Панорамные приемники частотного диапазона.

Панорамные приемники частотного диапазона.

Панорамные приемники
частотного диапазона

Важнейшие среди задач обеспечения безопасности связи и телекоммуникаций:
— поиск и обнаружение электромагнитных сигналов с неизвестными параметрами и радиопомех;
— выявление вида и параметров модуляции электромагнитных колебаний, демодуляция содержащейся в них информации;
— измерение уровня спектральных компонент электромагнитных колебаний;
— измерение фазочастотных, амплитудно-частотных и шумовых характеристик приемно-усилительной аппаратуры, параметров нелинейных искажений в них;
— измерение параметров побочных составляющих выходных сигналов радиопередатчиков.

Указанные задачи решаются при помощи приборов, которые относятся к классу измерительных приемников, анализаторов спектра или сканеров диапазона частот. Среди них сканеры диапазона частот ориентированы на обнаружение факта наличия на их входе сосредоточенного по частоте высокочастотного сигнала при достаточно грубых, но однозначных оценках его средней частоты и мощности. Анализаторы спектра, напротив, часто неоднозначно или неточно фиксируют среднюю частоту сигнала, но позволяют установить форму его спектра. Панорамные приемники, в отличие от анализаторов спектра, имеют предварительный селектирующий усилитель. Поэтому их чувствительность значительно выше, но они уступают анализаторам спектра по времени просмотра выделенного диапазона. Измерительные панорамные приемники (ИПП) включают в себя дополнительные средства для демодуляции некоторых классов излучений и для точных измерений частотных характеристик устройств цепей и трактов в выбранном диа-пазоне частот.

Cложные автоматизированные приборы, которыми являются ИПП, имеют значительное количество параметров, свойств и потребительских характеристик. Целью данной публикации является обзор состояния современного рынка таких изделий и сопоставление их по различным критериям.

Ограничимся ИПП радиочастотного диапазона, предназначенными, главным образом, для обеспечения безопасности офиса, контроля наличия и расшифровки слабых излучений от изделий спецтехники.

Основные термины и определения

Для решения каждой из отмеченных выше задач могут представлять интерес те или иные технические характеристики. Общими для всех применений являются следующие основные параметры:
— диапазон и поддиапазоны рабочих частот;
— разрешающая способность;
— чувствительность;
— нестабильность частоты опорного генератора (или нескольких генераторов при многократном преобразовании частоты);
— динамический диапазон уровня измеряемых сигналов;
— виды и параметры модуляции.

Рассмотрим кратко определения и способы нормирования этих параметров.

Радиочастотным обычно называют диапазон электромагнитных колебаний с частотами от 30 кГц до 2 ГГц. В панорамных приемниках осуществляется одновременный (возможно, последовательный за выбранное время сканирования) просмотр радиочастотного спектра в пределах нескольких поддиапазонов, как правило, декадной ширины с соотношением верхней и нижней частот как 10:1, в отдельных поддиапазонах от 2:1 до 100:1. Для просмотра участков диапазона вблизи границ поддиапазона, фактические границы сканирования на 10-15% выходят за пределы указанных граничных частот.
Разрешающую способность характеризуют наименьшим интервалом частот между двумя немодулированными гармоническими колебаниями одинакового уровня, которые могут быть зафиксированы как раздельные. Иногда используется также термин избирательность (или селективность), который характеризует возможность настройки на выбранный сигнал при наличии помех с близкой частотой. Для повышения разрешающей способности приемника применяют двух- или трехкратное преобразование частоты. При этом возможность разрешения сигналов с близкими частотами определяется полосой пропускания наиболее узкополосного из усилителей промежуточной частоты в тракте. Разрешающая способность ИПП зависит от выбранного поддиапазона, при котором оператор может изменять ее в 10…100 раз.
Чувствительность ИПП характеризуется наименьшей мощностью измеряемого сигнала при фиксированной ширине частотного спектра, например, 1 кГц, который может быть принят. Предел чувствительности ИПП определяется уровнем собственных флуктуаций входных малошумящих усилителей. Он зависит от выбранной полосы пропускаемых частот, а также от скорости сканирования поддиапазона, если ИПП построен как анализатор спектра последовательного действия. Чувствительность измеряется в милливаттах (мВт) или в децибелах по отношению к милливатту (дБм).
От нестабильности частоты опорного генератора первого преобразователя частоты зависят все важнейшие характеристики приемника: чувствительность, разрешающая способность, погрешность определения параметров измеряемого сигнала. Нестабильность частоты за время менее 1 с характеризуется спектральной плотностью частотного шума. В качестве меры этой величины используется отношение мощности частотного шума в полосе 1 Гц к мощности сигнала [1/Гц]. Эта величина обычно указывается в логарифмической шкале децибел. Относительная спектральная плотность шума изменяется в зависимости от значений самой несущей частоты и малой отстройки от нее. Поэтому данный параметр часто пересчитывается к определенной средней частоте, например к частоте 1 ГГц, при также определенной, например 10 кГц, отстройке от несущей. Нестабильность частоты за сутки и за год характеризует эффекты старения и измеряется в единицах по отношению к средней частоте опорного генератора. Эта величина указывается как среднеквадратическое значение отклонения от номинального значения в единицах определенного десятичного разряда после запятой или в миллионных долях, например, 2Е-7=2Х10-7=0,2 ppm.
Динамический диапазон ИПП определяет наибольшее соотношение уровня принимаемого сигнала над пороговым, при котором паразитные комбинационные составляющие не превосходят порога и не могут, таким образом, быть приняты за реально действующий сигнал. Вводят также характеристику нелинейных или интермодуляционных искажений второго и третьего порядка как наибольшее соотношение уровней двух сосредоточенных по частоте сигналов, при котором соответствующие нелинейные продукты не превосходят порога обнаружения.

Виды и параметры модуляции принимаемых сигналов, предусмотренные в том или ином ИПП, характеризуют его возможность выявления определенных видов модуляции (амплитудная, импульсная, частотная манипуляция, двухуровневая фазовая манипуляция и др.), оценки некоторых параметров этих видов модуляции (девиация, длительность импульсов, период повторения и др.), а в отдельных случаях и детектирование информационной компоненты, по которой производится модуляция.

Наряду с упомянутыми основными параметрами ИПП важное значение имеют такие вспомогательные возможности и характеристики прибора, как наличие памяти предыдущих сеансов работы, связь с компьютером для регистрации результатов и управления, возможности подключения внешних приборов и генераторов, точность измерения уровней сигналов, массогабаритные показатели, энергопотребление, цена.

Разумеется, что ИПП, предназначенный для мониторинга электромагнитной обстановки вблизи охраняемого объекта, должен комплектоваться антенной, согласованной с ИПП по входным параметрам, которая обладает выбранными свойствами по своему направленному действию.

Базовый уровень современных ИПП

На сегодняшний день на российском рынке широко представлены ИПП типа AR3000A, AR3000, AR5000 фирмы AOR Ltd., а также типа IC-R8500, IC-R9000, 1С-РС1000 фирмы 1СОМ. Упомянутые приборы предназначены для обнаружения факта наличия неконтролируемого электромагнитного излучения в анализируемом диапазоне и для грубой оценки их средней частоты, но не для точных измерений параметров сигнала. В них отсутствуют внутренние калибровочные генераторы, динамический диапазон небольшой. Они являются сканерами частотного диапазона.

К профессиональной аппаратуре мониторинга электромагнитной обстановки можно отнести некоторые приборы таких производителей как Rohe&Schwarz (Австрия), Hewlett-Packard и TektronixAdvantest (США). Среди отечественных производителей можно выделить фирмы: СКБ Радиоизмерительной Аппаратуры (СКБ РИАЛ) (Нижний Новгород), «Элвира» (Моск. обл.). Типовые параметры таких ИПП приведены в табл. 1.

Полезной особенностью современных приборов является возможность их сопряжения с персональным компьютером, портативность, малая масса, независимое питание.

Прибор Tektronix 2795 является ИПП с широкими функциональными возможностями. Он работает в диапазоне частот от 100 Гц до 1,8 ГГц с разрешающей способностью по частоте от 10 Гц до 3МГц. Этот прибор оптимизирован для измерений в диапазонах метровых и дециметровых радиоволн, которые наиболее часто используются для специальных средств передачи информации. Совместно с прибором Tektronix 2795 может использоваться внешний трекинг-генератор TR-503 для задания средней частоты анализируемого участка с возможностью ее перестройки. Набор специальных средств управления и удобное меню позволяют производить все измерения при помощи кнопок управления на передней панели прибора. В приборе Tektronix 2795 предусмотрены средства для автоматизации сложных измерений. Имеется возможность программирования прибора. Данные с встроенного жидкокристаллического дисплея можно запоминать в его внутренней памяти, а также передавать по шине связи в формате GPIB к другим приборам измерительного комплекса. Часто используемая последовательность измерений записывается во внутренней памяти прибора и может быть вызвана для повторного выполнения. Прибор Tektronix 2795 может хранить до 10 различных параметров измерений в энергонезависимой памяти. В нем предусмотрена также возможность сохранения до 9 изображений копии экрана, что действительно удобно, когда анализ данных может быть отсрочен. Масса прибора без TR-503 около 20 кг. Модель Tektronix 2712 представляет собой анализатор спектра, который обладает небольшой массой (9,5 кг) при достаточно высоких технических характеристиках. Прибор Tektronix 2712 работает в диапазоне частот от 9 кГц до 1,8 ГГц. В дополнение к базовой поставке он может быть укомплектован внешним или внутренним трекинг-генератором, квазипиковым детектором, последовательным портом цифровой связи в формате RS-232. Измерительный приемник Tektronix 2712 также оптимизирован для работы в диапазонах метровых и дециметровых длин волн. Он имеет необходимый набор средств для полного программирования режимов работы. В нем встроена энергонезависимая память (124 Кслов), где может быть сохранено до 108 изображений копий экрана. Предусмотрена возможность управления прибором от компьютера через шину формата GPIB или по последовательному интерфейсу порта RS-232.

Измерительный приемник 8591Е фирмы Hewlett-Packard является простым в эксплуатации портативным анализатором спектра, позволяющим производить измерения в полосе частот от 9 кГц до 1,8 ГГц. Уникальной особенностью приемника 8591Е является возможность производить анализ состава спектра с помощью быстрого преобразования Фурье в диапазоне низких частот (30…300 кГц) нажатием всего лишь одной кнопки. В приборе предусмотрены средства программирования и сохранения программ и данных во внутренней памяти объемом до 512К. Экранный интерфейс встроенного дисплея подобен Windows программам. В 8591Е предусмотрена возможность сопряжения по управлению и выводу данных с персональным компьютером через шину в стандарте НР-1В или по последовательному интерфейсу формата RS-232. Фирма Hewlett-Packard предлагает новый дешевый портативный спектроанализатор ESA-L1500A, работающий в диапазоне частот от 9 кГц до 1,5 ГГц с малой погрешностью измерения частоты (±2 кГц на частоте 1 ГГц). Прибор прост в эксплуатации, имеет экранный интерфейс типа Windows и совместим по управлению с персональным компьютером по шине стандарта НР-1В или по последовательному интерфейсу RS-232. В прибор встроен трекинг-генератор для задания среднего значения частоты анализируемого частотного интервала. В зависимости от опций масса прибора варьируется от 12,3 до 25 кг.

Спектроанализатор типа FSA фирмы Rohe&Schwarz представляет собой профессиональный лабораторный (масса 50 кг) прибор с очень высокими техническими характеристиками. К его достоинствам можно отнести широкий диапазон рабочих частот (от 100 Гц до 1,8 ГГц), большой динамический диапазон, низкий уровень фазовых шумов и паразитной частотной модуляции, наличие внутреннего трекинг-генсратора. Прибор полностью программируется и может сопрягаться с персональным компьютером по последовательному интерфейсу формата RS-232. К прибору может подключаться стандартный компьютерный дисковод для дискет размером 3,5″ или 5″.

Портативный анализатор спектра U3641 фирмы Advantest является наиболее компактным прибором своего класса. Его масса 6,9 кг, дополнительный встраиваемый аккумулятор имеет массу 2,1 кг. Прибор работает в диапазоне частот от 9 кГц до 3 ГГц.

Панорамный приемник ближнего поля Belan разработан специалистами отечественной производственной фирмы «Элвира». Прибор имеет рабочий диапазон частот от 100 кГц до 2,1 ГГц. По существу он сочетает в себе функции анализатора спектра и поискового комплекса. В нем предусмотрено три режима функционирования. В режиме приемника производится демодуляция амплитудно-модулированных (AM) или частотно-модулированных (ЧМ) сигналов на выбранной частоте. В режиме спектрального анализа на дисплее индуцируется и периодически обновляется изображение модуля спектра сигналов, обнаруженных в полосе сканирования. Режим поиска предназначен для регистрации радиосигналов, амплитуда которых превышает пороговое значение, которое задается оператором. Прибор Belan имеет внутреннюю энергонезависимую память, в которой может сохраняться до 1000 значений частот обнаруженных ранее сигналов. Прибор полностью программируется и сопрягается с персональным компьютером по последовательному порту формата RS-232. Он прост в обращении, имеет приятный экранный интерфейс, малую массу (6 кг) и возможность независимого энергопитания. Существенным достоинством его по сравнению с отмеченными выше приборами является в 2-3 раза меньшая стоимость. Определенным недостатком приемника Belan является отсутствие трекинг-генератора. Можно было бы предусмотреть в программе экранного интерфейса наличие «горячих» кнопок для быстрого выбора отдельных пунктов меню.

Отечественный ИПП «Призер-2» производства СКБ РИАЛ работает в диапазоне частот от 20 МГц до 1 ГГц, имеет чувствительность до -60 дБм, разрешающую способность до 200 Гц, динамический диапазон до 90 дБ, панорамный индикатор, режим запоминания спектрограмм и результатов измерения, интерфейс RS-232, массу 5 кг. В табл. 2 приведены сравнительные технические характеристики представленных в настоящее время на рынке ИПП.

Приведенный выше анализ измерительных панорамных приемников радиочастотного диапазона показывает, что в настоящее время на рынке имеется высокочувствительная и в то же время компактная аппаратура для обнаружения источников электромагнитных излучений, которые могут создавать помехи другим радиоэлектронным средствам или сигнализировать о несанкционированном нарушении безопасности офиса. В таких приборах используются высококачественные компоненты электронной техники и информационных технологий, поэтому их стоимость относительно высокая (от единиц до десятков тысяч долларов США). Вместе с тем важность задач безопасности, решаемых при помощи таких изделий, вполне может оправдывать затраты.

Отечественные производители представляют в настоящее время на рынок открытые ИПП, не уступающие по своим техническим характеристикам лучшим зарубежным образцам. В то же время стоимость их на внутреннем рынке в 2-3 раза меньше.