eng
Современный уровень развития радиочастотных (РЧ) технологий диктует новые требования к средствам измерений, применяемым для разработки, отладки и производства устройств, где эти технологии используются. Необходимо проводить измерения и анализ сигналов, которые занимают полосы частот до нескольких гигагерц и спектр которых существенно изменяется во времени. Автор рассматривает ряд характерных проблем, возникающих в рамках таких задач, и возможности современной аппаратуры для их решения.
Сегодня радиочастотные технологии проникают практически во все области современной жизни и, как следствие, существенно уплотняется радиочастотный спектр. РЧ-спектр становится все более дорогим и все менее доступным ресурсом. Это привело к необходимости высокоэффективного и правильного использования выделенных участков спектра. Данная проблема особенно остро стоит перед разработчиками коммерческих систем связи и передачи данных. Еще в 40-х годах прошлого века К.Шеннон в своей работе "Математическая теория связи" [1] показал, что увеличение пропускной способности каналов связи может быть достигнуто как за счет расширения полосы частот, занимаемой сигналом, так и за счет применения сложных видов модуляции, в частности цифровой. Оба этих метода сегодня применяются. Однако оказалось, что их использование ограничено отсутствием необходимых средств измерений. Современные РЧ-сигналы передаются пакетами, могут носить ярко выраженный импульсный характер, изменять вид модуляции в зависимости от состояния канала связи. В результате спектральные характеристики таких сигналов изменяются во времени. Это существенно ограничивает или делает невозможным применение традиционных для разработчиков РЧ-аппаратуры средств измерений, в частности традиционных анализаторов спектра (АС) и генераторов сигналов (ГС). Более того, с такими же проблемами сталкиваются и надзирающие органы, которым нередко трудно обнаружить и идентифицировать источники импульсных помех.
Для иллюстрации приведем пример. Одна из российских компаний разработала двухстороннюю систему автоматической передачи данных для газовой компании на основе РЧ-интерфейса ZigBee [2]. Опытные экземпляры изделия были отосланы в Германию для проверки на соответствие стандарту. Ответ из испытательной лаборатории был отрицательным – изделие не прошло проверку по причине "больших гармонических искажений" (рис.1).
Разработчики тщательно искали возможные нелинейности, но безрезультатно. На поиски было затрачено много времени – свыше недели. Более того, с помощью имеющегося у разработчиков анализатора спектра была получена картинка (рис.2), которая существенно отличалась от присланной из испытательной лаборатории – на ней не было "лишних" максимумов по бокам от основной гармоники. Разработчики зашли в тупик и обратились к автору с просьбой о помощи. Анализ имеющихся материалов навел на мысль, что разница в полученных изображениях спектра вызвана тем, что они зафиксированы на разных участках сигнала, поскольку сигнал ZigBee передается пакетами. Для обнаружения и идентификации источника проблем автор применил анализатор спектра реального времени Tektronix RSA6114A. Для начала нужно было понять, почему изображения спектра так отличаются друг от друга. В испытательной лаборатории в Германии использовался традиционный анализатор спектра в режиме пик-детектора. Поэтому RSA6114A был включен в режиме обычного АС с пик-детектором. После примерно пяти минут накопления изображение на экране RSA практически совпало с изображением, полученным из Германии (рис.3). Однако этот факт не продвинул нас в поиске источника проблем ни на шаг. Все дело в том, что традиционный АС отображает спектр одной кривой, соответствующей максимальной мощности в заданной полосе частот, и не позволяет судить о временной структуре спектра (изменении спектра во времени). Для отображения временной структуры спектра идеально подходит система отображения спектральной информации DPX, которая входит в состав программного обеспечения анализатора спектра Tektronix RSA6114A. Она дает возможность выводить на экран монитора гистограмму, построенную на основе множества спектров, полученных в различные моменты времени (рис.4, слева). Цвет на этой гистограмме характеризует число появлений того или иного спектра в единицу времени (синий цвет – минимальное число, красный – максимальное).
При этом если традиционный АС способен обновлять изображение спектра не чаще 100 раз в секунду, то RSA6114A делает это более 48000 раз в секунду! При включении режима DPX (см. рис.4), стало ясно, что в основное время спектр сигнала соответствует требованиям стандарта, однако на спектр полезного сигнала наложен спектр помехи, которая присутствует не постоянно. Чтобы определить момент возникновения помехи, можно использовать еще одну уникальную функцию анализаторов спектра RSA – запуск по частотной маске (FMT – Frequiency Mask Trigger [3]). С ее помощью можно фиксировать момент, когда изменяющийся во времени спектр сигнала заходит в область, ограниченную маской. Частотная маска может строиться как в графическом, так и в табличном виде, в ручном или автоматическом режимах. Была построена частотная маска для изучаемого сигнала (рис.5, справа – область, выделенная зеленоватым цветом), и после запуска АС было обнаружено, что момент появления помехи четко совпадает с моментом выключения радиочасти. Это отображалось и на спектрограмме (левая часть экрана на рис.5, точка "Т").
Особенности архитектуры анализаторов RSA позволяют проводить коррелированный мультидоменный анализ сигналов, поэтому помеху можно исследовать не только в частотной, но и во временной области (рис.6). На фронте выключения была обнаружена ступенька, которая отсутствовала в момент включения радиочасти. Очевидно, что в момент выключения имел место какой-то процесс. Дальнейшая отладка с помощью АС вряд ли могла дать результат по причине относительно низкого разрешения RSA по времени (не более 20 мкс). Поэтому для последующей отладки был применен цифровой запоминающий осциллограф DPX DPO70804. В настоящее время осциллографы серии Tektronix DPO/DSA70000 являются самыми высокочастотными осциллографами реального времени из представленных на мировом рынке. Полоса пропускания осциллографов DPO/DSO72004 достигает 20 ГГц при скорости дискретизации до 50 Гвыб/с по всем четырем каналам, поэтому анализ сигналов исследуемого устройства не вызвал проблем. После захвата пакета стало ясно, что имеет место коммутационная помеха (рис.7), вызванная, по всей видимости, перекрестными помехами. Это впоследствии и подтвердилось – разводка печатной платы оказалась неудачной. После внесения необходимых изменений устройство заработало нормально.
На обнаружение и идентификацию неисправности автор затратил не более часа. Какие же технологии сделали возможной такую экономию времени? Это современные технологии, примененные при разработке анализаторов спектра реального времени серий RSA6100A и RSA3000B, а именно – непрерывная запись данных во временной области в полосе частот до 110 МГц в диапазоне частот до 14 ГГц (RSA6100A); получение более чем 48000 спектров в секунду и их отображение с помощью системы DPX; система запуска по частотной маске FMT; возможность сохранения данных во временной и частотных областях с последующей их многократной обработкой; а также синхронный мультидоменный анализ.
Однако трудности разработчиков не ограничиваются описанными проблемами. В военной и коммерческой РЧ-электронике все чаще применяют сверхширокополосные (СШП) технологии. Сейчас бурно развивается целый ряд СШП-технологий – таких, как, например, WiMedia [4], СШП-связь (шумоподобные РЧ-сигналы), георадары, радары для наблюдения обстановки в помещениях сквозь стены и т.п. И здесь для решения возникающих задач доступные средства измерений неприменимы. Например, сигнал WiMedia может занимать полосу частот 528 МГц×3=1584 МГц. Ни один из существующих традиционных АС не обеспечивает отображение спектра таких сигналов – АС реального времени имеют полосу анализа не более 120 МГц. Как же решить проблему? Как ни странно, решение лежит в области осциллографии. Как отмечалось выше, самый высокочастотный осциллограф реального времени имеет полосу пропускания 20 ГГц. С помощью специального программного обеспечения для векторного анализа сигналов, например SignalVu [5] компании Tektronix, можно получить полосу анализа, соответствующую полосе пропускания осциллографа (для осциллографа DPO/DSA72004B – 20 ГГц). Этого вполне достаточно для практически любых современных СШП-приложений. По функциональности пакет программ SignalVu практически полностью соответствует возможностям программного обеспечения АС серии RSA6100A, за исключением аппаратных функций, таких как DPX и запуск по частотной маске. С помощью этого пакета можно выполнять мультидоменный синхронный анализ СШП-сигнала (рис.8). Сигнал отображается синхронно в виде спектра, констелляционной диаграммы, амплитуды вектора ошибки, распределения вектора ошибки по времени и других параметров. Курсор, помещенный в любом домене, будет синхронно перемещаться в остальных доменах. Эта возможность позволяет, например, легко оценить качество модуляции и определить проблемы, связанные с модулятором.
Не меньший интерес для разработчиков радарной техники представляет пакет программ для анализа и определения статистических характеристик больших последовательностей радарных импульсов, который опционально поставляется в составе программного обеспечения анализаторов серии RSA6100A, а также пакета программ SignalVu. Параметры сигналов в этом пакете отображаются одновременно в виде временной последовательности импульсов, таблицы измерений, графика изменения частоты внутри импульса (линейная частотная модуляция – ЛЧМ) и спектрограммы (рис.9). При этом длительность импульсов может составлять 50 нс, а количество импульсов в последовательности доходить до 10000.
Для разработки и отладки современных РЧ-устройств необходимы не только развитые средства анализа сигналов, но и источники таких сигналов. Речь идет о генерации сигналов, изменяющих свои частотные свойства во времени, сигналов с цифровой модуляцией, СШП-сигналов, радарных сигналов и т.п. Традиционные технологии требуют, чтобы для генерации подобных сигналов задействовались приборы, использование которых имеет целый ряд существенных ограничений, требует большого количества дополнительного оборудования и создает большие проблемы во время эксплуатации. Например, для получения сигналов с цифровой модуляцией обычно применяют комплект, состоящий из векторного генератора, IQ-модулятора и конвертора с повышением частоты. При этом имеются ограничения по полосе частот генерируемого сигнала, например 2 ГГц. Для решения этой и целого ряда других проблем Tektronix предлагает серию генераторов сигналов произвольной формы AWG7000B, построенных с использованием последних достижений в области прямого цифрового синтеза сигналов. Старшая модель этой серии – генератор AWG7122B (рис.10) – имеет тактовую частоту цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 24 ГГц. Это позволяет генерировать сигналы, занимающие полосу частот от постоянного тока до 9,6 ГГц. Генератор может использоваться в режимах функционального генератора, если нужно получить стандартные сигналы, и генератора сигналов произвольной формы. Способов получения сигналов произвольной формы много – от простого графического задания сигнала, использования математической модели сигнала и опционального программного обеспечения для генерации идеальных сигналов до генерации реальных сигналов, полученных, например, в результате натурного эксперимента и зафиксированных с помощью осциллографа. Программное обеспечение этих генераторов позволяет без особых сложностей получать сигналы с различными видами цифровой модуляции, СШП-сигналы и радарные сигналы. С помощью этого программного обеспечения можно задавать центральную частоту и амплитуду сигнала, вид модуляции, скорость и тип модулирующего потока и другие параметры (рис.11).
Таким образом, предлагаемый компанией Tektronix набор средств измерительной техники позволяет решать задачи анализа сигналов для самых разных РЧ-устройств.
Литература
1. Shannon C. A mathematical theory of communication. – The Bell System Technical Journal, 1948, v.27.
2. Jennic’s ZigBee e-learning Course. – www.jennic.com/elearning/zigbee/index.htm
3. Application note, Troubleshooting and Characterizing Wide Band RF Systems Using a Real-Time Spectrum Analyzer. – www2.tek.com/cmsreplive/tirep/4544/37W_19560_1_2008.11.03.10.08.18_4544_EN.pdf
4. Сайт альянса WiMedia. – www.wimedia.org
5. Vector Signal Analysis Software SignalVu, Data sheet. – www2.tek.com/cmsreplive/psrep/14407/37W_22314_0_2008.10.27.11.59.09_14407_EN.pdf
Для иллюстрации приведем пример. Одна из российских компаний разработала двухстороннюю систему автоматической передачи данных для газовой компании на основе РЧ-интерфейса ZigBee [2]. Опытные экземпляры изделия были отосланы в Германию для проверки на соответствие стандарту. Ответ из испытательной лаборатории был отрицательным – изделие не прошло проверку по причине "больших гармонических искажений" (рис.1).
Разработчики тщательно искали возможные нелинейности, но безрезультатно. На поиски было затрачено много времени – свыше недели. Более того, с помощью имеющегося у разработчиков анализатора спектра была получена картинка (рис.2), которая существенно отличалась от присланной из испытательной лаборатории – на ней не было "лишних" максимумов по бокам от основной гармоники. Разработчики зашли в тупик и обратились к автору с просьбой о помощи. Анализ имеющихся материалов навел на мысль, что разница в полученных изображениях спектра вызвана тем, что они зафиксированы на разных участках сигнала, поскольку сигнал ZigBee передается пакетами. Для обнаружения и идентификации источника проблем автор применил анализатор спектра реального времени Tektronix RSA6114A. Для начала нужно было понять, почему изображения спектра так отличаются друг от друга. В испытательной лаборатории в Германии использовался традиционный анализатор спектра в режиме пик-детектора. Поэтому RSA6114A был включен в режиме обычного АС с пик-детектором. После примерно пяти минут накопления изображение на экране RSA практически совпало с изображением, полученным из Германии (рис.3). Однако этот факт не продвинул нас в поиске источника проблем ни на шаг. Все дело в том, что традиционный АС отображает спектр одной кривой, соответствующей максимальной мощности в заданной полосе частот, и не позволяет судить о временной структуре спектра (изменении спектра во времени). Для отображения временной структуры спектра идеально подходит система отображения спектральной информации DPX, которая входит в состав программного обеспечения анализатора спектра Tektronix RSA6114A. Она дает возможность выводить на экран монитора гистограмму, построенную на основе множества спектров, полученных в различные моменты времени (рис.4, слева). Цвет на этой гистограмме характеризует число появлений того или иного спектра в единицу времени (синий цвет – минимальное число, красный – максимальное).
При этом если традиционный АС способен обновлять изображение спектра не чаще 100 раз в секунду, то RSA6114A делает это более 48000 раз в секунду! При включении режима DPX (см. рис.4), стало ясно, что в основное время спектр сигнала соответствует требованиям стандарта, однако на спектр полезного сигнала наложен спектр помехи, которая присутствует не постоянно. Чтобы определить момент возникновения помехи, можно использовать еще одну уникальную функцию анализаторов спектра RSA – запуск по частотной маске (FMT – Frequiency Mask Trigger [3]). С ее помощью можно фиксировать момент, когда изменяющийся во времени спектр сигнала заходит в область, ограниченную маской. Частотная маска может строиться как в графическом, так и в табличном виде, в ручном или автоматическом режимах. Была построена частотная маска для изучаемого сигнала (рис.5, справа – область, выделенная зеленоватым цветом), и после запуска АС было обнаружено, что момент появления помехи четко совпадает с моментом выключения радиочасти. Это отображалось и на спектрограмме (левая часть экрана на рис.5, точка "Т").
Особенности архитектуры анализаторов RSA позволяют проводить коррелированный мультидоменный анализ сигналов, поэтому помеху можно исследовать не только в частотной, но и во временной области (рис.6). На фронте выключения была обнаружена ступенька, которая отсутствовала в момент включения радиочасти. Очевидно, что в момент выключения имел место какой-то процесс. Дальнейшая отладка с помощью АС вряд ли могла дать результат по причине относительно низкого разрешения RSA по времени (не более 20 мкс). Поэтому для последующей отладки был применен цифровой запоминающий осциллограф DPX DPO70804. В настоящее время осциллографы серии Tektronix DPO/DSA70000 являются самыми высокочастотными осциллографами реального времени из представленных на мировом рынке. Полоса пропускания осциллографов DPO/DSO72004 достигает 20 ГГц при скорости дискретизации до 50 Гвыб/с по всем четырем каналам, поэтому анализ сигналов исследуемого устройства не вызвал проблем. После захвата пакета стало ясно, что имеет место коммутационная помеха (рис.7), вызванная, по всей видимости, перекрестными помехами. Это впоследствии и подтвердилось – разводка печатной платы оказалась неудачной. После внесения необходимых изменений устройство заработало нормально.
На обнаружение и идентификацию неисправности автор затратил не более часа. Какие же технологии сделали возможной такую экономию времени? Это современные технологии, примененные при разработке анализаторов спектра реального времени серий RSA6100A и RSA3000B, а именно – непрерывная запись данных во временной области в полосе частот до 110 МГц в диапазоне частот до 14 ГГц (RSA6100A); получение более чем 48000 спектров в секунду и их отображение с помощью системы DPX; система запуска по частотной маске FMT; возможность сохранения данных во временной и частотных областях с последующей их многократной обработкой; а также синхронный мультидоменный анализ.
Однако трудности разработчиков не ограничиваются описанными проблемами. В военной и коммерческой РЧ-электронике все чаще применяют сверхширокополосные (СШП) технологии. Сейчас бурно развивается целый ряд СШП-технологий – таких, как, например, WiMedia [4], СШП-связь (шумоподобные РЧ-сигналы), георадары, радары для наблюдения обстановки в помещениях сквозь стены и т.п. И здесь для решения возникающих задач доступные средства измерений неприменимы. Например, сигнал WiMedia может занимать полосу частот 528 МГц×3=1584 МГц. Ни один из существующих традиционных АС не обеспечивает отображение спектра таких сигналов – АС реального времени имеют полосу анализа не более 120 МГц. Как же решить проблему? Как ни странно, решение лежит в области осциллографии. Как отмечалось выше, самый высокочастотный осциллограф реального времени имеет полосу пропускания 20 ГГц. С помощью специального программного обеспечения для векторного анализа сигналов, например SignalVu [5] компании Tektronix, можно получить полосу анализа, соответствующую полосе пропускания осциллографа (для осциллографа DPO/DSA72004B – 20 ГГц). Этого вполне достаточно для практически любых современных СШП-приложений. По функциональности пакет программ SignalVu практически полностью соответствует возможностям программного обеспечения АС серии RSA6100A, за исключением аппаратных функций, таких как DPX и запуск по частотной маске. С помощью этого пакета можно выполнять мультидоменный синхронный анализ СШП-сигнала (рис.8). Сигнал отображается синхронно в виде спектра, констелляционной диаграммы, амплитуды вектора ошибки, распределения вектора ошибки по времени и других параметров. Курсор, помещенный в любом домене, будет синхронно перемещаться в остальных доменах. Эта возможность позволяет, например, легко оценить качество модуляции и определить проблемы, связанные с модулятором.
Не меньший интерес для разработчиков радарной техники представляет пакет программ для анализа и определения статистических характеристик больших последовательностей радарных импульсов, который опционально поставляется в составе программного обеспечения анализаторов серии RSA6100A, а также пакета программ SignalVu. Параметры сигналов в этом пакете отображаются одновременно в виде временной последовательности импульсов, таблицы измерений, графика изменения частоты внутри импульса (линейная частотная модуляция – ЛЧМ) и спектрограммы (рис.9). При этом длительность импульсов может составлять 50 нс, а количество импульсов в последовательности доходить до 10000.
Для разработки и отладки современных РЧ-устройств необходимы не только развитые средства анализа сигналов, но и источники таких сигналов. Речь идет о генерации сигналов, изменяющих свои частотные свойства во времени, сигналов с цифровой модуляцией, СШП-сигналов, радарных сигналов и т.п. Традиционные технологии требуют, чтобы для генерации подобных сигналов задействовались приборы, использование которых имеет целый ряд существенных ограничений, требует большого количества дополнительного оборудования и создает большие проблемы во время эксплуатации. Например, для получения сигналов с цифровой модуляцией обычно применяют комплект, состоящий из векторного генератора, IQ-модулятора и конвертора с повышением частоты. При этом имеются ограничения по полосе частот генерируемого сигнала, например 2 ГГц. Для решения этой и целого ряда других проблем Tektronix предлагает серию генераторов сигналов произвольной формы AWG7000B, построенных с использованием последних достижений в области прямого цифрового синтеза сигналов. Старшая модель этой серии – генератор AWG7122B (рис.10) – имеет тактовую частоту цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 24 ГГц. Это позволяет генерировать сигналы, занимающие полосу частот от постоянного тока до 9,6 ГГц. Генератор может использоваться в режимах функционального генератора, если нужно получить стандартные сигналы, и генератора сигналов произвольной формы. Способов получения сигналов произвольной формы много – от простого графического задания сигнала, использования математической модели сигнала и опционального программного обеспечения для генерации идеальных сигналов до генерации реальных сигналов, полученных, например, в результате натурного эксперимента и зафиксированных с помощью осциллографа. Программное обеспечение этих генераторов позволяет без особых сложностей получать сигналы с различными видами цифровой модуляции, СШП-сигналы и радарные сигналы. С помощью этого программного обеспечения можно задавать центральную частоту и амплитуду сигнала, вид модуляции, скорость и тип модулирующего потока и другие параметры (рис.11).
Таким образом, предлагаемый компанией Tektronix набор средств измерительной техники позволяет решать задачи анализа сигналов для самых разных РЧ-устройств.
Литература
1. Shannon C. A mathematical theory of communication. – The Bell System Technical Journal, 1948, v.27.
2. Jennic’s ZigBee e-learning Course. – www.jennic.com/elearning/zigbee/index.htm
3. Application note, Troubleshooting and Characterizing Wide Band RF Systems Using a Real-Time Spectrum Analyzer. – www2.tek.com/cmsreplive/tirep/4544/37W_19560_1_2008.11.03.10.08.18_4544_EN.pdf
4. Сайт альянса WiMedia. – www.wimedia.org
5. Vector Signal Analysis Software SignalVu, Data sheet. – www2.tek.com/cmsreplive/psrep/14407/37W_22314_0_2008.10.27.11.59.09_14407_EN.pdf
Отзывы читателей
