Цифровой анализатор спектра gsp-7830 производства компании GW Instek Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Цифровой анализатор спектра GSP-7830 производства

компании GW Instek

Сергей КОРНЕЕВ

[email protected]

Продолжая серию популярных бюджетных анализаторов спектра, компания Good Will Instek выпустила новую модель GSP-7830 (рис. 1) с полосой пропускания до 3 ГГц. Эта модель отличается от предшественников улучшенными техническими характеристиками, новым цветным TFT LCD дисплеем, широким набором внешних интерфейсов (в том числе USB и VGA), а также набором дополнительных функций, которые расширяют возможности по наблюдению и анализу радиочастотных сигналов.

Анализаторы спектра используются для наблюдения сигнала и измерения его параметров в частотной области. Измеряемый радиочастотный сигнал может подаваться на вход анализатора спектра с помощью измерительного кабеля, либо посредством приемной антенны. В традиционных анализаторах спектра информация о сигнале выводится на дисплей в виде частотного спектра посредством перестройки входного фильтра. Такой способ измерения магнитуды сигнала является наиболее распространенным. Дополнительно, измеренный сигнал может проходить цифровую обработку. Таким образом, спектрограмму можно заносить во внутреннюю память прибора, осуществлять курсорные и автоматические измерения, а также доступно программирование, дистанционное управление и прочие возможности. Такие цифровые сканирующие анализаторы в настоящее время получили наибольшее распространение, поскольку пригодны для решения многих измерительных задач, обладают широким динамическим диапазоном, способны демодулировать сигнал (АМ, ЧМ), могут

совмещать в себе несколько типов приборов (измеритель АЧХ, измеритель КСВН, измеритель мощности и др.), обладают небольшими массо-габаритными показателями.

Анализаторы компании GW Instek относятся именно к таким сканирующим цифровым анализаторам спектра. В настоящее время в серии анализаторов этой компании есть 3 модели на разную полосу частот: 1, 2,7 и 3 ГГц. Помимо полосы частот анализаторы различаются по техническим характеристикам.

Для начала рассмотрим основные характеристики анализаторов спектра и выясним, на что они влияют.

1. Частотный диапазон. Границы частотного диапазона (рис. 2) определяют пределы, в которых анализатор спектра выполняет свое функциональное назначение.

2. Уровень собственных шумов анализатора спектра. Этот параметр определяет порог (рис. 3), ниже которого анализатор спектра не воспринимает внешний сигнал. Это самый низкий уровень сигнала, который можно измерить анализатором спектра.

3. Негармонические искажения, или ложный шум (рис. 4). В отличие от собственных шумов, этот параметр проявляется в виде появления ложных гармоник, являющихся сигналом внутренних комбинационных частот анализатора спектра.

4. Гармонические искажения. Анализатор спектра самопроизвольно создает гармонические искажения (рис. 5) во входном сигнале. Таким образом, анализатор усиливает истинную гармонику и измерения оказываются ошибочными.

5. Интермодуляционные искажения—нели-нейные искажения, создаваемые усилительными схемами анализатора спектра. При подаче на вход анализатора спектра двухтонального сигнала (частоты основных гармоник П и f2) интермодуляционные искажения проявятся в виде комбинационных составляющих с частотами (рис. 6), являющимися суммой и разностью основных и гармонических частот входных сигналов. Эти ложные гармоники взаимодействуют друг с другом, создавая практически бесконечный ряд частотных составляющих.

6. Фазовый шум. Этим показателем определяется «чистота» принимаемого сигнала. При измерении таких параметров, как дрожание или флуктуации сигнала, этот параметр анализатора спектра является определяющим. Принято описывать фазовые шумы значением спектральной плотности мощности в одной боковой полосе на выбранной частоте отстройки от несущей (рис. 7).

7. Динамический диапазон. Это диапазон амплитуд (рис. 8), в котором возможно проведение измерений с указанной точностью. В анализаторах спектра различных производителей этот параметр может быть нормирован по-разному. Например, можно назвать динамическим диапазоном уровень, на который влияют интермодуляци-

Рис. 1. Анализаторов спектра GSP-7830

Ref Lvl: 0,0 dBm 0,0

-10,0

-20,0

-30,0

-40,0

-50,0

-60,0

-70,0

-80,0

4— Частотный диапазон —►

wwAtavJv wvv* AM #wMi

Start: 1349,75 MHz Stop: 1350,25 MHz

RBW: 3 kHz Center: 1350 MHz

VBW: 300 Hz Span: 0,5 MHz Sweet: 5000.0 mS

Рис. 2. Частотный диапазон анализатора спектра

Ref Lvl: 0,0 dBm 0,0

-10,0

-20,0

-30,0

-40,0

-50,0

-60,0

-70,0

-80,0

Start: 1349,75 MHz Stop: 1350,25 MHz

RBW: 3 kHz Center: 1350 MHz

VBW: 300 Hz Span: 0,5 MHz Sweet: 5000.0 mS

Рис. 3. Уровень собственных шумов анализатора спектра

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 Уровень собств.

шумов

1 ! I I 1 1 і 1 1 1 І 1 1 1 1 till

і і і і vAv

Ref Lvl: 0,0 dBm 0,0

-10,0

-20,0

-30,0

-40,0

-50,0

-60,0

-70,0

-80,0

Start: 1349,75 MHz Stop: 1350,25 MHz

RBW: 3 kHz Center: 1350 MHz

VBW: 300 Hz Span: 0,5 MHz Sweet: 5000.0 mS

Рис. 4. Негармонические искажения анализатора спектра

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 Her 1 1 армонк искаже 1ЧЄС ни; 1 1 :кие

1 1 1

1 1 1 1 1 1 і і і і і і

1 1 1 1 1 1 і і і і і і

1 1 1 1 1 1 v : і ■ і у і і і

(VA/W/jAvM >NM ЛЛд

і I j і

Ref Lvl: —30,0 dBm -30,0

-40,0

-50,0

-60,0

-70,0

-80,0

-90,0

-100,0

-110,0

Start: 50 MHz Stop: 550 MHz

RBW: 4 MHz Center: 300 MHz

VBW: 300 kHz Span: 500,0 MHz Sweet: 200.0 mS

Рис. 5. Гармонические искажения анализатора спектра

Гармонические искажения анализа спектра

-Гармоника _ входного си гнал а

Ш.

онные искажения. Если на каких-то частотах измеряемого сигнала проявляются ложный шум или гармонические искажения, то это тоже ограничит динамический диапазон. Вообще, в большинстве случаев динамический диапазон рассчитывают как разность максимально измеряемого значения амплитуды и уровня собственных шумов анализатора спектра. Также динамическим диапазоном можно назвать уровень сигнала, который умещается на дисплее

анализатора (80 или 100 дБ) без сдвига опорного уровня. Все зависит от того, какой тип измерений для вас существен, а каким можно пренебречь.

Таким образом, оценив спецификацию анализатора спектра, мы можем сделать вывод о возможности его применения для решения измерительных задач с метрологической точки зрения. Однако на выбор той или иной модели влияют не только метрологические параметры. Здесь можно говорить

и о программном обеспечении, заложенном в приборе, и о массо-габаритных показателях, универсальности применения, возможности автономной работы от аккумуляторов и т. д. Немаловажную роль при выборе анализатора играет соотношение технических возможностей и цены.

Задача этой статьи — познакомить с основными техническими возможностями новой модели анализатора спектра компании ОШ Ішіек О8Р-7830 с полосой частот до 3 ГГц.

Новинка унаследовала от предыдущих моделей такие пользовательские качества, как насыщенная функциональность, совершенное техническое исполнение, легкость и удобство в применении, малый вес и габариты при бюджетной стоимости. О8Р-7830 обладает улучшенными техническими характеристиками: плотность собственных шумов анализатора -150 дБм/Гц (до -162 дБм/Гц с опциональным предусилителем), более быстрая раз-

Ref Lvl: 0,0 dBm

Ref Lvl: 0,0 dBm

VBW: 10 kHz

Span: 1,0 MHz

Sweet: 200.0 mS

VBW: 10 kHz

Span: 1,0 MHz

Sweet: 200.0 mS

Рис. 7. а) Пример спектрограммы двух сигналов с разными фазовыми шумами; б) определение уровня фазовых шумов

Линейность шкалы дисплея 80 дБ

Сдвиг

опорного

уровня

Негармонические искажения

Интермодуляционные искажения 3-го порядка_______________________

Гармонические искажения 2-го порядка_____________

Уровень собственных шумов

Рис. 8. Определение динамического диапазона анализатора спектра

вертка — 50 мс, большая полоса частот входного сигнала и обзора, расширенные возможности по синхронизации, анализу сигналов и управлению процессом измерений. В новом

анализаторе есть большой набор интерфейсов, которые дополняют измерительные ресурсы и возможности в части управления и протоколирования.

Помимо метрологических характеристик современные анализаторы спектра обладают новациями, выгодно отличающими их от изделий других фирм-производителей. Эти новации, или особенности, позволяют пользователю более быстро, просто, а самое главное — более достоверно производить измерение параметров сигнала. Многолетний опыт в производстве анализаторов спектра позволил компании GW 1ш1ек разработать анализатор спектра с учетом современных требований к таким устройствам, сохранив при этом бюджетную стоимость и сбалансированность технических возможностей. Далее подробнее рассмотрим особенности анализатора GSP-7830.

Функция «Автоустановка»

Эта новая функция существенно облегчает работу с анализатором спектра, позволяя быстро, одним нажатием кнопки, синхронизировать сигнал и установить оптимальные настройки для отображения этого сигнала. Это облегчает настройку на стандартные сигналы и позволяет быстрее приспособиться к работе с анализатором.

Режим «Автопоследовательность»

Этот режим позволяет запрограммировать анализатор спектра на выполнение определенной последовательности команд (до 10) или режимов тестирования (рис. 9). К примеру, управлять изменением режимов и настроек шаг за шагом (максимально — до 20) повторным нажатием одной-единственной кнопки или задавать целые испытательные процедуры, не прибегая к использованию программного обеспечения.

Измерение мощности

Анализатор GSP-7830 обеспечивает измерение различных видов мощности: мощность радиосигнала, соотношение мощностей в смеж-

гдт?.—я

Mkrl l.OOOGHz -36.8dBm

Start :999.75МНг Center RBW: 30kHz VBW 10kHz 1 GHz Span: 500kHz SweepiSOms

Peak Search

Next Pk Right

Sequence editing

Name:Txl Test

Preset Peak Soarch

Conter lOOOMHz > END

SPAN 20MHz

Mkr-> Center

1.0 sec

Span 500kHz

Next Pk Left

Mkr ► Center

Span:500kHz

в nov гг. 2005

Tue 12:34:24

Рис. 9. Пример использования режима автопоследовательности (втаблице под спектрограммой отображается последовательность запрограммированных шагов итекущие настройки)

Start :99.75MHz Center: 100MHz

RBW: 30kHz VBW: 1kHz Span:500kHz

Upper Limit Line Editing Table

1 ° I П“Г

I 2 Г П”Г

пт

99.У Г"

100.1 Е

No.

Г®

П“Г

г»т

R*f:-30.0aem

RBW: ЭОкМг VBW: IkMr ВрапМЮкН/ . . Sniipjomt

Ра%*/РаЛ

Эп Off

—Гб>-

t *Ь 1__)04

ти» 17:14:24

Рис. 10. а) Пример задания пределов измерения уровня сигнала (формирование шаблона); б) измерение уровня сигнала по заданному шаблону

ных каналах, пропускная способность канала связи, измерение джиттера. При этом на спектрограмме область измерения выделяется цветным маркером, для разных каналов цвет маркеров также различен. Внизу под спектрограммой отображается результат измерений.

Допусковый контроль

Создание при помощи этой функции своих собственных шаблонов позволяет пользователю быстро определять соответствие измеряемых параметров сигнала допустимым пределам (рис. 10). Такая функция существенно облегчает проведение измерений на соответствие различным стандартам на поточном производстве.

Маркерные измерения

При помощи 10 маркеров очень удобно проводить Д-измерения, измерение пиковых значений, отслеживать максимумы, прово-

дить точные амплитудные и частотные измерения. Таблица под спектрограммой содержит меняющиеся в реальном времени измеряемые параметры сигнала (рис. 11).

Разделение экрана (Split-screen)

Режим разделения экрана (рис. 12) позволяет на одном экране наблюдать один и тот же сигнал в двух разных окнах. Каждое окно имеет свои настройки, определяемые пользователем.

Эта функция наиболее полезна при гармоническом анализе сигнала.

Независимые развертки

GSP-7830 имеет возможность выводить на дисплей сразу три развертки (рис. 13), применяя для каждой из них собственные алгоритмы обработки: пиковый детектор, усреднение, вывод по шаблону и пр. Другое полезное свойство данной функции заключается

в возможности проводить математические операции, используя сохраненные развертки.

Информация о настройках

В анализаторе спектра GSP-7830 вся информация о настройках или выбранных режимах работы, а также установленных опциях теперь выводится в виде иконок на панели под основным окном. Иконки наглядно, в простых графических символах предоставляют пользователю полную информацию о состоянии прибора. Такое представление упрощает настройку на нужный сигнал, а также исключает возможность ошибочных измерений.

Функция амплитудно-частотной коррекции

GSP-7830 предусматривает введение поправочных коэффициентов при измерении амплитуды сигнала (рис. 14). Такие поправки вводятся для компенсации вносимых ослаблений антенно-фидерными устройствами перед проведением измерений. Можно сохранять до пяти корректировочных таблиц, в каждой из которых может содержаться до 30 поправок на различные частоты.

Батарейное питание

Для работы в полевых условиях GSP-7830 имеет опцию батарейного питания (рис. 15). С этой опцией анализатор обеспечивает не менее трех часов автономной работы. Помимо сетевого питания ~220 В в GSP-7830 предусмотрена возможность питания от постоянного напряжения 12 В. В перечне предлагаемых опций: адаптер AC/DC, кабель-адаптер для питания от автомобильного прикуривателя.

Таким образом, разработчиками достигнута максимальная универсальность питания прибора для любых условий эксплуатации и измерительных задач.

Внешние интерфейсы

В GSP-7830 широкий выбор интерфейсов управления и подключения внешних уст-

Рис. 11. Использование маркерных измерений

(результат измерений выводится под спектрограммой в отдельной таблице)

Рис. 12. Режим разделения экрана

Рис. 13. Три независимые развертки одного и того же сигнала

Рис. 14. Таблица поправочных коэффициентов

Рис. 16. Пример использования анализатора спектра с периферийными устройствами

ройств: USB host/device, RS-232, VGA и GPIB (опционально). Такой широкий набор обеспечивает универсальность в подключении различных устройств для передачи данных (рис. 16), дистанционного управления и вывода данных на печать. Использование интерфейса USB существенно облегчает подключение GSP-7830 к компьютеру, а также

позволяет использовать флэш-накопитель для быстрого сохранения результатов измерений для последующего анализа и протоколирования. Для подключения к внешнему монитору или вывода изображения на проектор в GSP-7830 добавлен VGA-разъем. Использование интерфейса VGA позволяет осуществлять вывод дисплейной информации на

внешний монитор или проектор, а значит, более гибко использовать анализатор в сфере образования (для демонстрации возможностей) и при удаленном мониторинге радиочастотного спектра.

Дополнительные принадлежности

Для обеспечения работы в различных измерительных трактах требуется значительная номенклатура различных СВЧ-соединителей. Учитывая это, компания Good Will Instek предлагает большой перечень адаптеров, переходов, нагрузок и аттенюаторов, измерительных кабелей, а также готовых измерительных комплектов. Помимо этого доступны для заказа сопутствующие аксессуары: мягкие кейсы, заглушки, панели для крепления в 19" стойку и др.

Дополнительные опции, такие как следящий генератор (трекинг-генератор), фильтры ЭМС, демодулятор АМ/ЧМ, позволяют применять GSP-7830 при решении широкого круга задач спектрального анализа в диапазоне до 3 ГГц, как на производстве, так и в исследовательской и научной сферах.

Сравнение возможностей анализаторов спектра приведено в таблице основных технических характеристик для разных серий анализаторов GW Instek. ■

Таблица. Сравнение основных технических характеристик анализаторов спектра GW Instek

Модель Наименование параметра GSP-7830 GSP-827 GSP-810

Диапазон частот 9 кГц - З ГГц 9 кГц - 2,7 ГГц 150 кГц - 1 ГГц

Пороговое значение шума -117 дБм@1 ГГц, фильтр ПЧ З кГц -100 дБм@1 ГГц, фильтр ПЧ З кГц -100 дБм@500 МГц, фильтр ПЧ 3 кГц

Полоса пропускания ПЧ З, З0, З00 кГц, 4 МГц 3 , 30, 220 кГц, 4 МГц

Полоса пропускания видео 10 Гц - 1 МГц, шаг 1-З 1,6 кГц/90 кГц

Диапазон измерения уровня -117...+20 дБм -100...+20 дБм -100...+20 дБм

Защита от перегрузки +З0 дБм, пост. ±25 В +З0 дБм, пост. ±25 В +30 дБм, пост. ±25 В

Диапазон установки опорного уровня -110...+20 дБм —З0...+20 дБм —30...+20 дБм

Измерение мощности ACPR, OCBW, CH Power, N dB ACPR, OCBW, CH Power Опция измерителя мощности 10 МГц — 2 ГГц

Количество маркеров 10 2

Вход для внешней опорной частоты 64 кГц; 1; 1,544; 2,048; 5; 10; 10,24; 1З; 15,З6; 15,4; 19,2 МГц Нет

Энергонезависимая память 10 спектрограмм и профилей 100 спектрограмм и профилей 9 профилей

Трекинг-генератор 9 кГц - З ГГц (опция) 9 кГц - 2,7 ГГц (опция) 150 кГц — 1 ГГц (опция)

Демодулятор Опция Есть

Универсальное питание Опция Нет

Интерфейс RS-232 Есть

Интерфейс 1^В Есть | Нет

Интерфейс ЭР1В | Опция Нет

Выбор напряжения питания Авто ~100-240 В, 50-60 Гц Авто ~100-240 В, 48-6З Гц Переключатель ~ 100/220/2З0/240 В ±10%, 50/60 Гц