CC BY
95Анализатор сигналов Agilent PXA (N9030A).
Управляйте эволюцией!
Алексей кривов
alexei_krivov@agilent.com
Анализатор сигналов линейки PXA на базе платформы X-серии продолжает и развивает идеи, реализованные в существующих многофункциональных анализаторах спектра (рис. 1). Он хорошо совместим с широким рядом оборудования, обладает выдающимися характеристиками в ВЧ- и СВЧ-диапазо-нах и предназначен для применения в сфере аэрокосмических, оборонных и коммерческих средств связи. Описанные ниже инновационные решения Agilent, такие как снижение уровня собственных шумов (NFE) и регулируемый выход ПЧ, повышают привлекательность данного прибора для использования как в новых, так и в модернизируемых системах анализа.
Новые области действия закона Мура
В отличие от бурного развития цифровой техники, совершенствование аналоговых систем происходит гораздо медленнее — в основном, по экономическим причинам. Радиоинженерам известно о действии закона Мура в области цифровых устройств (процессоры, память), и вполне понятно желание распространить его и на аналоговую технику. Но радиочастотные цепи по большей части являются линейными, поэтому их развитие происходит не совсем так, как предсказано Гордоном Муром. Даже сам первооткрыватель закономерности в своей знаменитой статье в 1965 г. отмечал, что «интеграция не изменяет линейные системы так радикально, как цифровые» [1]. Во время лавинообразного наступления цифровых технологий на ра-
диочастотном фланге экспоненциального продвижения вперед не наблюдалось.
Как бы то ни было, за последние годы радиоинженеры достигли ряда существенных успехов, особенно в скорости, разрешении и точности АЦП и ЦАП. Объединение этих достижений с возможностями цифровой обработки сигналов за счет усовершенствованных процессоров и памяти позволило создать современные анализаторы спектра и сигналов с полностью цифровым трактом ПЧ и более совершенными полосовыми фильтрами, относительно широкой полосой анализа и расширенными возможностями по обработке сигналов, такими как анализ цифровых видов модуляции.
Но, несмотря на эти успехи, улучшение важнейших характеристик, перечисленных ниже, происходило значительно медленнее по сравнению с совершенствованием полу-
проводниковых приборов. В совокупности класс анализатора спектра определяют следующие параметры:
• уровень собственных шумов анализатора, который выражается в среднем уровне собственного шума (DANL) или коэффициенте шума;
• точка пересечения по интермодуляционным составляющим третьего порядка (ТО!);
• фазовый шум (собственный фазовый шум анализатора);
• погрешность измерения амплитуды (как на одной частоте, так и в полосе анализа). В анализаторе серии РХА аналоговые технологии объединены с цифровыми, что позволило достичь значительного улучшения наиболее важных характеристик.
Снижение уровня собственных шумов
Для ряда измерений уровень собственных шумов анализатора является главным ограничивающим фактором. Уровень шума определяет нижнюю границу динамического диапазона и погрешность измерения слабых сигналов. В присутствии сигналов высокого уровня обычно используется встроенный аттенюатор, который понижает уровень входного сигнала, уменьшая уровень искажений, связанных с перегрузкой. Однако использование такого приема приводит к снижению уровня слабых сигналов до уровня собственных шумов анализатора спектра, который также возрастает на установленное значение ослабления аттенюатора. Понижение уровня собственных шумов, в свою очередь, вызывает необходимость использования более узкополосных фильтров ПЧ, что уменьшает скорость свипирования, поскольку увеличивается время установления.
Таким образом, снижение уровня собственных шумов анализатора одинаково полезно для измерения как слабых, так и сильных сигналов. Кроме того, измерения слабых сигналов будут выполняться без использования предусилителя, ухудшающего значение TOI и другие характеристики, касающиеся динамического диапазона.
В анализаторе PXA возможности по обработке сигналов в масштабе реального времени сочетаются с беспрецедентно точным определением уровня собственных шумов, который затем может быть вычтен из результатов измерений. Функция уменьшения уровня собственных шумов (NFE) позволяет понизить их на 3,5 дБ для гармонических и импульсных сигналов, на 8 дБ — для шумоподобных сигналов и на 12 дБ и более в ряде других применений. Типовое значение отображаемого среднего уровня шума на частоте 2 ГГц составляет -161 дБм без предусилителя, а с предусилителем — исключительно низкое значение: -172 дБм. Пример улучшения характеристик при использовании NFE показан на рис. 2. Технология NFE от Agilent обеспечивает снижение уровня собственных шумов анализатора на 12 дБ, что позволяет увидеть незаметные ранее сигналы очень низкого уровня и измерять их с меньшей погрешностью.
Естественно, что более низкие собственные шумы расширяют динамический диапазон анализатора и поэтому PXA позволяет измерять мощные сигналы с меньшими искажениями. На радиочастотном входе установлена новейшая плата, обеспечивающая более высокую точку TOI (более 20 дБм на частоте 2 ГГц), что расширяет динамический диапазон для измерений таких параметров, как мощности в соседнем канале (ACPR). Расширение одной границы динамического диапазона влияет на другую границу, и наоборот.
Дополнительный малошумящий входной тракт
В СВЧ-диапазоне любая коммутация или маршрутизация сигнала приводит к потерям в тракте. С ростом частоты эти потери резко возрастают, и, несмотря на все меры обеспечения точности амплитуды, данный эффект ухудшает шумовые показатели анализатора и точность измерения слабых сигналов. Использование предусилителей позволяет компенсировать потери и улучшить отношение С/Ш для слабых сигналов, но приводит к возникновению искажений при анализе сигналов высокого уровня. В PXA имеется дополнительный малошумящий тракт (LNP), в котором нет вносящих затухание элементов, имеющихся в обычном входном тракте. Таким образом, на частотах более 3,6 ГГц LNP обеспечивает повышенную чувствительность без предусилителя (рис. 3). При использовании LNP уровень собственных шумов PXA уменьшается с увеличением частоты, что позволяет анализировать низ-
коуровневые паразитные сигналы без уменьшения скорости свипирования. Это дает возможность отказаться от узкополосных фильтров ПЧ, применение которых приводит к уменьшению скорости свипирования. Без LNP для достижения подобного уровня собственных шумов потребовался бы фильтр с полосой пропускания 62 кГц, что привело бы к увеличению времени свипирования с 7,18 мс до 57,2 с.
Совместимость, модернизация и постепенная замена
Опыт работы большого числа радиоинженеров, занимающихся автоматизированным тестированием с использованием высококачественных анализаторов сигнала, позволяет
сделать определенные выводы. Первое: они хотят, чтобы новые решения были гарантированно совместимы с уже имеющимися, но при этом были более эффективными, то есть обладали лучшими характеристиками, быстродействием, расширенной функциональностью и большим числом интерфейсов. Второе: требование столь высокого уровня совместимости может затруднить переход на новые решения.
При этом под совместимостью обычно понимается сочетаемость программного кода и характеристик аппаратной части. Наряду с этими серьезными проблемами пришлось решить огромное количество не менее сложных вопросов. В результате анализатор РХА гарантирует выполнение шести основных требований.
Режим улучшенной совместимости со специальными настройками
Во многих автоматизированных испытательных установках при замене анализатора требуется, чтобы новый прибор обладал аналогичным форм-фактором и функциональностью. Начнем с того, что программный код PXA совместим с используемым в анализаторах HP 8566/68, 856x и PSA. Применяемые программы тестирования часто зависят от набора настроек и временных параметров конкретного анализатора. Режим улучшенной совместимости анализатора PXA позволяет устанавливать на нем большое количество настроек параметров, аналогичных используемым в заменяемом приборе. Для подтверждения приведем четыре примера:
• Традиционная настройка с кратностью шага 1/3/10 полосы пропускания фильтра ПЧ и видеофильтра заменена точной настройкой полосы современного цифрового тракта ПЧ (с шагом 10%).
• Правила задания полосы обзора, полосы пропускания фильтра ПЧ и видеофильтра, а также времени свипирования для аналоговых фильтров заменены правилами, оптимизированными для цифровых фильтров.
• Простое свипирование заменено оптимизированным режимом «свипирование с быстрым преобразованием Фурье».
• Настройки большинства устаревших приборов уже входят в стандартный набор предустановленных настроек PXA.
Ограничение
минимального времени свипирования В автоматизированных испытательных системах показатель «быстрее» не всегда значит «лучше», поскольку увеличение скорости измерения может ухудшить совместимость оборудования. Например, минимальное время свипирования HP 8566 составляет 20 мс, а PXA — 1 мс и меньше. Если более высокая скорость приводит к возникновению проблем, то PXA может автоматически установить время 20 мс.
Быстрый доступ к новым функциям
Пользователи получают возможность быстрого переключения из режима совместимости с другим оборудованием в «родной» режим анализатора, позволяющий воспользоваться всеми новыми функциями.
Несколько конфигурируемых выходов ПЧ и видеовыходов
При решении некоторых задач совместимость анализатора зависит от наличия видеовыхода и выхода ПЧ. PXA имеет программируемый пользователем выход ПЧ, совместимый с многочисленными ПЧ-оп-циями для анализаторов спектра серии PSA, включая выходы ПЧ 21,4 и 70 МГц. Выход ПЧ анализатора PXA можно запрограммировать в диапазоне от 10 до 75 МГц с шагом 500 кГц. Для широкополосных приложений, таких как анализ импульсных сигналов РЛС, PXA
имеет логарифмический видеовыход с малой длительностью фронта и широкой полосой (более 140 МГц). Это превращает PXA в идеальный прибор для приложений с широкополосной огибающей и видеодетектором. Кроме того, PXA имеет узкополосный видеовыход, на который оказывают влияние настройки фильтра ПЧ и видеофильтра. Данный выход специально предназначен для имитации выхода оси Y анализатора HP 8566B.
Журнал ошибок
Когда PXA использует приложение N9061A Remote Language Compatibility для имитации совместимости языка управления анализаторов спектра 856xE/EC, он создает журнал событий, содержащий нераспознанные команды. Это позволяет инженеру просматривать записи об ошибках для оценки их влияния на выполняемую задачу. При необходимости можно изменить набор программ для испытаний или обратиться в компанию Agilent за консультацией по поводу пропущенных команд. После этого PXA можно запрограммировать для игнорирования нераспознанных команд, особенно тех, которые неактуальны для данного анализатора.
Режим
«Дополнительный аттенюатор»
В данном режиме к выбранному вручную или автоматически значению ослабления прибавляется ослабление на 12 дБ. Это позволяет PXA реагировать на перегрузки так, как это делает анализатор с аналоговым трактом ПЧ. Аттенюатор защищает от перегрузок по ПЧ, приводящих к серьезным проблемам в анализаторах с цифровой ПЧ. Поскольку PXA обладает более низким уровнем собственных шумов, он способен работать при дополнительном ослаблении. В результате анализатор может измерять более мощные сигналы, а качество измерений остается таким же, как при работе с сигналами, близкими к уровню собственных шумов.
Защита информации
Современные анализаторы обладают большим объемом энергонезависимой памяти,
что обеспечивает высокое качество измерений и выполнение многочисленных функций анализа. Но при этом возникают вопросы, связанные с обеспечением защиты информации, особенно когда один и тот же анализатор используется для решения и секретных, и несекретных задач. В РХА эта проблема легко решается путем использования съемного жесткого диска. При необходимости жесткий диск с секретной информацией может быть легко заменен диском с открытыми данными. Для этого не требуется никаких инструментов. В условиях с сильными вибрациями вместо магнитного накопителя можно использовать твердотельный жесткий диск. Стирания памяти не требуется, поскольку в приборе нет никаких других постоянных запоминающих устройств, доступных пользователю.
Несколько диапазонов измерения и широкий диапазон частот
Базовой конфигурации анализатора РХА с полосой анализа10 МГц вполне достаточно для замены многих устаревших анализаторов. Для других применений РХА может быть заказан (или дооборудован) с полосой анализа 25, 40 и 140 МГц. Важно отметить, что расширение полосы не влияет на другие характеристики. Анализатор оборудован 14-разрядным АЦП на ИМС собственной разработки, работающим со скоростью 400 Мвыборок/с и позволяющим в реальном времени обрабатывать данные и корректировать 1^. В результате обеспечивается свободный от помех динамический диапазон до 75 дБ с номинальной неравномерностью АЧХ ±0,4 дБ (рис. 4). Кроме того, архитектура РХА позволяет поддерживать и более широкие полосы анализа в будущем. Высококачественный тракт ПЧ имеет малые искажения и обеспечивает мизерную неравномерность АЧХ (здесь -0,6 дБ) в полосе измерений до 140 МГц. Мощные функции коррекции в реальном времени обеспечивают более точные измерения сигналов РЛС и сигналов с широкополосной цифровой модуляцией с крайне малыми искажениями.
ї36І технологии
Платформа будущего
PXA имеет модульную конструкцию, допускающую его дальнейшую модернизацию для решения перспективных задач. Он оборудован семью гнездами расширения, источником питания мощностью 450 Вт, легкосъемными модулями центрального процессора и накопителей. Располагая анализатором PXA, вы можете забыть о выборе между совместимостью, обеспечением поддержки, функциональностью и быстродействием. PXA расширяет серию Agilent X, объединяющую переносные приборы открытой архитектуры с проверенными измерительными алгоритмами и схожими, дружественными к пользователю интерфейсами. В результате обеспечивается эволюционная замена имеющихся анализаторов спектра и сигналов.
Примечание. Некоторые из описанных выше решений и функций являются опциями или входят в состав измерительных приборов от Agilent. Ш
Литература
1. Cramming more components onto integrated circuits Electronics // Volume 38. № 8. April 19. 1965. ftp://download.intel.com/museum/Moores_Law/ Articles-Press_Releases/Gordon_Moore_1965_ Article.pdf
