Бен Зарлинго (Ben Zarlingo), Agilent Technologies
В статье представлены новые средства и методы, которые полезны для обнаружения непериодических сигналов, дальнейшего их исследования и решения сложных радиочастотных проблем.
Для опытного радиоинженера немодулированные и периодические сигналы особых проблем не представляют. Однако проектирование и отладка значительно усложняются, если речь идет о быстро изменяющихся сигналах, причем проблема становится еще более сложной, если они соседствуют в плотно занятом спектре с такими же быстро изменяющимися сигналами. Такие ситуации часто встречаются при отладке радиолокационных систем, средств радиоэлектронной борьбы, беспроводных интерфейсов и систем радиосвязи. Во многих случаях реальные задачи приходится решать в условиях, когда взаимодействуют две и более различных технологий — иногда случайно, а иногда намеренно.
В последние годы были выпущены новые типы анализаторов сигналов и прикладного программного обеспечения, которые призваны помочь инженерам справиться с постоянно усложняющимися требованиями.
Работа в динамически меняющейся радиочастотной обстановке
Диапазон 2,45 ГГ ц, предназначенный для промышленных, научных и медицинских приборов (диапазон ISM), характеризуется наибольшим разнообразием и насыщенностью динамически изменяющихся сигналов. Во многих странах работа в этом диапазоне контролируется слабо, вследствие чего он оказывается сильно загруженным — его используют для беспроводных сетей, устройств Bluetooth и беспроводных телефонов. В этом же диапазоне излучают помехи мощные микроволновые печи.
Поскольку работа передатчиков в диапазоне ISM не координируются централизованно, возникает проблема их сложного взаимодействия, порожденного взаимными помехами, переизлучением и т.д. При определенной загрузке канала возникающие взаимные помехи и переизлучения дополнительно нагружают канал, что может привести к внезапному обрыву соединения (так называемому пороговому эффекту).
Такие операции как сканирование каналов бывают, как правило, кратковременными, широкополосными и редкими: занимают доли секунды, десятки мегагерц и происходят раз в несколько секунд или минут. Это делает их трудно обнаруживаемыми с помощью традиционного свипирования или БПФ-анализа. Вот здесь-то и выходят на сцену анализаторы спектра реального времени. К счастью, такие анализаторы представлены теперь не только дорогостоящими специализированными измерительными приборами, но и выпускаются в виде опций обновления для широко распространенных анализаторов сигналов, таких как Keysight (Agilent) PXA и MXA.
Удержание пикового значения решает не всё
Диапазон ISM (2,45 ГГ ц) является одновременно и динамичным, и сложным — хороший пример проблем, свойственных анализу быстро изменяющихся сигналов. Как показано на рисунке 1, традиционный свипирующий анализ спектра неэффективен для исследования активности сигналов в этом диапазоне.
Рис. 1. Одновременное присутствие нескольких быстроизменяющихся сигналов в полосе 100 МГц затрудняет исследование с помощью свипирующего анализатора спектра даже с помощью удержания пиковых значений в течение длительного интервала
1. Однократное свипирование (быстрое, но медленный возврат)
2. Удержание пика (короткое)
3. Удержание пика (длительное)
В зависимости от охвата спектра и времени одно свипирование анализатора спектра может или совсем ничего не показать, или показать только часть одного или нескольких сигнальных пакетов. Такие измерения плохо поддаются интерпретации, особенно из-за динамического взаимодействия изменения полосы фильтра ПЧ (RBW) анализатора с изменениями самого сигнала.
Функция удержания пикового значения является полезным инструментом анализа некоторых аспектов сигнальной среды, и длительное измерение в режиме удержания пика в конечном итоге отловит большинство сигналов в исследуемом диапазоне. Однако длительное измерение в этом режиме часто приводит к тому, что некоторые сигналы могут маскировать собой другие сигналы, как показано в правой части рисунка 1.
Анализатор спектра реального времени предлагает высокоэффективную альтернативу. Благодаря быстрой обработке и расширенным режимам отображения он идеально подходит для исследования динамичных сигнальных сред, как показано на рисунке 2.
Рис. 2. Если вместо свипирующего анализатора спектра использовать анализатор спектра реального времени в режиме отображения плотности спектра, то можно быстро выявлять все сигналы, присутствующие в этом диапазоне
Режим отображения плотности спектра анализатора реального времени позволяет мгновенно исследовать ISM-диапазон и содержащиеся в нем сигналы. Измерения выполняются без промежутков, все выборки сигналов представляются на дисплее, и это позволяет сразу увидеть большинство сигналов исследуемого диапазона.
Режим отображения плотности спектра информационно насыщен и очень динамичен, обновляясь примерно 30 раз в секунду с настраиваемым временем послесвечения. При скорости быстрого преобразования Фурье (БПФ) почти 300 тыс. отсчетов в секунду каждое обновление экрана в анализаторе спектра реального времени представляет около 10 тыс. спектров. В результате мы получаем быстрое отображение, не отстающее от активности сигналов в диапазоне и способное показать мельчайшие подробности в виде одних сигналов на фоне других, а также сигналы вблизи уровня собственных шумов анализатора, даже если они малы и появляются редко.
Тем не менее, следует отметить, что объединение 10 тыс. спектров на одном экране может привести к одновременному отображению сигналов, появившихся в разное время. Например, сигналы, которые выглядят на рисунке 2 как многотональные, являются на самом деле повторяющимися частотными скачками Bluetooth.
Контроль изменений во времени
Другой способ исследования поведения сигнала во времени заключается в представлении спектра в режиме реального времени (см. рис. 3). По вертикальной оси этой спектрограммы отложено время, что позволяет выявлять важные аспекты поведения сигнала.
Рис. 3. Спектрограмма диапазона ISM показывает поведение сигналов в течение нескольких секунд, демонстрируя большинство сигналов WLAN и Bluetooth
Здесь множество скачков Bluetooth образуют повторяющуюся структуру, а другие пакеты выглядят обособленными, в основном, в верхней половине спектрограммы. Стоит также обратить внимание на диагональные линии, перемещающиеся между широкими WLAN-каналами в нижней половине спектрограммы. Они могут быть результатом сканирования канала и время от времени появляются в представлении плотности спектра.
В верхнем правом углу дисплея видны настройки времени захвата, которые определяют режим объединения отдельных спектров в отображаемый спектр (верхняя кривая) и в отдельные спектральные линии основного окна. Продолжительные захваты объединяют больше спектров в каждой линии и замедляют обновление спектрограммы. Это позволяет представлять на одной спектрограмме более длительные интервалы времени.
Уменьшение времени захвата для каждого обновления — отображения спектра или линии спектрограммы — дает лучшее разрешение по времени, как показано на рисунке 4. В таких случаях буфер и дисплей охватывают меньший интервал времени и, следовательно, могут не показать некоторых событий, требующих продолжительного наблюдения. Однако большее разрешение по времени позволяет выявить динамику быстротекущих явлений в спектре.
Рис. 4. Выбор времени захвата 1 мс вместо 30 мс повышает разрешение по времени, выявляя тонкую структуру пакетов WLAN и скачков Bluetooth
В этом случае повышенное разрешение по времени показывает больше деталей отдельных пакетов WLAN и скачков Bluetooth. Становятся ясными две вещи: скачки Bluetooth, накладывающиеся на пакеты WLAN по частоте, зачастую не перекрываются по времени, и в результате взаимные помехи возникают не так часто, как можно было предположить по предыдущему режиму отображения. Заметьте, однако, что каждая спектральная линия по-прежнему представляет сотни отдельных результатов БПФ, полученных от измерительной системы реального времени.
Векторный анализ сигналов
Поиск ускользающих сигналов или событий — это, зачастую, лишь первый шаг на пути к выявлению и решению проблем или к оптимизации характеристик оборудования. На следующем этапе используется мощное дополнение к анализатору спектра реального времени — программное обеспечение (ПО) векторного анализа сигналов (VSA), предоставляющее возможности для более глубокого исследования. ПО VSA обычно использует те же методы обработки сигналов, которые применяются в свипирующих анализаторах с цифровой обработкой сигнала ПЧ. ПО VSA добавляет возможности непрерывного захвата сигнала и векторной обработки, например, аналоговой и цифровой демодуляции.
Зачастую векторный анализ сигналов начинается с быстрого преобразования Фурье (БПФ) оцифрованного сигнала ПЧ. Для быстро меняющихся сигналов и динамичных сред анализ БПФ устраняет нестабильность измерений и погрешности, свойственные свипирующему фильтру ПЧ. Все спектральные измерения выполняются путем расчета по блоку или временному интервалу оцифрованного ПЧ-сигнала, поступающего от совместимого анализатора спектра/сигналов или анализатора спектра реального времени. ПО VSA позволяет выбрать из данных, используемых для БПФ, любую часть записанного интервала с целью дальнейшего анализа.
Типичное время записи векторных анализаторов сигналов сравнительно невелико и не превышает 1 тыс. выборок, что близко соответствует максимальной длине записи, применяемой в анализаторах реального времени. Результирующий спектр показан в верхней части рисунка 5.
Самый длинный интервал записи, доступный в ПО VSA (например, более 400 тыс. точек в ПО Keysight (Agilent) 89600 VSA), даст лучшее представление нескольких сигналов и значительно большую эффективную вероятность захвата. Используя длинную запись и улучшенные режимы отображения, такие как послесвечение и плотность спектра, можно создавать информационно насыщенные представления сигналов, значительно более близкие к режиму реального времени (см. рис. 5).
Рис. 5. БПФ-анализ короткой записи (вверху) обеспечивает очень малую вероятность захвата. Для быстро меняющихся сигналов большая вероятность захвата получится при более длинной записи (в середине) и в лучшем режиме отображения, таком как цветное послесвечение (внизу)
Всеобъемлющее представление
Способность ПО VSA захватывать большие непрерывные блоки выборок особенно полезна для анализа быстро меняющихся сигналов, как самих по себе, так и в сложной сигнальной среде. Рассматриваемый ранее диапазон ISM снова показан на рисунке 6, где организован большой буфер захвата при воспроизведении, тогда как непрерывная спектрограмма перекрывает интервал около 26 мс. Пакеты WLAN, скачки Bluetooth и беспорядочные помехи от микроволновых печей видны очень хорошо. Для анализа или демодуляции можно выбрать из большой памяти захвата любой отдельный сигнал или пакет.
Рис. 6. Спектрограмма, созданная при воспроизведении большого непрерывного интервала, подробно показывает все события в диапазоне ISM с высоким разрешением по времени
Очень хорошо видно поведение всех сигналов диапазона ISM по времени и частоте, причем разделительные маркеры установлены через 16,7 мс (60 Гц) для проверки частоты питающей сети, к которой подключена микроволновая печь. Удачные и неудачные взаимодействия сигналов в спектре видны очень хорошо, причем функции последующей обработки ПО VSA позволяют выбрать из захваченных данных любой сигнал или пакет для измерения и демодуляции.
Эволюция продолжается
Сложные и динамичные сигнальные среды затрудняют передачу полезных данных. К счастью, такие средства как анализаторы спектра реального времени и программное обеспечение VSA помогают радиоинженерам решать постоянно усложняющиеся проблемы проектирования и отладки. Эти инструменты должны постоянно совершенствоваться, чтобы не отстать от развития беспроводных интерфейсов, которые становятся все более скоростными и широкополосными.
