Die Grundlagen der Spektrumanalyse
Die Analyse von elektrischen Signalen, die auch als Signalanalyse bekannt ist, ist eine grundlegende Herausforderung für nahezu alle elektronischen Design Ingenieure und Wissenschaftler. Während es einen wertvollen Einblick in die Eigenschaften eines Signals liefert, ist die Signalanalyse nur so gut wie das Instrument, mit dem sie durchgeführt wird. Spektralanalysatoren und Vektorsignal-Analysatoren sind zwei Instrumente üblicherweise elektrische Signale zu analysieren, verwendet. Dieses Tutorial behandelt die Grundlagen dafür, wie die optimale Nutzung dieser Instrumente zu machen.
Inhaltsverzeichnis
Hintergrund
Historisch gesehen haben separate Instrumente gewesen, Spektrumanalysatoren und Vektorsignal-Analysatoren, aber technologische Fortschritte haben es möglich, beide Funktionen in einem einzigen Gerät zu kombinieren. Der Einfachheit halber werden die Signalanalyse und Spektralanalyse häufig einfach Spektrumanalyse genannt.
Die leistungsfähigen Mess- und Analysefähigkeiten dieser Analysatoren ermöglichen Ingenieuren eine schnelle und vollständige Verständnis ihres Gerätes oder Systems zu unter realisieren. Natürlich, zu verstehen, wie sie funktionieren und wie sie effektiver für eine bestimmte Anwendung zu machen, ist absolut entscheidend, sie ihr volles Potential zu verwenden.
Spectrum Analysis Fundamentals
Während Kenntnis der Analyseinstrumente unerlässlich ist, ebenso wichtig ist das Verständnis der Grundlagen der Spektrumanalyse selbst. Traditionell haben Oszilloskopen verwendet worden, um zu sehen, wie elektrische Signale mit der Zeit variieren. Sie sind jedoch nicht das volle Bild liefern.
Um das Verständnis der Leistung einer Einheit / Anlage, ein Signal (oder Signale) müssen auch im Frequenzbereich analysiert werden. Das ist genau das, was der Spektrumanalysator tut. Es sollte jedoch beachtet werden, dass mit großen Fortschritten in der digitalen Technologie, die Unterscheidung ein wenig unschärfer worden ist. Einige Oszilloskope können Vektor-Signalanalyse durchführen und Signalanalysatoren haben nun erhebliche Mengen an Zeitbereichsmessfähigkeit. Dennoch sind Oszilloskope für Zeitbereichsmessungen optimiert ist, und die Signalanalysegeräte sind das Mittel der Wahl für die Frequenzbereichsmessungen.
Im Frequenzbereich, komplexe Signale (z.B. mehr als eine Frequenz aufweisen) werden in ihre Frequenzkomponenten getrennt, und der Pegel bei jeder Frequenz angezeigt wird. Frequenzbereichs-Messungen haben mehrere deutliche Vorteile. Zum einem erkennbaren Informationen, die nicht auf einem Oszilloskop auf einem Spektrumanalysator leicht ersichtlich wird.
Meßsignalen mit einem Spektrumanalysator reduziert auch stark die Menge an Rauschen, die in der Messung aufgrund der Fähigkeit der Analysator die Messbandbreite einzuengen. Darüber hinaus sind viele der heutigen Systeme von Natur aus Frequenzbereich-orientiert und muß im Frequenzbereich analysiert werden, um sicherzustellen, gibt es keine Störung von benachbarten Frequenzen.
Mit einer Frequenzbereichs-Ansicht des Spektrums, ist es einfach, ein Signal der Frequenz, Leistung, harmonischen Inhalt, Modulation, Sporen, und Rauschen zu messen. Mit diesen Mengen gemessen, Klirrfaktor, belegte Bandbreite, Signalstabilität, Ausgangsleistung, die Intermodulationsverzerrung, Leistungsbandbreite, Träger-zu-Rausch-Verhältnis, und eine Vielzahl von anderen Messungen kann dann bestimmt werden unter Verwendung von nur einem Spektrumanalysator.
Frequenzbereichsmessungen (Spektrumsanalyse) werden mit entweder einem schnellen Fourier-Transformation (FFT) oder einem Analysator gepfeilten abgestimmten Empfänger. Der FFT-Analysator nimmt ein Zeitbereichssignal, digitalisiert es digitale Abtastung verwendet wird, und wendet dann die Mathematik erforderlich, um es in den Frequenzbereich zu konvertieren. Das Ergebnis wird als Spektrum angezeigt. Mit seiner Signalanalysefähigkeit in Echtzeit kann der Analysator erfassen periodische, zufällige und vorübergehende Ereignisse und kann Phase und Größe messen.
Die gepfeilten tuned analyzer „fegt“ über den Frequenzbereich von Interesse, die Anzeige der alle Frequenzkomponenten vorhanden sind. Dies ermöglicht Messungen über einen großen Dynamikbereich und breiten Frequenzbereich vorgenommen werden. Der gepfeilten tune Analysator ist das am weitesten verbreiteten, Universalwerkzeug für die Frequenzbereichsmessungen.
Sowohl die FFT und swept-tuned Analysator können für eine Vielzahl von Messungen verwendet werden (wie Frequenz, Leistungsmodulation, Verzerrung und Rauschmessungen) in Anwendungen, wie Überwachung des Spektrums variieren, Störemissionen, skalare Netzwerkanalyse und elektromagnetische Störungen. Die Messungen werden in dem -172-dBm bis +30 dBm-Bereich, über Frequenzen im Bereich von 3 Hz bis 325 Hz größer ist als gemacht.
Inside The Spectrum Analyzer
1. Sehen Sie hier ein Blockdiagramm eines herkömmlichen Analyse gefegt Spektrum. Moderne Analysatoren viel von dieser analogen Hardware mit digitalen Schaltungen zu ersetzen (siehe Abbildung 6).
Der Mischer des Analysators ist ein Drei-Port-Vorrichtung, die das Eingangssignal von einer Frequenz zu einer anderen umwandelt. Das Eingangssignal wird an einen Anschluß angelegt, und der lokalen Oszillators (LO) -Ausgangssignal wird an den anderen angelegt wird. Der Mischer ist eine nichtlineare Vorrichtung, so Frequenzen am Ausgang vorhanden sein werden, die an den Eingängen nicht vorhanden waren. Diese Frequenzen sind die ursprünglichen Eingangssignale, sowie die Summen- und Differenzfrequenzen der beiden Signale. Die Differenzfrequenz wird das ZF-Signal bezeichnet.
Der ZF-Filter des Analysators ist ein Bandpassfilter als ein „Fenster“ verwendet, um Signale zu detektieren. Seine Bandbreite, die Auflösungsbandbreite des Analysators (RBW), kann mit Hilfe des Instruments Frontplatte verändert werden. Ein breites Spektrum von variablen RBW Einstellungen ermöglicht es der Analysator für unterschiedliche Signalbedingungen und Sweep und ermöglicht den Benutzer Frequenzselektivität abzuwägen optimiert werden, Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und Messgeschwindigkeit. Eingrenzen RBW zum Beispiel verbessert die Selektivität und SNR. Allerdings Geschwindigkeit und Spurenaktualisierungsrate degradieren fegen. Die optimale RBW Einstellung hängt stark von den Eigenschaften der Signale von Interesse.
Der Detektor ermöglicht den ZF-Signal des Analysators zu einem Basisband oder Videosignal umgewandelt werden, so dass es auf dem LCD digitalisiert und angezeigt werden kann. Dies wird mit einem Hüllkurvendetektor, dessen Videoausgang erreicht wird digitalisiert, mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) und als das Signal der Amplitude auf der Y-Achse des Analysators Anzeige dargestellt.
Mehrere verschiedene Detektorarten dramatisch beeinflussen, wie das Signal angezeigt wird. In positivem Erfassungsmodus, typischerweise verwendet, wenn Sinusoide Analyse, wird der Spitzenwert des Signals über die Dauer eines trace Anzeigepunktes angezeigt wird, manchmal auch als „Display-bucket“ oder „Behälter“. Im negativen Detektionsmodus wird der Minimalwert angezeigt . In Probendetektionsmodus wird der Amplitudenwert an dem Mittelpunkt des Zeitintervalls für jedes Bin angezeigt.
Mehrere Prozesse können in der Hülle erfassende amplituden nämlich durchschnittliche Detektion und Videofilterung zu glätten Variationen verwendet werden. Durchschnittliche Werte Erkennung verwendet alle Daten innerhalb des Zeitintervalls von einem Behälter gesammelt und nützlich ist, wenn in der digitalen Modulationsschemen gefunden Rauschen oder rauschartige Signale zu messen. Wenn durchschnittliche Detektionsleistung zu mittlerer Leistung verwendet wird (wie zum Beispiel, wenn die Leistung von komplexen Signalen Messung), wird im allgemeinen ein root-mean-square (RMS) -Detektor bezeichnet.
Videomittelung und Mittelung Spuren können auch in der Hülle erfassende Amplitude zu glätten Variationen verwendet werden. Mit Videomittelung, wenn die Grenzfrequenz des Videofilters reduziert wird, folgt das Videosystem nicht mehr die schnelleren Variationen der Hüllkurve des Signals durch die Kette IF verläuft. Die Menge des Glättungs die stattfindet, wird durch das Verhältnis von VBW zu RBW bestimmt. Verhältnisse von 0,01 oder weniger liefern gute Glättung.
Spurenmittelungsmittelwerte über zwei oder mehr Durchläufe auf einer Punkt-für-Punkt-Basis. An jedem Anzeigepunkt, wird der neue Wert mit den vorher gemittelten Daten gemittelt. Die Anzeige konvergiert allmählich auf einen Mittelwert über eine Anzahl von Durchläufen. Trace Mittelung wirkt sich nicht merklich die Sweep-Zeit.
Das Verständnis Analyzer Spezifikationen
Es ist wichtig, die Spektrumanalysator Spezifikationen zu verstehen, wie sie das Niveau der Leistung zu erwarten von einem bestimmten Gerät zu kommunizieren. Technische Daten sind hilfreich bei der Vorhersage, wie ein Analysator in einer bestimmten Messsituation durchführen wird, sowie die Genauigkeit der Ergebnisse. Key Spektrumanalysator Spezifikationen umfassen:
2. Je größer die Amplitudendifferenz ist, desto kleiner ist ein Signal unter dem Rock seiner größeren Nachbars Reaktion vergraben.
RBW Selektivität (shape factor) und Phasenrauschen sind wichtige Merkmale für die Lösbarkeit von Signalen von ungleichen Amplituden bestimmen. Ein Weg, der Spektrumanalysator der Auflösung zu verbessern, ist die RBW zu verengen, aber es dauert dann länger über das gesamte Spektrum zu fegen, weil die RBW Filter eine endliche Zeit benötigen, um vollständig zu antworten. Spektrumanalysatoren hat Auto-gekoppelte Wobbelzeit, die automatisch die schnellste zulässige Wobbelzeit wählt basierend auf ausgewählte Spannweite, RBW und VBW. Der Analysator Typ wirkt sich auch Ablenkgeschwindigkeit.
Der Trick ist, um zu bestimmen, ob die Verzerrung durch den Analysator verursachte eine Messung beeinflussen. Nehmen wir beispielsweise, dass ein Test spezifiziert Zweiton-Verzerrungsprodukte (Produkte dritter Ordnung) von mehr als 50 dB und zweiter Ordnung (harmonische) Verzerrung von mehr als 40 dB unter der Grundwelle. Diese Werte dienen als die Mindestwerte, die für die Analysegeräte. Zur Reduzierung des durch das Vorhandensein von interner Verzerrung verursachten Messfehler würde diese Verzerrung viel niedriger als die Prüfvorschriften sein.
3. Verzerrung zweiter Ordnung erhöht sich mit dem Quadrat der Fundamentalsignalamplitude. Verzerrung dritter Ordnung zunimmt, wenn die dritte Potenz der Grundschwingungsamplitude. Die Intercept dritter Ordnung (TOI) ist ein Maß für die Fähigkeit des Analysators große Signale ohne Verzerrung zu handhaben. Analysatoren mit höheren TOI Zahlen werden im allgemeinen dynamischen Bereich und die Genauigkeit für die Verzerrung und Rauschmessungen verbessert.
- Dynamikbereich: Dynamikbereich ist traditionell definiert als das Verhältnis in dB der größten bis zum kleinsten Signal gleichzeitig am Eingang des Spektrumanalysators, die Messung der kleineren zu einem bestimmten Grad an Unsicherheit ermöglicht (Abb. 4). AN Dynamikbereich des Instruments bestimmt den Amplitudenbereiches, über die Messungen zuverlässig durchgeführt werden. Der Dynamikbereich wird oft falsch verstanden und falsch interpretiert, da der Anzeigebereich des Instruments, Messbereich, Grundrauschen, Phasenrauschen und Störresonanz alle eine wichtige Rolle bei der Bestimmung (Abb. 5) spielen.
4. Dieses Diagramm zeigt graphisch Dynamikbereich. Hier wird das Signal-zu-Rausch und Signal-zu-Verzerrungskurven sind sowohl auf der einen Dynamikbereich Graphen. Maximale Dynamikbereich auftritt, wo sich die Kurven schneiden, das heißt, wenn das intern erzeugte Verzerrungspegel des angezeigten mittleren Rauschpegel (DANL) entspricht. Dieser Punkt ist auch die optimale Mischstufe.
5. Der Dynamikbereich wird oft falsch verstanden und falsch interpretiert, da der Anzeigebereich des Instruments, Messbereich, Grundrauschen, Phasenrauschen und Störresonanz alle eine wichtige Rolle bei der Bestimmung spielen. Es ist wichtig zu wissen, welche Definition am besten geeignet für eine gegebene Anwendung ist.
Zur Optimierung des Dynamikbereiches, wählen Sie die Einstellungen des Analysators, die optimale Empfindlichkeit bieten: die schmalste RBW, minimale Eingangsdämpfung und eine ausreichende Mittelung. Auch testet den Analysator Verzerrung, die durch Eingangsdämpfung zu erhöhen und suchen Signalamplitudenänderungen. Anschließend den Dämpfungsglieds auf die niedrigste Einstellung ohne Amplitudenänderung.
Moderne Signalanalysatoren
Im Gegensatz zum herkömmlichen Spektrumanalysator, bietet die moderne Variante unterschiedliche Komponenten, Wieder angeordnet Blöcke und einen ADC, den ich weiter die Verarbeitungskette (Fig. 6) gedrückt wird. Der Analysator all-digital IF-Signale auf unterschiedliche Weise verarbeiten und ermöglicht erhebliche Fortschritte in der Genauigkeit, Dynamik und Geschwindigkeit. Die digitale Signalverarbeitung (DSP) wird ebenfalls eingearbeitet, die der Analysator immer komplexe Signalformate messen ermöglicht, verbessert die Dynamik und Genauigkeit, und erhöht die Durchlaufgeschwindigkeit. Es ist möglich, Signale über eine gepfeilte Analysemodus zu verarbeiten, wenn Dynamikbereich wichtig ist, oder in FFT-Analyse-Modus, wenn wir eine schnellere Laufgeschwindigkeit bei schmalen Bandbreite erfordern.
6. moderne Spektrumanalysatoren wie die Agilent Series X-Signalanalysator verfügen über verschiedene Komponenten, neu angeordnet Blöcke und ein ADC geschoben weiter oben in der Verarbeitungskette im Vergleich zu herkömmlichen Spektrumanalysatoren.
Schlüsselmerkmale des modernen Spektrumanalysator schließen seine Fähigkeit eingebaut, Einknopf Leistungsmessungen (wie beispielsweise belegte Bandbreite, Kanalleistung, und Nachbarkanalleistung) zu machen, sowie die Unterstützung für anwendungsspezifische Software ermöglicht Einknopf Messungen der allgemeinen Anwendungen, flexible digitaler Modulationsanalyse und Kraft / Digitalmodulationsmessungen für drahtlose Kommunikationsanwendungen.
Verbesserte Display-Funktionen wie Spek ermöglichen die Analyse von zeitvarianten Signalspektrum, während Spur Zoom ermöglicht es Benutzern, auf einfache Weise vergrößern Sie Trace-Daten. I / Q-Basisband-Eingangssignale die Lücke zwischen Basisband- und HF-Umgebungen (Fig. 7) überbrücken. Darüber hinaus ist die große Analysebandbreite von modernen Spektrumanalysatoren angeboten ideal für die Signalanalyse auf dem Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, Schwellen Kommunikation und Mobilfunk-Anwendungen, die Bandbreiten in den Hunderten von MHz mit hohen Datenraten erfordern kann.
7. Agilent PXA und MXA-Analysatoren bieten optionale I / Q-Basisband-Eingänge mit 500 MSample tiefen Capture Standardspeicher.
Signal-Analysatoren sind nützliche Werkzeuge zum Charakterisieren und eine Vielzahl von Geräten und Anlagen zu analysieren. Mit ihnen effektiven für genaue Messungen zu machen und richtig zu interpretieren und zu analysieren ergebnis erfordert ein grundlegendes Verständnis davon, wie sie funktionieren und die Eigenschaften. Weitere Informationen über Agilent Spektrum und Signalanalysatoren bei www.agilent.com/find/sa.