Aplicación de analizadores vectoriales de señales en sistemas de monitorización radioeléctrica.

Aplicación de analizadores vectoriales de señales en sistemas de monitorización radioeléctrica.

SILANTIEV Vladimir Anatolyevich,
Candidato de Ciencias Técnicas

APLICACIÓN DE ANALIZADORES DE SEÑALES VECTORIALES EN SISTEMAS DE MONITOREO RADIO  

Los analizadores de señales vectoriales se crearon para estudiar señales de radio de formas complejas, por ejemplo, señales con modulación de cuadratura digital, así como procesos pulsados ​​​​y no estacionarios de alta frecuencia. Los parámetros de tales oscilaciones son difíciles, si no imposibles, de estimar utilizando instrumentos convencionales. Para obtener información completa sobre la modulación y las características de una señal en el dominio del tiempo y la frecuencia, es necesario estudiar un proceso de dos componentes (vector) que refleje los cambios en la amplitud y fase de la señal original a lo largo del tiempo. Las herramientas de procesamiento digital de los analizadores vectoriales modernos permiten registrar dichos procesos y resaltar toda la información sobre los parámetros de la señal recibida. Estas capacidades merecen la atención de los especialistas en monitoreo de radio, teniendo en cuenta los problemas que surgen al analizar señales de sistemas modernos con canales de división de tiempo y código, salto de frecuencia pseudoaleatorio y modulación digital.

Medición de parámetros de señal

El análisis de los parámetros de las señales de radio, junto con su detección, es una de las principales operaciones de monitorización de radio. Durante el proceso de análisis, un operador o programa informático mide las características de interés de la señal de radio detectada, como la frecuencia portadora, el nivel, la forma y anchura espectral, los parámetros de modulación, etc. Los resultados de estas mediciones se utilizan para verificar el cumplimiento de los parámetros de los sistemas monitoreados con los estándares establecidos o sirven como datos de entrada para procedimientos de clasificación e identificación de señales y sistemas de radio en los que se utilizan estas señales.

Para obtener información detallada sobre las señales recibidas, es necesario estudiar su comportamiento en el tiempo y realizar análisis espectrales en el dominio de la frecuencia. Si la señal detectada está modulada, es necesario determinar el tipo de modulación y estimar los parámetros de tiempo y frecuencia de los procesos moduladores.

Equipo de análisis de señales de radio

Para medir todo el conjunto de parámetros de la señal de radio que son de interés para el sistema de monitoreo de radio, es necesario utilizar varios instrumentos especializados: analizadores de espectro, receptores de medición y analizadores de modulación. .

En el dominio de la frecuencia, los analizadores de espectro en serie se utilizan principalmente para estudiar las formas del espectro y medir niveles y frecuencias portadoras de señales de radio. Un dispositivo de este tipo forma secuencialmente una imagen espectral durante la reestructuración del generador controlado del convertidor de frecuencia y la medición de los niveles en la salida del filtro de paso de banda (Fig. 1a).

Fig. 1. Diagrama de bloques de analizadores de espectro
tipo serie (a) y paralelo (b)

El analizador paralelo evalúa todo el espectro a la vez, ya que contiene un grupo de filtros de paso de banda sintonizados a frecuencias adyacentes (Fig. 1b). Dado que la implementación de una estructura analógica de este tipo es difícil, en la práctica se utiliza su equivalente digital en forma de analizador FFT, que calcula el espectro mediante algoritmos de transformada rápida de Fourier (FFT). En comparación con los analizadores FFT paralelos digitales analógicos en serie, tienen ciertas ventajas: mayor resolución y velocidad de funcionamiento, la capacidad de analizar señales pulsadas y de un solo disparo. Son capaces de calcular no sólo los espectros de amplitud, sino también de fase, y también representar simultáneamente señales en los dominios del tiempo y la frecuencia. Desafortunadamente, los analizadores FFT paralelos, debido a las capacidades limitadas de los convertidores analógico-digital (ADC), funcionan sólo a frecuencias relativamente bajas.

La principal ventaja del receptor de medición es una mayor sensibilidad en comparación con un analizador de espectro y la presencia de filtros de paso de banda sintonizables (preselectores) en la entrada, que aumentan significativamente la inmunidad al ruido en condiciones de bandas de radio densamente cargadas, típicas de las tareas de monitoreo de radio. La ruta del receptor de medición calibrada de ganancia y frecuencia se utiliza para estimar los niveles y frecuencias de la señal de RF y tiene varios demoduladores estándar para examinar las características de modulación en el dominio del tiempo de la señal recibida. Al mismo tiempo, las capacidades de análisis de señales en el dominio de la frecuencia para dispositivos de esta clase son, por regla general, limitadas.

Los analizadores de modulación se utilizan para estudiar procesos en las salidas de demoduladores estándar. Al seleccionar el tipo de demodulador requerido, el operador recibe información sobre la naturaleza y los parámetros de los cambios en la amplitud, frecuencia o fase de la señal recibida.

Recientemente, debido al desarrollo intensivo de los sistemas de comunicación por radio móviles y por satélite y la introducción generalizada de métodos digitales prometedores de modulación y separación de canales, los requisitos para los equipos de análisis de señales han cambiado significativamente. Los analizadores de espectro en serie y los receptores panorámicos con simples demoduladores AM y FM están siendo reemplazados por nuevos dispositivos que pueden operar efectivamente en tres áreas de representación de señales de radio a la vez: tiempo, frecuencia y en el área de procesos de modulación.

Análisis vectorial de señales de radio

Para representar cualquier señal de radio, basta con conocer su frecuencia portadora y su envolvente compleja de proceso vectorial de dos componentes. Aunque la frecuencia portadora puede ser muy alta, la envolvente compleja sigue siendo una señal de frecuencia relativamente baja que puede convertirse a formato digital. Uno de los posibles esquemas para el análisis vectorial de señales de radio se muestra en la Fig. 2. Para ampliar el rango de frecuencia, generalmente se enciende un convertidor de frecuencia ascendente o descendente en la entrada del analizador vectorial, que transfiere el espectro de la señal de radio de entrada a una frecuencia intermedia fija. Se utilizan varios dispositivos como convertidores, desde circuitos simples basados ​​​​en mezcladores y generadores hasta sistemas especializados. Las funciones del convertidor suelen realizarse mediante rutas de entrada calibradas de analizadores de espectro o receptores de banda ancha con salida a una frecuencia intermedia de 10,7 o 21,4 MHz.

Un demodulador de cuadratura opera a una frecuencia intermedia y extrae las partes real (I) e imaginaria (Q) de la envolvente de la señal compleja en una banda de frecuencia llamada banda de procesamiento paralelo. Después de la conversión de analógico a digital, las implementaciones digitales de I y Q se registran en la memoria de un procesador de señales digitales (DSP). Al tener implementaciones I/Q, el procesador calcula el espectro de la señal de radio de entrada, así como funciones de modulación que describen el comportamiento temporal de la amplitud, frecuencia y fase de la señal recibida.

Fig. 2. Estructura de un analizador vectorial de señales con convertidor de frecuencia

El proceso de medición de parámetros de señales de radio con un analizador vectorial digital consta de dos etapas: registro y procesamiento. En la primera, el analizador selecciona, convierte a formato digital y almacena en la memoria la implementación de la envolvente compleja de una señal de radio de una duración determinada. En la segunda etapa, los datos recibidos se procesan y preparan para su visualización. El procesamiento (por ejemplo, cálculo del espectro) de la implementación actual se puede realizar en paralelo con el proceso de registro de la siguiente. Si el tiempo de cálculo y transferencia de resultados al consumidor es menor que la duración de una implementación separada, el análisis se realizará sin lagunas en tiempo real (Fig. 3a). Este modo se utiliza para la visualización y demodulación continua de procesos estacionarios. En algunos casos, por ejemplo, al analizar señales pulsadas o individuales, solo se registran en la memoria fragmentos de tiempo individuales (Fig. 3b), cuyo procesamiento puede llevar un tiempo considerable. En este modo, es posible ampliar significativamente la banda de frecuencias analizadas, y la duración del fragmento analizado estará determinada por la capacidad de memoria del DSP.

Arroz. 3. Procesamiento digital continuo de señales en tiempo real (a) y registro de fragmentos individuales con procesamiento posterior (b)

Enumeramos las principales características que distinguen los analizadores vectoriales entre los instrumentos tradicionales para estudiar los parámetros de las señales de radio:

• A diferencia de los medidores, que operan en procesos escalares (unidimensionales), un analizador vectorial procesa envolventes complejas que representan la amplitud y fase de una señal de radio. Esto le permite examinar los espectros de amplitud y fase, así como extraer simultáneamente la amplitud, la fase y la frecuencia de una señal de radio y mostrarlas en forma de diagramas espectrales, temporales o vectoriales.

• Gracias El analizador vectorial de adquisición digital realiza un análisis de espectro paralelo en tiempo real sin la pérdida de información asociada con los analizadores de espectro en serie, y también representa la señal de radio de entrada simultáneamente en los dominios de tiempo y frecuencia.

• El registro digital y el almacenamiento en la memoria de implementaciones sucesivas de señales de radio brindan oportunidades únicas para detectar y estudiar las características de señales de radio no estacionarias, pulsadas y de disparo único en el modo de análisis espectral con «selección de tiempo».

Parámetros de los analizadores vectoriales de señales de radio

Uno de los principales parámetros del analizador vectorial — Esta es la banda de frecuencia de procesamiento paralelo, que depende de la velocidad del ADC y del rendimiento del DSP. Se requieren anchos de banda de análisis paralelos del orden de varios MHz para examinar y demodular señales de interfaz aérea de alta velocidad y de espectro ensanchado. Sin embargo, ampliar el ancho de banda del análisis paralelo y utilizar un ADC con una frecuencia de muestreo más alta puede afectar negativamente el rango dinámico y la resolución de frecuencia del analizador. El ancho de banda de procesamiento en tiempo real refleja la capacidad del instrumento para analizar señales estacionarias continuas en tiempo real. Para los analizadores de banda ancha, este ancho de banda puede ser significativamente menor que el ancho de banda de procesamiento paralelo. La duración de las implementaciones grabadas está relacionada únicamente con la capacidad de memoria del DSP y determina las capacidades del dispositivo para grabar y detectar señales pulsadas y de disparo único.

Los demás parámetros del analizador: rango de frecuencia de funcionamiento, sensibilidad, rango de niveles medidos y rango dinámico de la entrada están enteramente determinados por el tipo de convertidor de frecuencia utilizado. Medir niveles y frecuencias de una señal requiere calibrar su ganancia, así como el uso de sintetizadores de frecuencia con la estabilidad y nivel de ruido de fase necesarios.

Dependiendo del ancho de banda del análisis paralelo, los analizadores vectoriales modernos realizan mediciones de potencia de componentes espectrales con un rango dinámico de 60 a 90 dB. Fabricada, en particular, por Agilent Technologies (EE. UU.), la unidad de procesamiento vectorial de la serie 89400 89410A funciona con una banda de análisis paralela cuando graba implementaciones en la memoria de 3 a 7 MHz y 78 kHz cuando graba en tiempo real. La capacidad de la memoria de implementación es de hasta 1 millón de muestras. El dispositivo funciona con convertidores reductores 89431A o 89430 A (rango de hasta 2,65 y 1,8 GHz, respectivamente). Sensibilidad de entrada – -159 dBm/Hz, nivel de componente espurio – -70 dBc. El convertidor 89411A de esta serie está diseñado para interconectar la unidad de procesamiento vectorial con receptores de radio y analizadores de espectro que tienen una salida de frecuencia intermedia de 21,4 MHz.

Los especialistas de Tektronix (EE. UU.) llaman a estos dispositivos analizadores de espectro en tiempo real (RTSA — Real Time Spectrum Analyzer). Los analizadores 3066 y 3086 de esta empresa funcionan en frecuencias de 10 MHz a 3 GHz. Memoria de implementación: hasta 16 MB. El análisis paralelo se realiza en un ancho de banda de hasta 5 MHz con una resolución de frecuencia de hasta 5 kHz. Mide niveles de -50 a +30 dBm. El nivel de ruido en la entrada es de -140 dBm/Hz.

Analizadores vectoriales en sistemas de monitorización por radio

En un sistema de monitorización por radio, el analizador vectorial puede funcionar con su propio convertidor de frecuencia o conectarse a la salida de frecuencia intermedia de un analizador de espectro estándar o un receptor de radio panorámico del sistema. Como resultado, es posible no solo aumentar significativamente la velocidad y precisión de la estimación de los parámetros de la señal, sino también obtener una serie de capacidades completamente nuevas que son inaccesibles a las herramientas de análisis tradicionales.

Análisis de espectro paralelo

Para los analizadores de espectro en serie, la resolución (ancho de banda de análisis) está determinada por el ancho de banda de los filtros de paso de banda analógicos (Fig. 1a), cuyo número y parámetros determinan las bandas de análisis disponibles. Los analizadores paralelos digitales cambian la resolución en el software y la implementación de bandas de análisis estrechas no causa dificultades como en los analizadores con filtros discretos. La resolución de frecuencia de un analizador vectorial depende únicamente de la dimensión (número de puntos) del algoritmo FFT:

resolución de frecuencia = (ancho de banda de procesamiento paralelo)/(dimensión FFT) .

Por ejemplo, para un ancho de banda de procesamiento paralelo de 200 kHz, un algoritmo FFT de 2048 puntos proporcionará una resolución de frecuencia de aproximadamente 100 Hz. Dichos parámetros permiten estudiar los espectros de señales de sistemas de banda estrecha con división de frecuencia de canales (Fig. 4), así como medir el ancho del espectro y las frecuencias portadoras con una precisión de hasta 100 Hz.

Fig. 4. Espectros de señales codificadas en frecuencia de dos estaciones cercanas de banda estrecha (FFT de 2048 puntos con una resolución de 100 Hz, ancho de banda de análisis paralelo — 50 kHz)

Como ocurre con cualquier analizador de espectro, la sensibilidad mejora a medida que se reduce el ancho de banda de análisis. Por ejemplo, pasar de una banda de análisis de 10 kHz a una banda de 100 Hz aumentará la sensibilidad en esta banda en 20 dB.

Otra ventaja importante del análisis paralelo en comparación con el análisis secuencial es la aumento relativo en la velocidad de construcción del espectro, que se vuelve especialmente significativo para bandas de análisis pequeñas. Como es sabido, el tiempo mínimo de revisión de un analizador en serie está limitado por:

tiempo de análisis secuencial = (intervalo)/[0,5*(ancho de banda de análisis)2].

En particular, para trazar un espectro en un intervalo de 200 kHz con resolución A 100 El analizador serie Hz tardará unos 40 segundos.

El analizador paralelo es mucho más rápido. Para calcular el espectro, el DSP debe registrar una implementación con un número de muestras igual a la dimensión de la FFT. Las muestras se reciben a la frecuencia de muestreo del ADC, aproximadamente igual al ancho de banda del procesamiento paralelo. Como resultado, el tiempo mínimo de análisis paralelo será igual a:

tiempo de análisis paralelo = (dimensión FFT)/(ancho de banda de procesamiento paralelo).

Teniendo en cuenta el tiempo empleado en procesar y transmitir datos al ordenador, este tiempo será de 10 a 40 ms.

Análisis panorámico de espectro y medición de nivel de señal

El ancho de banda de frecuencia del análisis de espectro paralelo no suele exceder de varios MHz. Para generar panoramas espectrales en amplios rangos de frecuencia, algunos analizadores vectoriales pueden realizar las funciones de analizadores de espectro en serie o combinar modos en serie y paralelo. En modo serie, el DSP del analizador realiza mediciones directas de la potencia promedio de la señal en la banda de procesamiento paralelo mientras ajusta el convertidor de frecuencia en pasos iguales a esta banda (Fig. 5).

Fig. 5. Visualización panorámica del espectro en el tramo de 800 MHz con una resolución de 1,6 MHz, obtenido por un analizador vectorial con un promedio de más de 16 implementaciones

En cuanto a la velocidad de formación de panoramas espectrales con bandas de análisis amplias, los analizadores vectoriales son inferiores a los analizadores de espectro secuenciales. Al mismo tiempo, utilizando un convertidor de frecuencia con filtros preselectores controlados, es posible mejorar significativamente la sensibilidad y proteger contra sobrecargas el complejo de monitoreo de radio con antenas de banda ancha. Además, el sintetizador de frecuencia de dicho convertidor mantendrá una alta estabilidad de sintonización en todos los puntos del rango de frecuencia en estudio, y los algoritmos de promedio digital (acumulación) del analizador vectorial aumentarán la relación señal-ruido y reducirán el nivel de entrada. errores de medición.

El análisis de espectro serie-paralelo se utiliza con valores de resolución media. En este modo, el procesador FFT calcula fragmentos del espectro de banda limitada en cada paso de sintonización del convertidor de frecuencia, y luego el programa de control «pega» las secciones individuales y muestra la imagen espectral completa (Fig. 6).

Arroz. 6. El espectro de la señal de televisión completa se traza en un intervalo de 10 MHz en modo de análisis serie-paralelo. En cada uno de los 50 pasos de sintonización consecutivos de 200 kHz, se realiza una DFT de 16 puntos

Análisis de señales de radio a lo largo del tiempo

El análisis del espectro es un procedimiento importante, pero no el único, que se utiliza para detectar y estudiar señales en los sistemas de vigilancia radioeléctrica. Los cambios en los parámetros de las señales de radio a lo largo del tiempo pueden no ser menos interesantes. Normalmente, las características de temporización se evalúan sólo en la región de los procesos de modulación utilizando uno de los demoduladores estándar, por ejemplo, amplitud o frecuencia. Sin embargo, este enfoque puede resultar ineficaz para los sistemas de radio modernos en los que la información se transmite mediante modulación en cuadratura (vectorial), que generalmente implica cambios simultáneos en la amplitud y fase de la señal de radio.

Un analizador vectorial registra la envolvente compleja de una señal de radio y, por lo tanto, representa los cambios en sus parámetros a lo largo del tiempo sin la pérdida de información característica de los demoduladores escalares. Hay varios formatos diferentes disponibles para mostrar el sobre complejo. Los componentes en fase y en cuadratura a la salida del demodulador en cuadratura, que representan, respectivamente, las partes real e imaginaria de la envolvente compleja de la señal de radio de entrada, se pueden representar como oscilogramas en coordenadas cartesianas (Fig. 7). Si el oscilograma se sincroniza con la frecuencia de reloj de la señal recibida con manipulación discreta, entonces la visualización toma la forma del llamado diagrama de «ojo».

Arroz. 7. Oscilograma del componente en modo común de una señal de un sistema de comunicación GSM con división temporal de canales (registro de una implementación con una duración de 8 ms y visualización de una sección de 2 ms con una resolución de 4 μs)