности существующих анализаторов сигналов так, чтобы они могли выполнять анализ спектра в реальном времени и другие функции. К функциям, имеющимся у анализатора сигнала, добавляются отображение спектра в виде гистограммы с градацией цвета, спектрограммы или зависимости мощности от времени. Подход, основанный на модернизации, предоставляет ряд преимуществ по сравнению со сбором данных с помощью специализированного анализатора спектра реального времени:
- модернизация дешевле покупки нового прибора;
- состав и соединения измерительной схемы упрощаются благодаря меньшему числу используемых анализаторов;
- упрощение обучения и программирования за счет использования одного прибора, интерфейса пользователя и набора команд.
Модульная архитектура некоторых современных анализаторов сигналов также обеспечивает преимущества по мере развития следующего поколения беспроводных технологий. Например, такие характеристики анализатора, как ширина полосы пропускания по ПЧ и вычислительная мощность, могут наращиваться по мере усложнения сигналов и увеличения их полосы модуляции.
Использование обработки в режиме реального времени
Вычислительная мощность анализаторов сигнала реального времени позволяет выполнять измерения по запуску от триггера вместо непрерывных измерений. При этом спектры отдельных сигналов (до нескольких сотен тысяч в секунду) сравниваются с предельными значениями или масками. Существует возможность определения условий попадания сигнала в маску или выхода за ее пределы. Частотная маска представляет собой комбинацию предельных значений амплитуд и частот, точно соответствующую спецификациям радиосигналов конкретных стандартов беспроводной связи. Поскольку при использовании маски не теряется никакой информации о сигнале в выбранном диапазоне частот, то данный режим позволяет оценивать поведение непериодических и сложных сигналов, что невозможно при других типах запуска.
Во многих беспроводных приложениях в диапазоне выделенных частот присутствует несколько сигналов, характеристики которых могут сильно различаться. При запуске по частотной маске можно эффективно контролировать интересующий вас диапазон частот с целью измерения характеристик одного из нескольких сигналов (рис. 3).
Рис. 3. Запуск по частотной маске
Запуск по частотной маске можно использовать для мониторинга нестабильности сигналов или поиска неправильного поведения сигналов при перестройке или скачкообразном изменении частоты или амплитуды. Такие искажения трудно захватить и идентифицировать, особенно в сложных условиях современной радиоэлектронной обстановки.
Комбинация запуска в реальном времени с векторным анализом сигналов
Расширенные функциональные возможности анализатора сигналов особенно заметны при объединении запуска в реальном времени и векторного анализа сигналов. Измерения спектра мощности, даже в режиме реального времени, дают ограниченное представление о переходах, сигналах с векторной модуляцией и сложной сигнальной обстановке.
Работа с сигналами при диагностике и отладке беспроводных систем требует более глубокого и гибкого анализа с помощью ПО Agilent 89600 VSA, которое в последнее время широко применяется на различных аппаратных платформах.
В ПО VSA запуск по частотной маске может использоваться для инициализации одиночного измерения любого типа. При этом можно ввести опережение и задержку запуска. Опережение запуска очень полезно для анализа данных, собранных до наступления события запуска с целью получения информации о причине запуска.
Совместное использование запуска по частотной маске и векторного анализа сигналов наиболее эффективно, когда при запуске вместо отдельного измерения инициируется операция захвата параметров в зависимости от времени.
При таком захвате в память записывается непрерывный поток данных о сигналах в пределах всей полосы пропускания. Данные сохраняются для гибкой пост обработки и воспроизведения. Главное преимущество захвата и воспроизведения состоит в том, что большие блоки непрерывных выборок доступны для различных видов анализа, настройки которых можно изменять и снова выполнять анализ без повторного захвата сигнала.
Непрерывный захват данных при использовании запуска в реальном времени позволяет производить измерения переходных процессов и основных параметров модуляции, в том числе при воздействии помех. Функция запуска/записи дает возможность повторно обрабатывать данные для повышения точности измерения сигналов малой длительности, поскольку ПО VSA разрешает использовать разные типы взвешивания для лучшего представления переходных процессов.
Все эти возможности позволяют уверенно захватывать редкие события и тщательно их анализировать, а затем сохранять данные и передавать их в САПР или ВЧ/СВЧ-генераторы, способные воспроизводить такие сигналы.
Заключение
Анализаторы сигналов и беспроводные системы развиваются параллельно под влиянием одних и тех же технологий.
Современные анализаторы сигналов построены на гибких модифицируемых платформах, которые позволяют непрерывно расширять возможности и функциональность приборов для эффективной разработки беспроводных систем.
