OBSAH Kapitola 1: Úvod a přehled.....................................................................................................3 Vývoj radiových signálů.....................................................................................................3 Úlohy při měření RF signálů...............................................................................................4 Stručný přehled o architektuře přístroje ..............................................................................4 Rozmítané spektrální analyzátory ...................................................................................4 Vektorové signální analyzátory.......................................................................................5 Real-time spektrální analyzátory.....................................................................................7 Klíčové pojmy z RT spektrální analýzy ..............................................................................7 Vzorky, rámce a bloky....................................................................................................7 Spouštění v reálném čase ................................................................................................8 Nepřerušované zachytávání a spektrogram .....................................................................9 Časově korelovaná vícepásmová analýza......................................................................10 Kapitola 2: Jak pracuje RTSA ..............................................................................................10 DSP v RTSA ....................................................................................................................10 Vliv vzorkovací rychlosti..............................................................................................11 Spouštění v reálném čase..................................................................................................11 Spouštění v systémech s digitálním sběrem dat .............................................................12 Režimy a vlastnosti spouštění .......................................................................................12 Zdroje spouštění v RTSA..............................................................................................12 Analýza pomocí FFT ........................................................................................................13 Dělení na okna (Windowing) ........................................................................................13 Překrývání rámců .........................................................................................................14 Analýza modulace ............................................................................................................14 AM, FM a PM ..............................................................................................................14 Digitální modulace .......................................................................................................15 Měření výkonu a statistika ............................................................................................16 Kapitola 3: Měření s RTSA ..................................................................................................16 Měření ve frekvenční oblasti ............................................................................................16 RTSA ...........................................................................................................................16 Standardní SA ..............................................................................................................16 SA se spektrogramem ...................................................................................................17 Měření v časové oblasti ....................................................................................................17 Frekvence v závislosti na čase ......................................................................................17 Výkon v závislosti na čase ............................................................................................18 CCDF...........................................................................................................................18 I/Q v závislosti na čase .................................................................................................18 Měření v modulační oblasti ..............................................................................................19 Analýza analogové modulace .......................................................................................19 Analýza digitální modulace ..........................................................................................19 Modulační analýza založená na standardech .................................................................20 Spektrogram .................................................................................................................20 Kódogram ....................................................................................................................21 Kapitola 4: Často kladené otázky..........................................................................................21 Co je to RT spektrální analýza? ....................................................................................21 Co je to RT šířka pásma?..............................................................................................21 Co je to RT nepřerušované snímání?.............................................................................21 Co je myšleno "statickými" a "dynamickými" signály? .................................................22 Proč vypadají signály jinak při použití filtru RBW v režimu standardního SA?.............22
Proč vypadá šum na RTSA jinak?.................................................................................22 Jak lze všeobecnou RF výkonnost RTSA přirovnat k rozmítanému SA? .......................22 Kdy mám použít RTSA? Kdy mám použít rozmítaný SA?............................................22 Kapitola 5: Slovník pojmů....................................................................................................23 Použité zkratky.................................................................................................................25 Otázky na písemku: ..............................................................................................................26
2
ZÁKLADY SPEKTRÁLNÍ ANALÝZY V REÁLNÉM ČASE Kapitola 1: Úvod a přehled Vývoj radiových signálů Pro odolnost vůči rušení, obtížnou detekci a zvýšení informačního obsahu se moderní radarové systémy a komerční komunikační sítě staly extrémně složité a obě využívají sofistikované (propracované) kombinace různých RF technik jako · dávkování · skokové změny frekvence · CDMA · adaptivní modulace Poznámka: CDMA (code division multiple access = mnohonásobný přístup s kódovým dělením) je metoda kanálového přístupu používaná různými technologiemi rádiové komunikace. Základní pojetí datové komunikace je snaha dovolit několika vysílačům posílat informaci současně na jednom komunikačním kanálu. Tato metoda se nazývá multiplex. CDMA používá technologii rozprostřeného (rozšířeného) spektra a speciální kódování (každý vysílač je označen kódem), aby různí uživatelé mohli být smícháni (multiplexováni) do téhož fyzického kanálu. TDMA rozděluje přístup časově a FDMA frekvenčně. Mnohonásobný přístup se dá vysvětlit na pokoji plném lidí, kteří se chtějí domlouvat. Buď mohou mluvit postupně (TDMA), nebo s různou výškou hlasu (FDMA), nebo různými jazyky (CDMA). Cena základních RF součástek rapidně klesla. To umožnilo vkládat poměrně jednoduchá RF zařízení do všech možných druhů zboží. RF vysílače se staly natolik rozšířenými, že je najdeme téměř všude: · spotřební elektronika v domácnostech · lékařské přístroje v nemocnicích · průmyslové řídicí systémy v továrnách · sledovací čipy implementované pod kůži dobytka, domácích mazlíčků i lidí. Tím, že RF signály jsou v moderním světě všudypřítomné, zařízení, které je generují, mají problémy se vzájemnou interferencí. Výrobky jako např. mobilní telefony, které pracují v přiděleném (licencovaném) frekvenčním pásmu, musí být navrženy tak, aby nevysílaly do sousedních frekvenčních kanálů, což je důležité zvláště u komplexních zařízení, která přepínají mezi různými režimy přenosu a současně se starají o linky do několika sítí najednou. Jednodušší zařízení, která pracují v nelicencovaných pásmech, musejí být také navržena tak, aby správně pracovala v přítomnosti rušivých signálů. Vládní nařízení jednotlivých zemí často nařizují, aby tato zařízení vysílala jen v krátkých dávkách při nízkých výkonech. Aby se s tím vyrovnali, musí být dnešní technici a vědci schopni spolehlivě detekovat (odhalit) a charakterizovat časově proměnné RF signály – což je těžko proveditelné s tradičními měřicími prostředky. Tektronix proto vyvinul Spektrální analyzátor v reálném čase (RTSA = Real-Time Spectrum Analyzer), což je nástroj schopný spustit se s RF signálem, plynule ho zachycovat do paměti a analyzovat ho v oblasti časové, frekvenční a modulační. Tento dokument byl sepsán k pochopení činnosti RTSA a jeho užití při řešení mnoha měřicích problémů spojených se zachytáváním a analyzováním moderních RF signálů.
3
Úlohy při měření RF signálů Při charakterizování chování dnešních RF zařízení je nutné chápat, jak se frekvenční, amplitudové a modulační parametry chovají v krátkých i dlouhých časových úsecích. V těchto případech může užití tradičních přístrojů, jako je rozmítaný spektrální analyzátor a vektorový signální analyzátor (VSA), poskytnout náhled na signál ve frekvenční a modulační oblasti, ale často to nestačí k řádnému popsání dynamických RF signálů. RTSA přidává další rozhodující rozměr ke všem těmto důležitým měřením, a to čas. Uvažujme následující obecné měřicí úlohy: · Zachycení a analýza přechodných a dynamických signálů · Zachycení dávkových vysílání, glitchů, přechodných jevů při přepínání · Charakterizování doby ustálení PLL (phase locked loop = fázově uzavřená smyčka), frekvenčního driftu (posunu, kolísání), mikrofonického hluku (elektrické rušení způsobené mechanickými kmity) · Detekování občasné interference (rušivého ovlivňování), analýza šumu · Zachytávání signálů s rozšířeným spektrem a skokovou změnou frekvence (SSFH = spread-spectrum frequency-hopping) · · · · · ·
Monitorování využití spektra, detekce cizích (parazitních) vysílání Testování shody, diagnostika EMI (electromagnetic interference) Analýza analogové a digitální modulace Popis časově proměnných modulačních schémat Řešení komplexních problémů bezdrátových standardů s použitím korelace (vzájemného vztahu) oblastí (domén) Provádění diagnostiky kvality modulace
Při každém měření se objevují nečekané RF signály, které se mění s časem, a to často nepředvídatelně. K účinnému popisu těchto signálů potřebovali technici prostředek, který se bude spouštět při známých nebo nepředvídatelných událostech, zachytí signály nepřerušovaně a uloží je do paměti. Poté zanalyzuje chování frekvenčních, amplitudových a modulačních parametrů v závislosti na čase.
Stručný přehled o architektuře přístroje Spektrální analyzátor pracující v reálném čase RTSA je průkopnický měřicí přístroj, navržený k řešení problému při RF měřeních popsaných výše. K poznání, jak RTSA funguje, a k pochopení výsledků měření je užitečné se nejprve něco dozvědět o dvou jiných typech tradičních analyzátorů RF signálů: rozmítaný spektrální analyzátor a vektorový signální analyzátor VSA.
Rozmítané spektrální analyzátory Tradiční analýza ve frekvenční oblasti Rozmítaně laděný superhetový spektrální analyzátor má tradiční architekturu, která poprvé umožnila technikům provádět měření ve frekvenční oblasti již před několika desetiletími. Původně byl postaven jen z analogových součástí a postupem času se vyvíjí vzhledem k účelům, kterým slouží. Současné rozmítané spektrální analyzátory obsahují digitální prvky, jako např. ADC, DSP a mikroprocesory. Nicméně základní princip rozmítání zůstává víceméně stejný a je nejlepší pro pozorování statických signálů.
Rozmítaný spektrální analyzátor provádí měření závislosti výkonu na frekvenci tak, že sníží frekvenci měřeného signálu a rozmítá ho skrz propustné pásmo filtru pro rozlišení šířky pásma (RBW) [= IF (intermediate freq. = mezifrekvenční) pásmová propust]. Za RBW filtrem následuje detektor, který vypočítává amplitudu každého frekvenčního bodu ve vybraném rozpětí frekvencí (span). [Pojem „vybrané rozpětí frekvencí“ budeme dále chápat jako frekvenční rozsah zobrazený na displeji a zjednodušeně označovat „rozpětí“ nebo angl. termínem „span“.] Zatímco tato metoda může obstarat vysoce dynamický rozsah, její nevýhoda je v tom, že může současně počítat jen amplitudu jedné frekvence. Rozmítání analyzátoru v daném rozmezí zabírá čas (až desítky sekund).
4
Tento princip je založen na předpokladu, že analyzátor dokáže dokončit několik rozmítání, aniž dojde na měřeném signálu ke znatelným změnám. Z toho vyplývá, že je požadován relativně ustálený neměnící se vstupní signál. Obr. 1-1 ↓ Pokud nastane v signálu prudká změna, je statisticky možné, že se změna nezachytí. Jak je vidět na obr. 1-1, rozmítá se ve frekvenčním segmentu Fa, zatímco se náhodný spektrální jev objevil v segmentu Fb (průběh nalevo). V okamžiku, kdy rozmítání dorazí do segmentu Fb, náhodný jev už zmizel a analyzátor ho nezachytil (průběh napravo). Spektrální analyzátor SA neposkytuje způsob, jak spouštět od takového přechodného signálu, ani nedokáže uložit úplný záznam chování signálu v závislosti na čase. Blokové schéma na obr. 1-2 představuje typickou architekturu moderního rozmítaného SA. Doplňuje široké analogové RBW propusti (zde 3 přepínané propusti), které jsou převzaty od předchůdců, úzkými filtry realizovanými digitální technikou. Filtrace (1. růžový blok zleva), směšování (součtový člen; frekv. zleva se odečítá od frekv. zespodu (místní oscilátor)) a zesilování (modrý trojúhelník; všechno v ohraničení, které představuje RF konvertor – snížení frekvence) před AD převodem jsou analogové procesy před propustmi pro šíři pásma v rozsahu BW1, BW2 nebo BW3 (3 růžové bloky nad sebou; všechno v ohraničení, který představuje proměnnou propust). Pokud jsou potřeba užší filtry než BW3, jsou vytvořeny pomocí DSP ve stupních (šedý obdélník – Processor) následujících za AD převodem (ADC = modrý 5úhelník). Šedý blok úplně vpravo je „zobrazení ve frekvenční oblasti“. Spodní (levé) ohraničení je řízení místního oscilátoru – oscilátor je rozmítaný a rozmítání závisí na zvoleném spanu. Práce ADC a DSP je poměrně náročná. Problémem je nelinearita a šum v ADC.
Vektorové signální analyzátory Analýza digitální modulace Tradiční rozmítaná spektrální analýza umožňuje skalární měření, které poskytne informace pouze o velikosti vstupního signálu. Analýza signálu, který nese digitální modulaci, vyžaduje vektorové měření, které poskytuje informaci o velikosti (amplitudě) i o fázi. Vektorový signální analyzátor je nástroj speciálně vytvořený pro analýzu digitální modulace. Poznámka: QAM (Quadrature Amplitude Modulation) je jedna z digitálních modulací. Je to kombinace amplitudového a fázového klíčování (skokové změny parametrů nosné frekvence). Sériová dvojková posloupnost (datový tok) se rozdělí na skupiny po 2k bitech, které se pak zakódují do signálu I soufázové cestya signálu Q kvadraturní cesty. To jsou modulační signály pro nosnou, která se pro Q signál fázově posune o 900; obě modulované nosné se nakonec sečtou. V odstavci Konstelační diagram je na obrázku zobrazení QAM pomocí konstelačního diagramu. Zjednodušené blokové schéma VSA je na obr. 1-3. VSA je optimalizován pro měření modulace. Stejně jako RTSA popsaný v další kapitolce digitalizuje VSA veškerou RF energii v propustném pásmu přístroje za účelem vyčlenění informace o velikosti a fázi signálu pro měření digitální modulace. Nicméně většina VSA je navržena k získání náhledu o vstupním signálu v libovolných časových okamžicích, takže je obtížné nebo přímo nemožné ukládat dlouhý záznam po sobě následujících vzorků (akvizicí) při rostoucí délce průběhu vstupního signálu. Stejně jako u rozmítaného SA jsou spouštěcí schopnosti obvykle omezeny na spouštění na IF (= mf) úrovni a na externí spouštění.
5
Ve VSA digitalizuje ADC širokopásmový mf signál (1. blok za ohraničením) a snížení frekvence, filtrování a detekce jsou prováděny numericky (místní oscilátor není rozmítaný). Převod z časové oblasti do frekvenční oblasti se provádí pomocí FFT algoritmu. Linearita a dynamický rozsah ADC jsou stěžejní pro výkonnost přístroje. Stejně podstatné je, že zde musí být dostatečný výpočetní výkon DSP pro umožnění rychlého měření.
Obr. 1-2 Rozmítaný SA
Obr. 1-3 Vektorový SA (VSA)
Obr. 1-4 SA pracující v reálném čase (RTSA) VSA měří parametry modulace, např. velikost chybového vektoru (EVM), a umí zobrazit další věci, např. konstelační (modelový) diagram. (Šedý blok úplně vpravo je „zobrazení modulační analýzy“.) Samotný VSA je často používán jako doplněk k tradičnímu rozmítanému SA. Navíc mnoho moderních přístrojů má architekturu, která vykonává funkce rozmítaného SA i VSA a poskytuje nekorelované měření (bez vzájemné souvislosti) ve frekvenční a modulační oblasti v jednom přístroji.
6
Real-time spektrální analyzátory (RTSA) Spouštění, zachycení, analýza RTSA (SA pracující v reálném čase) je navržen tak, aby se uměl vypořádat s měřením přechodných a dynamických RF signálů, jak je popsáno v předchozí části. Základní koncepcí RT spektrální analýzy je schopnost spouštět od RF signálu, nepřerušovaně jej zachytávat do paměti a analyzovat jej ve více oblastech. Díky tomu je možné spolehlivě detekovat a charakterizovat RF signály, které se v průběhu času mění. Blokové schéma na obr. 1-4 ukazuje zjednodušenou architekturu RTSA. (Detailnější schéma a popis obvodu je v druhé kapitole.) Špičkový RF přístroj může být laděn přes celý frekvenční rozsah přístroje a snižuje frekvenci vstupního signálu (růžový blok vlevo je dolní propust) na pevnou mezifrekvenci IF, která je vztažena k maximální RT šířce pásma (šířce pásma při činnosti v reálném čase) RTSA. Signál prochází mf propustído ADC (modrý 5úhelník), kde je digitalizován a předán DSP, který řídí funkce přístroje – spouštění, zapamatování a analýzu. Zatímco bloky blokového schématu a proces získávání vzorků (akvizice) jsou podobné jako v architektuře VSA, rozdíl je v tom – jak už bylo řečeno, že RTSA je optimalizován na spouštění v reálném čase, nepřerušované zachytávání signálu a časově korelovanou (souvztažnou) analýzu ve více oblastech (5 bloků vpravo: „zobrazení ve frekvenční, časové a modulační oblasti, zobrazení spektrogramu a kódogramu“). Kromě toho pokrok v technologii ADC umožňuje převod s vysokým dynamickým rozsahem a nízkým šumem, čímž RTSA předčí základní RF výkonnost rozmítaných spektrálních analyzátorů. Pro měření rozpětí (span), která jsou menší nebo rovna RT šířce pásma, poskytuje architektura RTSA možnost nepřerušovaně zachycovat vstupní signál bez časových mezer pomocí digitalizace RF signálu a ukládání časově sousedících vzorků do paměti. To má několik výhod oproti procesu získávání vzorků v rozmítaném spektrálním analyzátoru, který staví na zobrazení frekvenční oblasti pomocí sériového rozmítání přes celé frekvenční rozpětí (span). Zbytek tohoto dokumentu pojednává o těchto výhodách detailně.
Klíčové pojmy z RT spektrální analýzy Vzorky, rámce a bloky Měření provedená pomocí RTSA jsou realizována pomocí techniky DSP (digitálního zpracování signálu). Abychom pochopili, jak může být RF signál analyzován v časové, frekvenční a modulační oblasti, je třeba nejprve prověřit, jak přístroj získává (vzorkuje) a ukládá signál. Poté, co je digitalizován pomocí ADC, je signál reprezentován daty v časové oblasti, z nichž lze všechny frekvenční a modulační parametry vypočítat pomocí DSP. Tyto pojmy jsou podrobně popsány v kapitole 2. Obr. 1-5 ↓ Tři pojmy – vzorek (sample), rámec (frame) a blok (block) – popisují systém uložených dat, kdy RTSA nepřerušovaně zachycuje signál pomocí RT vzorkování. Obr. 1-5 ukazuje strukturu vzorek-rámec-blok. Nejnižší úroveň systému dat je vzorek, který představuje diskrétní datový bod v časové oblasti. Tato konstrukce je známá z jiných aplikací digitálního vzorkování, jako jsou například RT osciloskopy a digitizéry využívající PC.
7
Skutečná vzorkovací frekvence, která určuje časový interval mezi sousedními vzorky, závisí na zvoleném rozpětí (span). V RTSA je každý vzorek uložen v paměti jako I/Q pár obsahující informaci o velikosti (amplitudě) a fázi. Další úrovní je rámec. Rámec se skládá z celého počtu sousedících vzorků a je základní jednotkou, na které je možné použít FFT (rychlá Fourierova transformace) pro konverzi (převedení) dat z časové do frekvenční oblasti. V tomto procesu se z každého rámce vytváří jedno spektrum ve frekvenční oblasti. Nejvyšší úroveň v systému akvizice (získávání vzorků) je blok, který se skládá z mnoha sousedících rámců, zachycených časově nepřerušovaně. Délkou bloku (také se nazývá délka akvizice) je celkový čas, který představuje jednu souvislou akvizici. V rámci bloku je vstupní signál představován bez časových mezer. V RT režimech měření s RTSA je každý blok nepřerušovaně vzorkován a ukládán do paměti. Pak je zpracováván (v postprocesoru) pomocí techniky DSP, aby se analyzovalo chování signálu co se týče frekvence, času a modulace. Ve standardních režimech SA může RTSA emulovat (napodobovat) rozmítaný SA krokováním počáteční RF v rámci celých frekvenčních rozpětí (span), která přesahují maximální RT šířku pásma.
Když je zpracování jednoho akvizičního bloku signálu ukončeno, může začít vzorkování (akvizice) dalšího bloku. Jakmile je blok uložen v paměti, může začít jakékoli měření v reálném čase. Počet rámců získaných v mezích bloku může být určený dělením akviziční délky délkou rámce. Akviziční délka zadaná uživatelem je zaokrouhlená tak, aby blok obsahoval celočíselný počet rámců. Maximální akviziční délka je v rozsahu od sekund až po dny a záleží na vybraném rozpětí (span) měření a na hloubce paměti přístroje.
Spouštění v reálném čase Užitečné spouštění bylo dlouho chybějící součástí ve většině nástrojů spektrální analýzy. RTSA je první moderní spektrální analyzátor, který navíc k jednoduchému spouštění od úrovně mf (IF) signálu a k externímu spouštění nabízí spouštění ve frekvenční oblasti v reálném čase a další intuitivní spouštěcí režimy. Je zde mnoho důvodů pro to, že tradiční rozmítací architektura se nehodí pro spouštění v reálném čase, nejvýznamnější důvod je ten, že v rozmítaném spektrálním analyzátoru se ke startu rozmítání používá spouštěcí událost, kdežto RTSA používá spouštěcí událost jako vztažný časový bod pro nepřerušované získávání (akvizici) signálu. To má za následek několik dalších užitečných vlastností jako např. schopnost uložit jak informaci před spouštěním, tak po spouštění. Podrobný popis spouštění RTSA v reálném čase najdete v kapitole 2. Další významná schopnost RTSA je spouštění v reálném čase ve frekvenční masce, které umožní uživateli spouštět akvizici od specifických událostí ve frekvenční oblasti. Na obr. 1-7 je vidět, že maska je koncipována k definování souboru podmínek, které v RT šířce pásma analyzátoru určí spouštěcí událost. Přizpůsobivé spouštění ve frekvenční masce je silný nástroj pro spolehlivé zjištování a analyzování dynamických RF signálů. Může se také použít pro měření, která nejsou možná pomocí tradičních SA, jako je zachycení nízkoúrovňových přechodných událostí v přítomnosti silnějších RF signálů a zjišťování občasných signálů na specifických frekvencích v zaplněném frekvenčním spektru.
Obr. 1-7 (Trigger Occurs = zde se spouští); na vodorovné ose je frekvence
8
Nepřerušované zachytávání a spektrogram Jakmile byly definovány podmínky pro spouštění v reálném čase a přístroj je připraven začít akvizici, RTSA nepřetržitě zkoumá vstupní signál k nalezení specifikované spouštěcí události. Během čekání na tuto událost je signál stále digitalizován a data v časové oblasti jsou zacyklena skrz záchytnou vyrovnávací paměť (buffer) typu FIFO (která zahodí nejstarší data, když se hromadí nová data). To umožňuje analyzátoru uložit data před a po spouštění do paměti, když rozezná spouštěcí událost. Jako je popsáno v odstavcích výše, tento proces umožňuje nepřerušovanou akvizici specifikovaného bloku, v němž je signál reprezentován sousedícími vzorky v časové oblasti. Jakmile byla tato data uložena v paměti, je možné je zpracovat a analyzovat použitím různých zobrazení jako například závislost výkonu na frekvenci, spektrogram a mnohooblastní zobrazení. Vzorky dat zůstávají přístupné v paměti RAM, dokud nejsou přepsány následující akvizicí, a můžou být také uloženy ve vnitřním pevném disku RTSA. Spektrogram je důležité měření, které poskytuje intuitivní zobrazení, jak se mění frekvence a amplituda postupem času. Horizontální (vodorovná) osa představuje stejný rozsah frekvencí, jako když tradiční SA ukazuje závislost výkonu na frekvenci. Ve spektrogramu vertikální (svislá) osa představuje čas a amplituda je reprezentována barvou stopy. Každý „kousek“ spektrogramu odpovídá jednomu frekvenčnímu spektru vypočítanému z jednoho rámce dat v časové oblasti. Na obrázku vlevo je návodný příklad spektrogramu dynamického signálu. (Viewer’s Perspective = směr pohledu) Obr. 1-10
Obr. 1-11 Obr. 1-11 ukazuje snímek z obrazovky zobrazující graf závislosti výkonu na frekvenci a současně spektrogram zobrazující signál zakreslený na předešlém „návodném“ obrázku. Nejstarší rámec je na spektrogramu na vrchu obrazovky, zatímco nejnovější je zobrazen na spodu (čas běží dolů). Toto měření zobrazuje RF signál, jehož frekvence je proměnná v čase a také ukazuje malý přechodný signál, jenž vzniká a zaniká blízko konce časového bloku. Od doby, kdy se data uloží do paměti, může se na posouvání „zpět v čase“ použít ukazatel. Na obrázku je ukazatel umístěn na přechodnou událost na spektrogramu a způsobuje, že spektrum odpovídající tomuto bodu v čase je zobrazeno na grafu závislosti výkonu na frekvenci. (Bod je na obou obrázcích, ale je špatně vidět.)
9
Časově korelovaná vícepásmová analýza
Obr. 1-12 Pokud byl signál přijat a uložen do paměti, může být analyzován za pomocí široké škály časově korelovaných (souvztažných) zobrazení, jež jsou k dispozici v RTSA viz obr. 1-12. To je užitečné hlavně pro zjišťování problémů na zařízeních a pro použití při charakterizaci signálu. Všechna tato měření jsou založena na stejné základní sadě navzorkovaných dat v časové oblasti, což zdůrazňuje dvě zásadní výhody této architektury: · Úplná analýza signálu ve frekvenční, časové a modulační oblasti založená na jednotlivých akvizicích. · Souvztažnost oblastí k pochopení, jak konkrétní události ve frekvenční, časové a modulační oblasti jsou vzájemně závislé – založeno na obecném čase. V režimu RT spektrální analýzy poskytuje RTSA dvě časově souvztažná zobrazení zachyceného signálu: graf závislosti výkonu na frekvenci a spektrogram. (Viz obr. 1-11.)
Kapitola 2: Jak pracuje RTSA Moderní RTSA mohou získávat vzorky v propustném pásmu nebo rozpětí (span) kdekoli ve vstupním frekvenčním rozsahu analyzátoru. Jádrem této schopnosti je RF obvod pro snížení frekvence (down-konvertor) následovaný širokopásmovou mezifrekvenční (IF) částí. ADC digitalizuje mf (IF) signál a systém provádí všechny další kroky digitálně. Algoritmus FFT provádí transformace z časové do frekvenční oblasti, kde následná analýza vytváří na displeji spektrogram, kódogram a další.
DSP v RTSA RTSA firmy Tektronix používá kombinaci zpracování analogových a digitálních signálů k převedení RF signálů do kalibrovaných, časově korelovaných mnohaoblastních měření. Tato část se zabývá digitální částí zpracování signálu RTSA. Blokové schéma je na obr. 2-1. Vstupní signál pro blok DSP (digitálního zpracování signálu) je analogový signál IF pásmově filtrovaný a digitalizovaný. Vstupní část DSP je blok DDC a decimace (Digital Down Converter = digitální snížení frekvence), který přeměňuje vzorky z ADC na toky I (in-phase = ve fázi) a Q (quadrature = kvadraturní – „kolmá“ na I = fázově posunutá o 900) složek signálu základního pásma. Blok spouštění (Triggering) detekuje podmínky signálu pro řízení akvizice a časování. Složky I a Q základního pásma, stejně jako informace o spouštění se používají pro DSP v základním pásmu. DSP provádí (vypočítává) spektrální analýzu pomocí FFT, modulační analýzy, měření výkonu, časová měření a statistické analýzy (některé bloky v žlutém ohraničení).
10
Obr. 2-1
Vliv vzorkovací rychlosti (Vliv vzorkovací rychlosti na časovou a frekvenční oblast) Užívání decimace pro snížení skutečné vzorkovací rychlosti má několik důsledků pro důležité parametry meření v časové a frekvenční oblasti. Příklad protikladnosti širokého (wide) a úzkého (narrow) rozpětí (span) je ukázán na obr. 2-4 a 2-5. Obr. 2-4 ↓ Obr. 2-5 ↓ Zachycení velké šířky pásma zobrazuje široké rozpětí frekvencí s relativně nízkým rozlišením ve frekvenční oblasti. Ve srovnání se zachycením užších šířek pásma je vzorkovací frekvence vyšší a rozlišení šířky pásma RBW širší. V časové oblasti je délka rámce kratší a časové rozlišení jemnější. Délka záznamu je stejná, pokud jde o počet uložených vzorků, ale množství času představované těmito vzorky je menší.
V kontrastu k tomu zachycení úzkého pásma zobrazí malé rozpětí (span) frekvencí s vyšším rozlišením ve frekvenční oblasti. Ve srovnání se zachycením velké šířky pásma je vzorkovací frekvence nižší, zatímco rozlišení šířky pásma RBW je užší. V časové oblasti je délka rámce delší a časové rozlišení jemnější a dostupná délka záznamu zahrnuje více času.
Spouštění v reálném čase RTSA přidává do spektrální a modulační analýzy výkonnost v časové oblasti. Spouštění je rozhodující pro zachycení informace v časové oblasti. RTSA nabízí spouštění ve výkonové a frekvenční masce stejně jako obvyklé externí a úrovňově založené spouštění. Nejčastější spouštěcí systém je tentýž, jaký se používá ve většině osciloskopů. Spouštění zobrazuje události, které se dějí po rozeznání požadavku na spuštění.
11
Spouštění v systémech s digitálním sběrem dat Schopnost znázorňovat a zpracovávat signály digitálně, spojená s velkou kapacitou paměti, umožňuje zachycovat události, které se dějí před i po spuštění. Systémy digitálního sběru dat (akvizice) používají ADC k naplnění paměti časovými vzorky přijímaného signálu. Děje se to tak, že se nové vzorky postupně přidávají do paměti a staré vypadávají (paměť FIFO). Příchod spouštěcí události zastaví sběr dat a zmrazí obsah paměti. Přidávání různých prodlev při spouštění signálu umožňuje zachycení událostí, které se staly před a po spuštění.
Režimy a vlastnosti spouštění Volně běžící režim získává vzorky přijatého IF signálu bez ohledu na jakékoliv podmínky spouštění. Spektrum, modulace a další měření jsou zobrazeny tak, jak jsou navzorkovány a zpracovány. Spouštěcí režim vyžaduje zdroj spouštění a současně nastavení různých parametrů, které definují podmínky pro spouštění, stejně tak jako chování přístroje při spouštění. Výběr neustálého nebo jednotlivého spouštění rozhoduje, zda se sběr dat bude opakovat po každém spuštění nebo jenom jednou při vyvolání měření. Pozice spouštěcího bodu, nastavitelná v rozmezí 0 až 100 %, vybírá, která část získaných dat je před spuštěním. Spouštění od hrany umožňuje výběr náběžných hran, spádových hran nebo jejich kombinaci. Nárůst a pokles umožňuje zachycení kompletních dávek (shluků) impulsů. Pokles a nárůst umožňuje zachycení výpadků v jinak spojitém signálu.
Zdroje spouštění v RTSA Externí (vnější) spouštění umožňuje, aby sběr dat (akvizici) řídil vnější TTL signál. To je typicky řídicí signál z testovaného systému např. příkaz pro rozmítání frekvence. Tento vnější signál startuje sběr dat od události z testovaného systému. Spouštění úrovní srovnává výstupní digitalizovaný signál z ADC s uživatelským nastavením. Je použit plný rozsah digitalizovaného signálu, i když pozorujeme úzká rozpětí (span), která vyžadují další filtraci a decimaci. Spouštění úrovní využívá plnou digitalizační rychlost a může detekovat i události s trváním jen jednoho vzorku při plné vzorkovací rychlosti. Spouštění od výkonu vypočítává výkon signálu po filtraci a decimaci. Výkon každé filtrované dvojice vzorků I/Q (I2+Q2) je porovnáván s nastavením výkonu zvoleného uživatelem. Spouštění od frekvenční masky porovnává tvar spektra s uživatelem nastavenou maskou. Tato výkonná technika znamená, že změny ve tvaru spektra spouští sběr dat (akvizici). Spouštění od frekvenční masky může spolehlivě detekovat signály, které jsou velmi slabé, a to i za přítomnosti dalších signálů na mnohem vyšší úrovni. Tato schopnost spouštění od slabých signálů za přítomnosti těch silnějších je rozhodující pro detekci zejména: · občasných signálů · přítomnosti intermodulace (nežádaná modulace mezi kanály) · porušení omezení spektra přechodného jevu
12
Analýza pomocí FFT Rychlá Fourierova transformace (FFT) je základem RTSA. V RTSA se algoritmy FFT zpravidla používají k přeměně signálů v časové oblasti na spektrum ve frekvenční oblasti. Koncepčně lze považovat FFT za procházení signálu přes banku paralelních filtrů se stejným frekvenčním rozlišením a šíří pásma. Výstup FFT je zcela plnohodnotný (amplituda i fáze jednotlivých harmonických). Pro spektrální analýzu je z úplného výsledku nejvíce zajímavá amplituda. FFT proces začíná vhodně decimovanými a filtrovanými složkami I a Q základního pásma, které tvoří souhrnné znázornění signálu, kde I je jeho reálná část a Q jeho imaginární část. Při výpočtu FFT probíhá zpracování sady vzorků, složených z I a Q signálů, ve stejnou dobu. Tato sada vzorků se nazývá FFT rámec. Délka rámce je množství času představované touto sadou vzorků. Počet vzorků v FFT, obecně mocnina dvou, se nazývá rozměr FFT. Délka rámce je tedy součin rozměru FFT a vzorkovací periody. Body výpočtu FFT ve frekvenční oblasti jsou často nazývány FFT zásobníky. Proto je rozměr FFT roven počtu zásobníků v jednom FFT rámci. Tyto zásobníky odpovídají jednotlivým výstupům paralelních filtrů banky. (Všechny zásobníky mají stejný frekvenční rozsah.) Dvě spektrální čáry, které jsou k sobě blíže, než je šířka zásobníku, nemohou být rozeznány.
Dělení na okna (Windowing) Základní matematický předpoklad Diskrétní Fourierovy transformace a FFT analýzy je, že zpracovávaná data představují jednu periodu periodicky se opakujícího signálu. Obr. 2–12 znázorňuje sérii vzorků v časové oblasti. Když použijeme FFT zpracování např. v rámci 2, signál se periodicky rozšíří. Na obrázku 2–13 vidíme, že se občas objevují nespojitosti mezi následujícími rámci. Tyto umělé nespojitosti vytvářejí falešné odezvy, které nejsou součástí původního signálu, což může znemožnit zjištění malých signálů v blízkosti jednoho z větších signálů. Tento jev se nazývá spektrální únik.
Obr. 2-12 Obr. 2-13 RTSA používají techniku dělení na okna na FFT rámce ke snížení vlivu spektrálního úniku před tím, než proběhne FFT. K dispozici je mnoho možných funkcí oken. Funkce oken mají obvykle tvar zvonu, např. populární Blackman-Harris 4B (BH4B) profil. Funkce oken Blackman-Harris 4B má spojitou křivku uprostřed a nulovou hodnotu pro první a poslední vzorky. Násobení FFT rámce funkcí oken snižuje nespojitosti na koncích rámce. V případě Blackman-Harrisova okna můžeme vyloučit nespojitosti úplně. Účelem dělení obrazovky na okna je dát větší váhu vzorkům uprostřed okna než těm dál od středu, a tím se hodnota na koncích blíží k nule. Úmyslem je skutečné snížení času, po který je FFT vypočítávána. Jiný význam dělení na okna je ten, že data v časové oblasti upravená dělením na okna dávají výstupní FFT spektrum, které je nejcitlivější na chování uprostřed rámce a necitlivé na chování na začátku a konci rámce. Přechodné signály objevující se blízko kteréhokoliv konce FFT rámce jsou potlačeny. Tento problém může být rozřešen použitím překrývání rámců.
13
Překrývání rámců Některé RTSA mohou operovat v režimu reálného času s překrýváním rámců. V tom případě je předchozí rámec zpracováván ve stejném čase, ve kterém je nový rámec získáván (zachycován, vzorkován). Jedna výhoda překrývání rámců je ve zvýšení rychlosti obnovení displeje, což je nejvíc znatelné u úzkých frekvenčních rozpětí (span), která potřebují dlouhé akvizice (získávání dat). Bez překrývání rámců nemůže být obrazovka obnovena, dokud není získán (zachycen) úplný nový rámec. Při použití překrývání rámců jsou nové rámce zobrazeny dříve, než je předchozí rámec dokončen. Další výhoda je nepřerušené zobrazení frekvenční oblasti na displeji spektrogramu. Protože filtr dělení na okna snižuje účast vzorků na každém konci rámce na nulu, spektrální události dějící se během spojení mezi dvěma sousedními rámci mohou být ztraceny, jestliže se rámce nepřekrývají. Překrývání rámců zaručuje, že všechny spektrální události budou viditelné na spektrogramu bez ohledu na dělení na okna.
Analýza modulace Modulace jsou prostředky, díky kterým radiové signály přenášejí informace. Modulační analýza používaná v RTSA nejen vybírá přenášená data, ale i měří přesnost, se kterou jsou signály modulovány. Navíc stanovuje spoustu chyb a poruch, které snižují kvalitu modulace. Moderní komunikační systémy výrazně navýšily počet modulačních formátů, které se používají. S RTSA jsme schopni analyzovat nejběžnější formáty a jeho architektura nám dovolí analyzovat i nové formáty, jakmile se postupně objeví.
AM, FM a PM RF (vysokofrekvenční) nosné frekvence mohou přenášet informace různými způsoby založenými na změnách amplitudy (AM) nebo fáze (PM) nosné. Frekvence je časová derivace fáze. Frekvenční modulace (FM) je proto časová derivace fázové modulace. Kvadraturní (čtyřstavové) klíčování fázovým posunem (QPSK) je formát digitální modulace, ve kterém se koncové body vektoru vyskytují v násobcích 900 fáze. Kvadraturní amplitudová modulace (AM) je modulační formát vyššího řádu, ve kterém jsou jak amplituda, tak fáze nastavovány zvlášť pro více stavů. Dokonce i velmi složité modulační formáty, jako je ortogonální frekvenčně dělený multiplex (OFDM), mohou být rozloženy na amplitudové a fázové složky. Poznámka: Modulační metoda OFDM spočívá v použití několika stovek až tisíců nosných kmitočtů. Nosné jsou dále modulovány dle potřeby různě robustními modulacemi, např. QPSK. Jednotlivé nosné jsou vzájemně ortogonální, takže maximum každé nosné by se mělo překrývat s minimy ostatních. Datový tok celého kanálu se tak dělí na stovky dílčích datových toků jednotlivých nosných.
Velikost (amplitudu) a fázi si můžeme představit jako délku a úhel vektoru v polárním souřadnicovém systému. Tentýž bod může být vyjádřen v kartézských neboli pravoúhlých souřadnicích (X, Y). I/Q formát časových vzorků, uložený v paměti RTSA, je matematicky shodný s kartézským formátem, kde I odpovídá horizontální složce (X) a Q vertikální složce (Y). AM demodulace se skládá z vypočítání okamžité velikosti pro každý I/Q vzorek uložený v paměti a vykreslení výsledku v závislosti na čase. PM demodulace se skládá z vypočítání fázového úhlu z I a Q vzorků, uložených v paměti a vykreslení v závislosti na čase po přepočtu kvůli nespojitosti funkce arctg v bodech ±π/2. Jakmile je fázový průběh (PM) vypočítán pro časový záznam, může být FM vypočítána jeho časovou derivací.
14
Digitální modulace Obr. 2-17 ↓ Obr. 2–17 ukazuje zpracování signálu v typickém digitálním komunikačním systému. Vysílací proces (horní zelené ohraničení) začíná připravením dat (Data) a taktovacího signálu (Clock) k odeslání. Data a hodiny procházejí přes kodér, který poupraví data, přidá synchronizační bity a provede zakódování algoritmu opravení chyb. Data jsou pak rozdělena na složky I a Q a filtrována v dolních propustích, čímž se změní bity na analogové průběhy, které jsou poté vzestupně převedeny (zvýšení frekvence – velký žlutý blok) do vhodného kanálu a přeneseny vzduchem. Po odvysílání signál po cestě k přijímači trpí degradací z okolního prostředí. Proces příjmu (dolní modré ohraničení) je opačný k procesu vysílání s několika kroky navíc. Rádiový signál je sestupně převeden do I a Q základních signálů (velký žlutý blok), které dále procházejí skrz RC nebo RL filtry pro odstranění mezisymbolového (mezi složkami I a Q) rušení. Signál je poté poslán skrz algoritmus, který obnovuje přesnou frekvenci, fázi a časování dat (růžový blok). To je nutné k opravení vícecestného zpoždění (od různě vzdálených vysílačů) a Dopplerova posuvu vzniklého během přenosu. Také to řeší problém, že vysílací a přijímací oscilátory nejsou sesynchronizovány (spodní malé žluté bloky – místní oscilátor). Jakmile jsou frekvence, fáze a taktovací signál (hodiny) obnoveny, signál je demodulován a dekódován, chyby opraveny a jednotlivé bity obnoveny. Je mnoho druhů digitální modulace a mezi známé patří FSK, BPSK, QPSK, GMSK, QAM, OFDM a další. Digitální modulace je často kombinována s označením kanálu, filtrováním, řízením výkonu, opravou chyb a komunikačními protokoly, což zahrnuje konkrétní digitální komunikační standard, jehož cílem je předat bezchybné informační bity mezi rádiovými zařízeními na opačných koncích spojení. Značná složitost v digitálních komunikačních formátech je nezbytná k vyrovnání chyb a poškození, vstupujících do systému, když signál prochází prostředím (vzduchem). Základní postup zpracování signálu pro digitální modulační analýzu je stejný jako u přijímače s výjimkou toho, že obnovené symboly jsou použity k rekonstrukci matematicky ideálních I a Q signálů. Tyto ideální signály jsou porovnány se skutečnými nebo zhoršenými I a Q signály k vygenerování požadované modulační analýzy a k měření.
15
Měření výkonu a statistika RTSA může provádět měření výkonu jak ve frekvenční tak v časové oblasti. Měření v časové oblasti jsou prováděna sčítáním výkonů základních signálů I a Q uchovaných v paměti pro daný časový interval. Měření ve frekvenční oblasti se provádějí sčítáním výkonu ve spektru pro daný frekvenční interval. Komunikační standardy často požadují statistická měření pro složky a zařízení konečného uživatele. RTSA mají měřicí programy pro statistické výpočty jako např. CCDF signálu (Complementary Cumulative Distribution Function = doplňková kumulativní (narůstající) distribuční (rozdělovací) funkce), která se často používá k charakterizování výkonového chování složitých modulovaných signálů pomocí poměru špičkového k průměrnému výkonu. Poznámka: CCDF je statistický popis signálu v časové oblasti, který plně popisuje výkonové chování signálu. CCDF graf má na ose X průměrný výkon signálu a na ose Y pravděpodobnost jeho výskytu, takže každý bod křivky ukazuje, jak dlouho je signál na nebo nad danou výkonovou úrovní. Na ose X je výkonová úroveň v dB vzhledem k průměrné výkonové úrovni signálu. Na ose Y je pravděpodobnost v procentech a v logaritmickém měřítku.
Kapitola 3: Měření s RTSA Tato kapitola popisuje provozní režimy a měření RTSA.
Měření ve frekvenční oblasti RTSA RTSA poskytuje nepřerušované snímání (zachycování) v reálném čase, spouštění v reálném čase a schopnost analyzovat data zachycená v časové oblasti s využitím zobrazení výkonu v závislosti na frekvenci a zobrazení spektrogramu. Jak bylo vysvětleno v kapitole 1, spektrogram má tři osy: - Vodorovná osa reprezentuje frekvenci - Vertikální osa představuje čas - Barva představuje amplitudu Při kombinaci se schopností spouštění v reálném čase se spektrogram stává ještě výkonnějším měřicím nástrojem pro dynamické RF signály. · · · · · dat)
Při použití zobrazení spektrogramu je třeba dbát na následující: časové trvání rámce je závislé na frekvenčním rozpětí (span) (širší rozsah = kratší čas) jeden vertikální krok na spektrogramu = jeden rámec v reálném čase jeden rámec v reálném čase = 1024 vzorků v časové oblasti data v bloku jsou nepřerušovaně zachycována a časově sousedící horizontální černé čáry na spektrogramu představují hranice mezi bloky; jsou to mezery v čase, které nastávají mezi akvizicemi (sběry
Standardní SA Režim standardního SA zobrazuje měření ve frekvenční oblasti, které napodobuje obvyklý rozmítaný SA. Pro frekvenční rozsahy, které přesahují šířku pásma přístroje pracujícího v reálném čase, je toho dosaženo laděním RTSA přes požadované frekvenční rozpětí (span) stejně jako u klasického SA (podrobněji popsáno na konci této kapitoly). Tento režim také poskytuje nastavitelná RBW (rozlišení šířky pásma), funkce průměrování, schopnost nastavování FFT a nastavení dělení na okna. Spouštění v reálném čase a nepřerušované zachycení signálu v reálném čase nejsou v režimu standardního SA dostupné.
16
SA se spektrogramem Režim RTSA se spektrogramem poskytuje stejné funkce jako klasický SA s přidaným displejem spektrogramu. Tento režim umožňuje uživateli vybrat větší rozsah než je maximální akviziční šířka pásma RTSA. Režim SA se spektrogramem na rozdíl od režimu RTSA ale nemá spouštění v reálném čase, nepřerušované zachycování a data nejsou ukládána do paměti přístroje. Díky tomu je nemožné posouvat se zpět v čase na datech zobrazených na spektrogramu.
Měření v časové oblasti Frekvence v závislosti na čase Při měření frekvence v závislosti na čase je frekvence zobrazena na svislé ose a čas je zobrazen na ose vodorovné. Zobrazení se tedy podobá spektrogramu, ale se dvěma důležitými odlišnostmi: · zobrazení časové závislosti frekvence má mnohem lepší rozlišení v časové oblasti než spektrogram · pro každý bod v čase se počítá průměrná hodnota frekvence, což znamená, že nelze zobrazit vícenásobné RF signály, jak to umí spektrogram. Spektrogram je složen z rámců a má řádek po řádku časové rozlišení rovno délce jednoho rámce, kdežto zobrazení časové závislosti frekvence má časové rozlišení jednoho vzorkovacího intervalu. Za předpokladu, že je v rámci 1024 vzorků, je rozlišení v tomto režimu 1024krát jemnější než rozlišení spektrogramu. Tímto lze jednodušeji sledovat malé krátké frekvenční posuny ve velkém detailu. Zobrazení funguje skoro jako velmi rychlý měřič frekvence. Každý navzorkovaný bod (každý z 1024) představuje hodnotu frekvence, ať je rozpětí (span) několik stovek Hz či několik MHz. Signály o konstantní frekvenci, jako jsou CW nebo AM, vytvářejí zobrazení s plochou úrovní.
Obr. 3-4 ↓ Zobrazení frekvence závislé na čase dává nejlepší výsledky, máme-li relativně silný signál na jedné jediné frekvenci. Obr. 3–4 je zjednodušené znázornění časové závislosti frekvence v protikladu se spektrogramem. Zobrazení časové závislosti frekvence je do jisté míry zvětšené zobrazení části spektrogramu. To je velmi užitečné pro zkoumání přechodných jevů, jako je frekvenční překmit či zakmitání. Pokud jsou v měřicím prostředí vícenásobné signály, nebo jeden signál se zvyšující se úrovní šumu (rušení) nebo občasné jehličky, je upřednostňovaný spektrogram, který znázorní všechny frekvenční a amplitudové aktivity přes zvolené rozpětí (span). Obr. 3-5 a 3-6 ukazují rozdílná zobrazení analýzy od stejné akvizice (sběru dat). Na obr. 3–5 je spouštění ve frekvenční masce k zachycení přechodného signálu z vysílače, který má občasné problémy s frekvenční stabilitou při zapínání. RF signál překročil frekvenční masku zobrazenou vlevo a způsobil spuštění. Spektrogram vynesený vpravo zobrazuje chování zařízení při ustalování frekvence. Na obr. 3-6 je zobrazení časové závislosti frekvence téhož signálu – (při ustalování frekvence; jako spektrogram používající 25ms délku analýzy).
17
Výkon v závislosti na čase Zobrazení výkonu v závislosti na čase na obr. 3–8 ukazuje, jak se mění výkon signálu po jednotlivých vzorcích. Zobrazení je podobné jako u zobrazení na osciloskopu v časové oblasti, kde na vodorovné ose je čas. Na svislé ose je ale zobrazen výkon v logaritmické stupnici – namísto napětí na lineární stupnici – a představuje celkový výkon zjištěný ve frekvenčním rozpětí (span). Pro každý vzorek v časové oblasti se výkon počítá následovně: Výkon [dB] = 10 * log (I2 + Q2) / 1 mW
CCDF Zobrazení CCDF vykresluje pravděpodobnost, že výkonová špička nad průměrným výkonem na měřeném signálu překročí amplitudu zobrazenou na horizontální stupnici. Pravděpodobnost je zobrazena v procentech a v logaritmickém měřítku na vertikální ose. CCDF analýza měří vlastně činitel výkyvu (= crest factor C), který je důležitý pro mnoho digitálních signálů, zvlášť pro ty, které používají CDMA (mnohonásobný přístup s kódovým dělením) a OFDM (ortogonální frekvenčně dělený multiplex, viz kap. AM, FM a PM). Crest faktor je poměr špičkové hodnoty signálu k efektivní hodnotě a výsledek je v dB. C [dB] = 20 * log (UPEAK / URMS) Činitel výkyvu signálu určuje, jak musí být vysílač nebo přijímač lineární, abychom se vyhnuli nepřijatelné úrovni zkreslení. Křivky CCDF na obr. 3–9 ukazují měřený signál žlutě a Gaussovu referenční stopu modře. CCDF a činitel výkyvu zajímají zvláště návrháře, kteří musí dát do rovnováhy spotřebu výkonu a výkonnost zkreslení zařízení, např. zesilovačů.
I/Q v závislosti na čase Závislost přechodných hodnot I/Q na čase je další zobrazení v časové oblasti, které ukazuje amplitudy vektorů I a Q jako funkce času. Měření ukazuje původní nezpracované I a Q výstupní signály přicházející z digitálního konvertoru snižujícího frekvenci. Zobrazení není synchronizováno s žádnou modulací, která by mohla být na analyzovaném signálu, na rozdíl od m ěřicího režimu I/Q v závislosti na čase v obvodu pro digitální demodulaci. Měření může sloužit jako užitečný nástroj při hledání problémů, zvláště pokud jde o poskytnutí přehledu o frekvenčních a fázových chybách a nestabilitách.
18
Měření v modulační oblasti Analýza analogové modulace Režim analogové demodulace poskytuje měření pro demodulaci a analýzu amplitudové modulace, frekvenční modulace a fázové modulace. Tyto nástroje (stejně jako měření v časové oblasti) jsou založeny na konceptu multi-doménové analýzy (v mnoha oblastech) a okna spektra a analýzy mohou být umístěna kdekoli v bloku zobrazeném v přehledovém okně.
Analýza digitální modulace Digitální demodulační režim může demodulovat a analyzovat mnoho běžných digitálních signálů založených na klíčování fázovým posunem (PSK = Phase Shift Keying), klíčování frekvenčním posunem (FSK) a kvadraturní amplitudové modulaci (QAM). RTSA nabízí široký rozsah měření, zejména: · konstelační diagram · velikost chybového vektoru (EVM) · chybu amplitudy · chybu fáze · demodulaci I/Q v závislosti na čase · tabulku symbolů · diagram oka. RTSA poskytuje výkonné řešení pro charakterizaci dynamicky modulovaných signálů pomocí kombinace měření digitální demodulace pomocí VSA se spouštěním v reálném čase a časově korelovanou (souvztažnou) multioblastní analýzou, jak je vidět na obr. 3–14, 3–15, a 3– 16.
Obr. 3-14
Obr. 3-15
Obr. 3-16
(deformace amplitudy sinusovky) (konstelační diagram – nestabilita PDC) (diagram oka – chyba velikosti PDC) Poznámka: PDC (Programme Delivery Control = řízení dodávky programu) je systém, který zapíná/vypíná při začátku/konci programu rekordéry užitím skrytých kódů v teletextu (zásobník 8, paket 30). Každý TV program má PIL (Programme Ident Label = identifikační značka programu), která obsahuje datum, čas a kanál programu. Kód PDC obsahuje PIL, a protože se přenáší v programu každou sekundu, rekordér se na konci programu vypne. VPS (Video Programming System) je starší systém používaný v ČR. VPS data mají stejný formát jako PDS, ale vysílají se v jednom televizním řádku analogového signálu (ř.16 VBI – vertical blanking interval = vertikální zatemňovací impulz).
19
Modulační analýza založená na standardech RTSA rovněž poskytuje řešení pro modulační analýzu mnoha komunikačních standardů, jako např. W-CDMA, HSDPA, GSM / EDGE, CDMA2000, 1xEV-DO, a další. Obr. 3–17 a 3–18 ukazují příklady modulační analýzy založené na standardech.
Obr. 3-17
Obr. 3-18
Konstelačnídiagram vpravo dole – chyba od glitchů viditelných vlevo nahoře - výkon v závislosti na čase
Spektrogram, konstelační diagram a závislost fáze na čase GSM signálu s frekvenčním skokem
Spektrogram
Poznámka: Konstelační diagram: Libovolný vf signál o konstantní frekvenci a časově proměnné fázi i amplitudě je možné zobrazit v komplexní rovině jako fázor, složený ze dvou kvadraturních složek I(t) (In-phase) a Q(t) (Quadrature-phase) se stejnými frekvencemi a se vzájemnou fází 90°. Konstelační diagram je zobrazení koncových bodů stavu těchto fázorů v okamžiku vzorkování. Vektorový diagram zobrazuje jednotlivé stavy i přechody mezi nimi.
20
Kódogram Kódogram RTSA přidává časovou osu k měření výkonu v kódové oblasti pro komunikační standardy založené na CDMA. Stejně jako spektrogram, i kódogram intuitivně ukazuje změny v čase. Poznámka: Kódogram je 3D zobrazení, kde na vodorovné ose je OVSF, na svislé ose jsou časové úseky a kódový výkon je představován barvou. Kódy OVSF (Orthogonal Variable Spreading Function = rozprostírací funkce ortogonálních proměnných) se přednostně užívají k zachování ortogonality (kolmosti vektorů) mezi různými kanály v komunikačním systému. Zobrazení kódogramu ukazuje, jak se kódové úrovně mění v čase, což zjednodušuje sledování přenosu, chyb a předávání. Kódogram a spektrogram zachytí více dat a žádná neztratí – ukazuje nepřerušovanou historii informace.
Kapitola 4: Často kladené otázky Co je to RT spektrální analýza? Základní koncept v RT spektrální analýze je schopnost spouštět od RF signálu, nepřerušovaně ho zachytávat do paměti a analyzovat ve více oblastech. Díky tomu je možné spolehlivě zjišťovat a charakterizovat časově proměnné RF signály.
Co je to RT šířka pásma? Namísto rozmítání přes rozsah frekvencí dělá RTSA snímky veškeré RF energie v rámci celého frekvenčního rozpětí (span). Toto rozpětí odpovídá šířce pásma akvizicí (sběru dat) v reálném čase. Digitalizací signálu a záznamem I/Q vzorků v časové oblasti může RTSA nepřerušovaně zachycovat signály, které se objevují v jeho RT šířce pásma a analyzovat amplitudové, frekvenční, fázové a modulační parametry v konkrétních časových bodech. RT šířka pásma může být umístěna kdekoli v absolutním frekvenčním rozsahu přístroje. Maximální RT šířka pásma je důležitý parametr RTSA. Je omezena vzorkovací rychlostí ADC a šířkou pásma, ve které má IF (mf) propust lineární frekvenční a fázovou odezvu.
Co je to RT nepřerušované snímání? RT architektura umožňuje průběžně zachytávat RF signál po dlouhou dobu. Nepřetržitý sled vzorků v časové oblasti je získáván a ukládán v paměti RTSA o velké hloubce. To umožňuje existenci časové osy a zobrazení spektrogramu – vzájemné závislosti frekvence, amplitudy a času. To, že má přístup k amplitudě a fázi ještě nezpracovaného signálu, dává RTSA schopnost vykonávat úplnou spektrální analýzu ve frekvenční, časové a modulační oblasti s použitím FFT a dalších DSP technik zpracovávajících zaznamenané vzorky v časové oblasti. Další důležitý důsledek je, že veškerá energie RF signálu v RT šířce pásma akvizic (sběru dat) je digitalizována a zaznamenávána současně. Kontrastuje to s rozmítaným spektrálním analyzátorem (SA), který ladí napříč frekvenčním rozpětím (span) po úzkých krocích a shromažďuje výsledky pro vytvoření spektrálního zobrazení. S RTSA může uživatel odhalit a charakterizovat dynamické signály, které se vyskytují kdekoliv v jeho šířce pásma kdykoliv v bloku nepřerušované informace v časové oblasti. 21
Co je myšleno "statickými" a "dynamickými" signály? Statické (nebo „nehybné“ signály) jsou neměnné signály. Spousta měření se spektrálním analyzátorem a mnoho komunikačních standardů požaduje jako vstupy pro testované zařízení známé a bezproblémové signály. Dynamické signály se mění v čase. Mohou měnit svoji amplitudu, frekvenci, fázi nebo typ modulace nebo mohou mizet a znovu se objevovat v pravidelných nebo neznámých intervalech. Tyto typy RF signálů mohou být důležité pro odhalení a charakterizování různých aplikací od sledování (kde se signály objevují krátce a nepředvídaně) po návrh fázově uzavřené smyčky (kde čas potřebný pro obnovení po posunu frekvence musí vyhovovat návrhovým požadavkům).
Proč vypadají signály jinak při použití filtru RBW v režimu standardního SA? RTSA má všechny své RBW filtry realizované digitálně pomocí DSP. V porovnání s běžnými analogovými SA mohou být činitele tvaru (propustné křivky) těchto filtrů mnohem strmější a tak vytvářejí užší tvary průběhu spektra. Strmá propustná křivka RBW je vylepšení oproti rozmítaným SA, protože mohou být zjištěny nízkoúrovňové signály blízko nosné. Je tedy jednodušší pozorovat fázový šum, protože není skryt pod tvarem propustné křivky širokého RBW filtru.
Proč vypadá šum na RTSA jinak? V RT akvizičních režimech vytváří RTSA rychle snímky vstupního RF signálu. Má-li popsat rychlé změny v těchto RF signálech, musí nezbytně analyzovat příchozí signály ve velmi krátkých časových oknech (rámcích). Proto ukáže přesně šumové vlastnosti spektra v každém rámci. Tradiční rozmítaný SA musí rozmítat pomalu a proto je nucen průměrovat šum, když rozmítá skrz celé frekvenční rozpětí (span). Tento delší „analyzační čas“ rozmítaného SA je důvodem, proč vypadá odlišně než displej RTSA.
Jak lze všeobecnou RF výkonnost RTSA přirovnat k rozmítanému SA? RTSA je lepší ve srovnání s moderními rozmítanými SA, které užívají digitální IF části. Zde je přehled základních oblastí, ve kterých každý typ analyzátoru může zavést v měření chybu: · Měření v reálném čase: Rozmítaný SA ve skutečnosti nemá schopnost práce v reálném čase a následkem toho zavádí pro přechodné signály velké chyby. RTSA je optimalizován pro spouštění, zachycování a analyzování přechodných či časově proměnných signálů. · Zkreslení rozmítaného SA a RTSA je obdobné kvůli RF převodníku. · Amplitudová plochost RF převodníku je pro RTSA a rozmítaný SA obdobná.
Kdy mám použít RTSA? Kdy mám použít rozmítaný SA? Žádný jednotlivý analyzátor nikdy nebude nejlepším řešením pro každý problém RF měření. Ve skutečnosti může být mnoho běžných měření vykonáno se stejnou účinností užitím buď rozmítaného SA nebo RTSA. V mnoha případech je RTSA univerzálnější nástroj, protože poskytuje měření v reálném čase doplňující základní měření ve frekvenční oblasti.
22
· Měření přechodných a dynamických signálů, které se mění v průběhu času – použiji RTSA · Spouštění v reálném čase, nepřerušovaný sběr dat a hloubková analýza signálu – použiji RTSA · Korelace (souvztažnost, vzájemný vztah) událostí v časové, frekvenční a modulační oblasti – použiji RTSA · Analýza modulace komplexních (složitých) komunikačních standardů – použiji RTSA nebo VSA (vektorový SA) · Základní parametrické měření ve frekvenční oblasti – použiji RTSA nebo rozmítaný SA · Statická měření signálu, která vyžadují velmi vysoký dynamický rozsah – použiji rozmítaný SA
Kapitola 5: Slovník pojmů Acquisition = akvizice = Získávání vzorků; sběr dat; celočíselný počet časově sousedních rámců; blok. Acquisition Time = čas akvizice = Doba, představující jednu akvizici. Totéž jako délka bloku. Amplitude = amplituda = Velikost elektrického signálu. [Podle naší normy je to max. hodnota sinusového signálu.] Amplitude Modulation (AM) = amplitudová modulace = Proces, v němž amplituda sinusového průběhu (nosné) je upravená podle okamžitého napětí průběhu druhého elektrického signálu (modulační signál). Analysis Time = čas analýzy = Podmnožina časově sousedících vzorků z jednoho bloku, která se používá jako vstup pro zobrazení analýzy. Analysis View = zobrazení analýzy = Flexibilní (přizpůsobivé) okno užívané k zobrazení výsledků měření v reálném čase. Block = blok = Celočíselný počet časově sousedících rámců. Carrier = nosná = RF signál, na němž se provádí modulace. Carrier Frequency = nosná frekvence = Frekvence konstantní složky (CW) přenášeného signálu. Center Frequency = střední frekvence = Frekvence příslušná středu frekvenčního rozpětí (span) displeje analyzátoru. Codogram = kódogram = Zobrazení kódového kanálu v závislosti na času a výkonu, kde kanál v kódu CDMA je na ose x, čas na ose y a úroveň výkonu se vyjadřuje barevně. CW Signal = CW signál = Spojitý průběh signálu – obecně se tím rozumí sinusoida. dBfs = Jednotka pro vyjádření výkonu v decibelech vzhledem k celé stupnici (full scale). Podle souvislosti je to buď plný rozsah displeje, nebo plný rozsah ADC. dBm = Jednotka pro vyjádření výkonu v decibelech vzhledem k 1 mW. dBmV = Jednotka pro vyjádření úrovně napětí v decibelech vzhledem k 1 milivoltu. Decibel (dB) = Desetkrát logaritmus poměru jednoho elektrického výkonu k druhému. Display Line = zobrazovací čára = Horizontální nebo vertikální čára (přímka) na displeji průběhu, která se používá jako referenční pro vizuální (nebo automatické) srovnání s danou úrovní, časem nebo frekvencí. Distortion = zkreslení = Degradace (zhoršení) signálu, často v důsledku nelineárních operací, která vede k nežádoucím frekvenčním složkám. Běžné typy jsou harmonické a intermodulační zkreslení.
23
Dynamic Range = dynamický rozsah = Maximální poměr úrovní dvou signálů současně přiváděných na vstup, které lze měřit s danou přesností. FFT = Rychlá Fourierova transformace – Matematický postup výpočtu frekvenčního spektra z diskrétního počtu vzorků v časové oblasti. Frame = rámec = Řada časově sousedících vzorků, použitých pro výpočet jednoho frekvenčního spektra. Frame Length = délka rámce = Množství času, zastoupené vzorky rámce v časové oblasti, jako funkce počtu vzorků a vzorkovací rychlosti. Frequency = frekvence = Rychlost, s kterou signál osciluje, vyjádřená v hertzích nebo (dříve) v počtu cyklů za sekundu. Frequency Domain View = zobrazení ve frekvenční oblasti = Znázornění výkonu spektrálních složek signálu jako funkce frekvence, spektrum signálu. Frequency Drift = frekvenční posuv = Postupný posuv nebo změna zobrazované frekvence za určitý čas, zůstávají-li ostatní podmínky konstantní. Vyjadřuje se v Hz za sekundu. Frequency Mask Trigger = spouštění ve frekvenční masce = Flexibilní (přizpůsobivé) spouštění v reálném čase založené na specifických (stanovených) událostech, které nastávají ve frekvenční oblasti. Frequency Modulation = frekvenční modulace = Je to proces, ve kterém frekvence elektrického signálu (nosná) se mění podle okamžitého napětí druhého elektrického signálu (modulační signál) Frequency Range = frekvenční rozsah = Rozsah frekvencí, na kterých přístroj pracuje, s dolní a horní hranicí. Frequency Span = frekvenční rozpětí (span) = Plynulý rozsah frekvencí ležící mezi dvěma frekvenčními limity. [V celé příručce se tím rozumí frekvenční rozsah zobrazený na displeji.] Marker = značka = Vizuálně identifikovatelný bod na vykreslení (stopě) průběhu, který se používá k označení bodu, jehož hodnoty v rozsahu a oblasti chceme získat. Modulace = modulovat = Měnit charakteristiku signálu, nejčastěji pro přenos informace. Noise = šum = Nežádoucí náhodné rušení, superponované (přidané) k signálu, které má tendenci ho zastínit. Noise Floor = hladina (podlaha) šumu = Úroveň šumu příslušející systému, která vyjadřuje minimální mez, při které ještě může být vstupní signál pozorován; nejmenší hodnota odpovídá tepelnému šumu. Noise Bandwidth (NBV) = šířka pásma šumu = Přesná šířka pásma filtru, který se používá pro výpočet absolutní energie v dBm/Hz. Real-Time Bandwidth = šířka pásma v reálném čase = Rozpětí frekvencí (span), přes které můžeme v reálném čase zpracovávat nepřerušované vzorky signálu, což je funkcí digitizéru a IF (mezifrekvenční) šířky pásma RTSA. Real-Time Seamless Capture = nepřerušované vzorkování v reálném čase = Schopnost získat a uložit do paměti nepřerušenou řadu vzorků v časové oblasti představujících dlouhodobé chování RF signálu. Real-Time Spectrum Analysis = spektrální analýza v reálném čase = Měřicí technika založená na spouštění od RF signálu, který se nepřerušovaně zachycuje do paměti a analyzuje v časové, frekvenční a modulační oblasti. Reference Level = referenční úroveň = Úroveň signálu representovaná nejhořejší čarou rastru displeje analyzátoru. Resolution Bandwidth (RBW) = rozlišení šířky pásma = Šířka nejužšího filtru v IF (mezifrekvenčních) stupních SA. RBW určuje schopnost analyzátoru rozpoznat jen těsně oddělené složky signálu.
24
Sensitivity = citlivost = Měřítko schopnosti spektrálního analyzátoru zobrazovat signály minimální úrovně, která je obvykle vyjádřena jako zobrazovaná průměrná úroveň šumu (DANL = displayed average noise level) Spectrogram = spektrogram = Zobrazení vzájemné závislosti frekvence, času a amplitudy, kde frekvence je na ose x, čas na ose y a výkon je vyjádřen barvou. Spectrum = Spektrum = Znázornění signálu ve frekvenční oblasti, který ukazuje rozložení výkonu jeho spektrálních složek v závislosti na frekvenci. Spectrum Analyzer = spektrální analyzátor = Měřicí technika pro stanovení frekvenčního obsahu RF signálu. Vector Signal Analysis = vektorová signální analýza = Měřicí technika pro popsání modulace RF signálu.
Použité zkratky ADC: Analog-to-Digital Converter = analogově číslicový převodník AM: Amplitude Modulation = amplitudová modulace BH4B: Blackman-Harris 4B Window = B.H.4B okno CCDF: Complementary Cumulative Distribution Function = doplňková kumulativní distribuční funkce CDMA: Code Division Multiple Access = mnohonásobný přístup s kódovým dělením CW: Continuous Wave = postupná vlna; spíš: konstantní frekvence dB: Decibel = decibel dBfs: dB Full Scale = dB vztažený k plnému rozsahu DDC: Digital Down Converter = digitální obvod pro snížení frekvence DSP: Digital Signal Processing = práce s digitálním signálním procesorem EVM: Error Vector Magnitude = velikost chybového vektoru FFT: Fast Fourier Transform = rychlá Fourierova transformace FM: Frequency Modulation = frekvenční modulace FSK: Frequency Shift Keying = klíčování s fázovým posuvem IF: Intermediate Frequency = mezifrekvence I/Q: In-Phase / Quadrature = soufázová / kvadraturní (složka) LO: Local Oscillator = místní oscilátor NBW: Noise Bandwidth= šířka pásma šumu OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing = ortogonální frekvenčně dělený multiplex PM: Phase Modulation = fázová modulace PSK: Phase Shift Keying = klíčování fázovým posuvem QAM: Quadrature Amplitude Modulation = kvadraturní amplitudová modulace RBW: Resolution Bandwidth = rozlišovací šířka pásma RF: Radio Frequency = rádiová frekvence rms: Root Mean Square = efektivní hodnota RTSA: Real-Time Spectrum Analyzer = spektrální analyzátor pracující v reálném čase SA: Spectrum Analyzer = spektrální analyzátor VSA: Vector Signal Analyzer = vektorový spektrální analyzátor Z anglického originálu Fundamentals of Real-Time Spectrum Analysis 2005 Tektronix (37W-17249-2) přeložila v prosinci r.2009 třída P4a a opravil a upravil Jiří Jedlička
25
Otázky na písemku: 1. Co je CDMA – str. 3 2. Úlohy při měření RF signálů – str. 4 3. Blokové schéma rozmítaného SA – str. 4, 5, 6 – delší otázka 4. Blokové schéma vektorového SA – str. 4, 5, 6 – delší otázka 5. Blokové schéma RTSA – str. 6, 7 – delší otázka 6. Spektrogram – str. 9 a 20 7. Kódogram – str. 21 – krátká otázka 8. DSP v RTSA (blokové schéma nemusíte umět nakreslit) – str. 10 9. Zdroje spouštění v RTSA – str. 12 10. Analýza pomocí FFT – str. 13 11. AM, FM a PM – str. 14 12. Digitální modulace (blokové schéma nemusíte umět nakreslit) – str. 15 – dlouhá otázka 13. Měření výkonu a statistika, CCDF – str. 16 a 18 14. Frekvence v závislosti na čase – str. 17 15. Analýza digitální modulace – str. 19 – krátká otázka 16. Kdy použít RTSA a kdy rozmítaný SA – str. 22, 23 Původní přeložený text má 33 stránek, snažil jsem se to zkrátit, co to jde – ve skutečnosti těch stránek není 26, protože něco je malým písmem, něco jsem do písemky nevybral a něco je Slovník pojmů (něco v něm taky potřebujete). Bloková schémata si můžete zjednodušit, je třeba zejména vystihnout rozdíly mezi jednotlivými SA.
26
