Skip navigation
All Places > Keysight Blogs > Keysight Russia > Blog > 2018 > August
2018

Достичь лучших характеристик и повысить скорость измерения

Как-то в демонстрационном павильоне на выставке инженер пожаловался мне на скорость измерения осциллографа PXI. Для выполнения измерения он сам программировал захват данных и последующий анализ. В итоге на получение каждого результата у него уходило больше минуты. Я объяснил ему, что всё это делать не нужно, достаточно лишь настроить измерение в осциллографе и непосредственно считать результат измерения. Этот процесс должен занять всего пару микросекунд. Встроенная в осциллограф специализированная ИС помогает минимизировать объём передаваемых данных и ускоряет анализ.

 

Подобно тому, как осциллограф имеет встроенную систему цифровой обработки сигнала, приборы для анализа ВЧ сигналов имеют встроенную систему обработки, которая повышает скорость измерений.

 

Проблемы ВЧ измерений

В ходе анализа ВЧ сигналов частоту исследуемого сигнала обычно понижают до промежуточной (ПЧ), что позволяет использовать дигитайзер высокого разрешения для захвата сигнала с более широким динамическим диапазоном. Затем полученные данные отправляются в ПК для анализа. Однако современные беспроводные системы связи, такие как 5G, стандарт 802.11ax и т.п., усложнили этот анализ. Анализ этих систем может потребовать измерения сложных схем модуляции (например, мультиплексирование с ортогональным делением частот – OFDM), агрегации несущих или MIMO (несколько входов, несколько выходов).

 

Все эти сложные задачи требуют серьёзной обработки сигнала, что в свою очередь замедляет измерения. Это проблема весьма актуальна, поскольку скорость измерений является определяющим параметром во многих приложениях, особенно в условиях серийного производства.

В большинстве анализаторов сигналов наиболее важным компонентом является дигитайзер. Для расширения полосы анализа нужно захватывать сигналы с помощью быстродействующего дигитайзера. Сердцем быстродействующего дигитайзера является мощная ПЛИС или специализированная ИС, которая обрабатывает данные в режиме реального времени. Это позволяет обрабатывать и сохранять данные в цифровой форме, минимизируя объём передаваемой информации и ускоряя анализ.

 

Ключевая функция, часто присутствующая в дигитайзерах, это функция цифрового понижения частоты в режиме реального времени (DDC). В частотной области DDC позволяет сосредоточиться на конкретной части сигнала, используя высокое разрешение, и передавать в контроллер или ПК только полезные данные. Эта функция работает непосредственно с данными АЦП, обеспечивая преобразование частоты и прореживание выборок, что называют иногда "настройкой" и "растяжением". Базовые концепции DDC иллюстрируются структурной схемой на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1. Структурная схема цифрового понижения частоты

 

Как работает DDC

Блок преобразования частоты (настройки) генерирует комплексные выборки АЦП в виде цифрового косинуса (синфазный канал) и цифрового синуса (квадратурный канал).

Затем синфазный и квадратурный сигналы можно отфильтровать, чтобы удалить из них ненужные частотные составляющие. После этого сигнал можно растянуть и снизить частоту дискретизации (выполнить прореживание).

 

И, наконец, встроенный процессор передаёт для анализа во встроенную память лишь те данные, которые вас интересуют (данные I/Q). Большинство дигитайзеров и анализаторов сигналов Keysight используют DDC для ускорения измерений и демодуляции.

 

Кроме того, к данным I/Q можно параллельно применить БПФ для выполнения спектрального анализа. Некоторые анализаторы сигналов могут применять БПФ в режиме реального времени (300 000 выборок в секунду) и использовать сложные представления спектра (плотность и спектр), что позволяет обнаруживать кратковременные сигналы, как показано на рисунке 2.

 

 

Рисунок 2. Анализ спектра в режиме реального времени в диапазоне ISM 2,4 ГГц (диапазон для промышленного научного и медицинского оборудования)

 

Преимущества и недостатки быстродействующего дигитайзера с DDC

Применение быстродействующего дигитайзера с DDC для измерения ВЧ сигналов может оказаться куда более эффективным:

  1. Преобразование частоты (настройка) сокращает необходимый объём встроенной памяти и снижает объём передаваемых данных. Результирующие данные представлены в комплексной форме (I+jQ), что удобно для прямого анализа демодуляции и повышает скорость измерений.
  2. Цифровая фильтрация и прореживание (растяжение) уменьшает суммарный шум в полосе и улучшает общее отношение С/Ш.

 

Однако DDC обладает и некоторыми недостатками:

  1. Частота дискретизации АЦП ограничена. Высокочастотную несущую нельзя дискретизировать непосредственно. Стандартное решение заключается в применении аналоговой схемы для понижения частоты несущей до ПЧ, чтобы дигитайзер мог захватить сигнал.
  2. Динамический диапазон АЦП тоже ограничен. В беспроводных системах связи может понадобиться одновременный захват сигналов высокого и малого уровня.

 

Новые поколения высокоскоростных АЦП высокого разрешения обеспечивают превосходное разрешение и динамический диапазон на частотах в десятки ГГц, что позволяет захватывать широкополосные сигналы с большим разрешением. DDC ускоряет измерения и предоставляет все преимущества от цифровой обработки сигнала, улучшая общие характеристики.

 

Кроме того, данные I/Q можно подвергнуть дальнейшей обработке для расширенного анализа сигналов в режиме реального времени или использовать специальную ПЛИС для применения к ним пользовательских алгоритмов обработки. Это обеспечивает более высокую достоверность ВЧ измерений, улучшает целостность сигнала и повышает скорость измерений.

 

Дополнительная информация о захвате широкополосных сигналов приведена в официальном документе Отличие захвата широкополосных сигналов осциллографом и дигитайзером. Она поможет понять, какой из этих приборов лучше подходит для решаемых вами задач.

 

Новый ВЧ прибор выгодно использует две новые технологии

В настоящее время векторные анализаторы сигналов (VSA) находят широкое применение, особенно в радиосвязи и аэрокосмической/оборонной промышленности. Без них не обойтись при работе со сложными модулированными и меняющимися во времени сигналами, которые получили повсеместное распространение.

Однако векторные анализаторы сигналов появились не так давно, как анализаторы спектра или анализаторы электрических цепей, и я хорошо помню процесс их создания, включая неформальное соперничество, в результате которого появилось название “векторный анализатор сигналов”. В этом месяце исполнилось 25 лет с момента появления первого векторного анализатора сигналов, и я хочу совершить краткий экскурс в историю.

В конце 1980-х множество технических идей слились воедино, породив сложные сигналы и оборудование, необходимое для их измерения. Наблюдалось стремительное распространение мобильных телефонов, и справиться с ростом трафика мог лишь переход от аналоговой (1G) к цифровой модуляции (2G).

Контрольно-измерительное оборудование, системы обработки сигналов и дигитайзеры быстро совершенствовались, и в некоторых низкочастотных анализаторах сигналов в трактах промежуточной частоты (ПЧ) стали применяться цифровые фильтры вместо аналоговых. Технологии и потребности едва поспевали друг за другом.

Эти проблемы коснулись и отдела, занятого разработкой контрольно-измерительного оборудования, который обладал богатым опытом создания как свипирующих приборов, так и приборов, использующих быстрое преобразование Фурье (БПФ). Отдел Лейка Стивенса компании HP уже создал низкочастотные свипирующие анализаторы цепей и спектра (с диапазоном до 200 МГц) с цифровыми трактами ПЧ. В результате отдел оказался в уникальном положении, которое позволило объединить классическую супергетеродинную архитектуру с высокопроизводительными АЦП и цифровыми сигнальными процессорами.

Полосовые фильтры ПЧ могли быть полностью цифровыми, обладая лучшей скоростью, точностью и селективностью. С их помощью можно было реализовать практически любое разрешение по частоте – от долей герца до нескольких мегагерц. Но, вероятно, самое главное заключалось в том, что весь сигнальный тракт не искажал фазу сигнала и, следовательно, его векторное содержимое.

Обработка полной векторной информации сигнала важна по целому ряду очевидных и не столь очевидных причин. Векторная обработка позволяет выполнять точную селективную аналоговую демодуляцию, полностью отделяя амплитудную модуляцию от фазовой или частотной. Кроме того, она позволяет выполнять полный анализ импульсов и обладает мощным потенциалом для цифровой демодуляции.

Ключевым решением в этой области, стимулируемым потребностью в точном анализе импульсов, было выполнение непрерывной векторной калибровки во всём сигнальном тракте анализатора. Позже такое улучшение калибровки в частотной области оказалось очень важным для точной цифровой демодуляции в векторном анализаторе сигналов.

В течение нескольких лет все эти развивающиеся и совершенствующиеся технологии подвергались всестороннему обсуждению и испытаниям у потенциальных потребителей. Отзывы потребителей сыграли решающую роль в постановке задачи и реализации первого векторного анализатора сигналов и во многих смыслах показали, каким должен быть этот прибор на самом деле. В процессе разработки в конструкцию векторного анализатора сигналов были внесены многие изменения и улучшения, и в октябре 1992 года мы представили радиочастотный векторный анализатор сигналов HP 89440A.

 

 

Эта иллюстрация из каталога контрольно-измерительного оборудования HP показывает первый радиочастотный векторный анализатор сигналов 89441A. В нижней части расположен ВЧ приёмник и вспомогательный источник. Двухканальный верхний блок выпускался также, как векторный анализатор модулирующих сигналов 89410A.

Векторный анализатор сигналов – в ретроспективе это название кажется совершенно очевидным, но в то время это было далеко не так. Мы понимали, что это новый тип анализатора, попадающий в свою отдельную категорию, которую мы хотели бы правильно назвать. Сейчас я уже не помню другие предложенные названия, но помню, что проголосовал за "векторный анализатор сигналов". В конце концов, это был анализатор сигналов (а не просто анализатор спектра), который давал векторные результаты.

Инженеры, работающие в области радиосвязи и в аэрокосмической/оборонной промышленности, быстро ухватились за эти возможности. Вскоре после первого представления мы показали анализатор на промышленной выставке: инженеры выстроились в очередь, чтобы посмотреть его демонстрацию. Представления сигнала и глубина анализа, достигаемые за счёт объединения частотной, временной и модуляционной областей, были весьма убедительны, и мы смогли показать водопадную диаграмму и спектрограмму, а также полный захват и воспроизведение сигнала.

Со временем мы добавили функцию цифровой демодуляции, так как в эти годы беспроводная революция стремительно набирала обороты. Векторные анализаторы сигналов помогали создавать новые схемы передачи, от CDMA до QAM высоких порядков, сигналов с несколькими несущими, OFDM и MIMO. Обновления программного обеспечения позволили анализаторам не отставать от вновь появляющихся технологий и стандартов, что давало инженерам надежное контрольно-измерительное решение, начиная с ранних этапов разработки.

И хотя его название и набор измерений остались неизменными, векторный анализатор сигналов, как отдельный тип анализатора, постепенно превратился в новый “анализатор сигналов” с цифровой векторной обработкой. Эти анализаторы начали со свипирующего скалярного анализа спектра, а функции векторного анализа были всего лишь опцией к базовому прибору.

Сегодня отдельное или встроенное программное обеспечение Keysight 89600 VSA продолжает давние традиции, поддерживая самые передовые беспроводные технологии. Вот последний пример: новая версия ПО VSA поддерживает анализ модуляции, которую предполагается применять в стандарте 5G, и будет развиваться вместе с этим стандартом.

Похоже, в этой четверти века скучать нам не придётся, и думаю, векторные анализаторы сигналов не утратят своей актуальности и в следующей четверти.