Применение векторных анализаторов сигналов в системах радиоконтроля..
СИЛАНТЬЕВ Владимир Анатольевич,
кандидат технических наук
ПРИМЕНЕНИЕ ВЕКТОРНЫХ АНАЛИЗАТОРОВ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ РАДИОКОНТРОЛЯ
Векторные анализаторы сигналов создавались для исследований радиосигналов сложной формы, например, сигналов с цифровой квадратурной модуляцией, а также высокочастотных импульсных и нестационарных процессов. Параметры таких колебаний трудно, если вообще возможно оценить с помощью обычных приборов. Чтобы получить исчерпывающие сведения о модуляции и характеристиках сигнала во временной и частотной области, необходимо исследовать двухкомпонентный (векторный) процесс, отражающий изменения во времени амплитуды и фазы исходного сигнала. Средства цифровой обработки современных векторных анализаторов позволяют регистрировать подобные процессы и выделять всю информацию о параметрах принимаемого сигнала. Эти возможности заслуживают внимания специалистов по радиоконтролю с учетом проблем, которые возникают при анализе сигналов современных систем с временным и кодовым разделением каналов, псевдослучайной перестройкой частоты и цифровой модуляцией.
Измерение параметров сигналов
Анализ параметров радиосигналов наряду с их обнаружением составляет одну из основных операций радиоконтроля. В процессе анализа оператор или компьютерная программа измеряют интересующие характеристики обнаруженного радиосигнала, такие как несущая частота, уровень, форма и ширина спектра, параметры модуляции и т.д. Результаты этих измерений используются для проверки соответствия параметров контролируемых систем установленным нормам или служат исходными данными для процедур классификации и идентификации сигналов и радиосистем, в которых эти сигналы используются.
Чтобы получить детальную информацию о принимаемых сигналах, необходимо исследовать их поведение во времени и выполнить спектральный анализ в частотной области. Если обнаруженный сигнал модулирован, требуется определить вид модуляции и оценить временные и частотные параметры модулирующих процессов.
Аппаратура анализа радиосигналов
Для измерения всей совокупности интересующих систему радиоконтроля параметров радиосигнала приходится использовать несколько специализированных приборов: анализаторы спектра, измерительные приемники и анализаторы модуляции.
В частотной области для исследований формы спектра, измерения уровней и несущих частот радиосигналов используются главным образом последовательные анализаторы спектра. Такой прибор формирует спектральную картину последовательно в процессе перестройки управляемого генератора преобразователя частоты и измерения уровней на выходе полосового фильтра (рис.1а).
Рис. 1. Структурная схема анализаторов спектра
последовательного (а) и параллельного (б) типа
Параллельный анализатор оценивает весь спектр сразу, поскольку содержит группу настроенных на смежные частоты полосовых фильтров (рис.1б). Поскольку реализация аналоговой структуры такого вида затруднительна, на практике используется ее цифровой эквивалент в виде БПФ-анализатора, который вычисляет спектр с помощью алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ). По сравнению с последовательными аналоговыми цифровые параллельные БПФ-анализаторы обладают определенными преимуществами: более высоким разрешением и скоростью работы, возможностью анализа импульсных и однократных сигналов. Они способны вычислять не только амплитудный, но и фазовый спектры, а также одновременно представлять сигналы во временной и частотной областях. К сожалению, параллельные БПФ-анализаторы из-за ограниченных возможностей аналого-цифровых преобразователей (АЦП) работают только на относительно низких частотах.
Основное преимущество измерительного приемника – более высокая по сравнению с анализатором спектра чувствительность и наличие на входе перестраиваемых полосовых (преселекторных) фильтров, которые существенно повышают помехозащищенность в условиях плотной загрузки радиодиапазонов, характерных для задач радиоконтроля. Калиброванный по коэффициенту усиления и частоте тракт измерительного приемника используется для оценки уровней и частот радиосигналов и располагает нескольким стандартными демодуляторами для исследования характеристик модуляции принимаемого сигнала во временной области. Вместе с тем, возможности анализа сигналов в частотной области у приборов этого класса, как правило, ограничены.
Анализаторы модуляции применяются для исследований процессов на выходах стандартных демодуляторов. Выбирая требуемый тип демодулятора, оператор получает сведения о характере и параметрах изменения амплитуды, частоты или фазы принимаемого сигнала.
В последнее время в связи с интенсивным развитием систем подвижной и спутниковой радиосвязи и широким внедрением перспективных цифровых методов модуляции и разделения каналов требования к аппаратуре анализа сигналов существенно изменились. На смену последовательным анализаторам спектра и панорамным приемникам с простыми АМ- и ЧМ-демодуляторами приходят новые приборы, способные эффективно работать сразу в трех областях представления радиосигналов: временной, частотной и в области модулирующих процессов.
Векторный анализ радиосигналов
Для представления любого радиосигнала достаточно знать его несущую частоту и двухкомпонентный векторный процесс комплексную огибающую. Несмотря на то, что несущая частота может быть очень большой, комплексная огибающая остается относительно низкочастотным сигналом, который можно преобразовать в цифровую форму. Одна из возможных схем векторного анализа радиосигналов показана на рис. 2. Для расширения частотного диапазона на входе векторного анализатора обычно включается понижающий или повышающий преобразователь частоты, который переносит спектр входного радиосигнала на фиксированную промежуточную частоту. В качестве таких преобразователей используются различные устройства от простых схем на базе смесителей и генераторов до специализированных систем. Функции преобразователей часто выполняют калиброванные входные тракты анализаторов спектра или широкодиапазонных приемников с выходом на промежуточной частоте 10,7 или 21,4 МГц.
Квадратурный демодулятор работает на промежуточной частоте и выделяет действительную (I) и мнимую (Q) части комплексной огибающей сигнала в полосе частот, которая называется полосой параллельной обработки. После аналого-цифрового преобразования цифровые реализации I и Q регистрируются в памяти цифрового процессора сигналов (ЦПС). Располагая I/Q-реализациями, процессор вычисляет спектр входного радиосигнала, а также модулирующие функции, описывающие поведение во времени амплитуды, частоты и фазы принимаемого сигнала.
Рис. 2. Структура векторного анализатора сигналов с преобразователем частоты
Процесс измерений параметров радиосигнала цифровым векторным анализатором состоит из двух этапов: регистрации и обработки. На первом анализатор выделяет, преобразует в цифровую форму и помещает в память реализацию комплексной огибающей радиосигнала заданной длительности. На втором полученные данные обрабатываются и готовятся к отображению. Обработка (например, вычисление спектра) текущей реализации может выполняться параллельно с процессом регистрации следующей. Если время вычислений и передачи результатов потребителю меньше длительности отдельной реализации, анализ будет выполняться без пропусков в реальном времени (рис. 3а). Такой режим используется для непрерывного отображения и демодуляции стационарных процессов. В некоторых случаях, например при анализе импульсных или однократных сигналов в памяти регистрируются только отдельные временные фрагменты (рис. 3б), обработка которых может занимать значительное время. В этом режиме удается существенно расширить полосу анализируемых частот, причем длительность исследуемого фрагмента будет определяться емкостью памяти ЦПС.
Рис. 3. Непрерывная цифровая обработка сигналов в реальном времени (а) и регистрация и отдельных фрагментов с последующей обработкой (б)
Перечислим основные особенности, выделяющие векторные анализаторы среди традиционных приборов для исследований параметров радиосигналов:
-
В отличие от измерителей, которые оперируют со скалярными (одномерными) процессами, векторный анализатор обрабатывает комплексные огибающие, представляющие амплитуду и фазу радиосигнала. Это позволяет исследовать амплитудные и фазовые спектры, а также одновременно выделять амплитуду, фазу и частоту радиосигнала и отображать их в виде спектральных, временных или векторных диаграмм.
-
Благодаря цифровой регистрации векторный анализатор выполняет параллельный анализ спектра в реальном времени без потерь информации, характерных для последовательных анализаторов спектра, а также представляет входной радиосигнал одновременно во временной и частотной области.
-
Цифровая регистрация и хранение в памяти следующих друг за другом реализаций радиосигнала предоставляет уникальные возможности в части обнаружения и исследования характеристик нестационарных, импульсных и однократных радиосигналов в режиме спектрального анализа с “временной селекцией”.
Параметры векторных анализаторов радиосигналов
Один из основных параметров векторного анализатора — это полоса частот параллельной обработки, которая зависит от быстродействия АЦП и производительности ЦПС. Для исследования и демодуляции сигналов высокоскоростных радиоинтерфейсов и сигналов с расширением спектра требуются полосы параллельного анализа порядка нескольких МГц. Вместе с тем, расширение полосы параллельного анализа и применение АЦП с более высокой частотой дискретизации может негативно повлиять на динамический диапазон и частотное разрешение анализатора. Полоса частот при обработке в реальном времени отражает способность прибора анализировать непрерывные стационарные сигналы в реальном времени. У широкополосных анализаторов эта полоса может быть существенно меньше полосы параллельной обработки. Длительность регистрируемых реализаций связана только с объемом памяти ЦПС и определяет возможности прибора по регистрации и обнаружению импульсных и однократных сигналов.
Остальные параметры анализатора: рабочий диапазон частот, чувствительность, диапазон измеряемых уровней и динамический диапазон по входу целиком определяются типом используемого преобразователя частоты. Измерение уровней и частот сигналов требует калибровки его коэффициента усиления, а также применения синтезаторов частот с необходимой стабильностью и уровнем фазового шума.
В зависимости от полосы параллельного анализа современные векторные анализаторы выполняют измерения мощности спектральных компонент с динамическим диапазоном от 60 до 90 дБ. Выпускаемый, в частности, фирмой Agilent Technologies (США) блок векторной обработки 89410A серии 89400 работает с полосой параллельного анализа при записи реализаций в память 3 – 7 МГц и 78 кГц – при регистрации в реальном времени. Емкость памяти реализаций – до 1 млн. отсчетов. Прибор эксплуатируется с понижающими преобразователями частоты 89431A или 89430 A (диапазон соответственно до 2,65 и 1,8 ГГц). Чувствительность по входу – -159 дБм/Гц, уровень побочных составляющих – -70 дБн. Преобразователь 89411A этой серии предназначен для сопряжения блока векторной обработки с радиоприемниками и анализаторами спектра, у которых предусмотрен выход промежуточной частоты 21,4 МГц.
Специалисты компании Tektronix (США) называют подобные приборы анализаторами спектра реального времени (RTSA – Real Time Spectrum Analyzer). Анализаторы 3066 и 3086 этой фирмы работают на частотах от 10 МГц до 3 ГГц. Память реализаций – до 16 Мбайт. Параллельный анализ выполняется в полосе до 5 МГц с частотным разрешением до 5 кГц. Измерение уровней от -50 до +30 дБм. Уровень собственных шумов на входе составляет -140 дБм/Гц.
Векторные анализаторы в системах радиоконтроля
В системе радиоконтроля векторный анализатор может эксплуатироваться с собственным преобразователем частоты или подключаться к выходу промежуточной частоты штатного анализатора спектра или панорамного радиоприемника системы. В результате удается не только существенно повысить скорость и точность оценки параметров сигналов, но и получить ряд совершенно новых возможностей, недоступных традиционным средствам анализа.
Параллельный анализ спектра
У последовательных анализаторов спектра разрешение (полоса анализа) определяется полосой пропускания аналоговых полосовых фильтров (рис. 1а), количество и параметры которых определяют доступные полосы анализа. Цифровые параллельные анализаторы изменяют разрешение программно, а реализация узких полос анализа не вызывает таких затруднений, как в анализаторах с дискретными фильтрами. Частотное разрешение векторного анализатора зависит только от размерности (числа точек) алгоритма БПФ:
частотное разрешение = (полоса частот параллельной обработки)/(размерность БПФ).
Например, для 200-кГц полосы параллельной обработки 2048-точечный алгоритм БПФ обеспечит частотное разрешение около 100 Гц. Такие параметры позволяют исследовать спектры сигналов узкополосных систем с частотным разделением каналов (рис. 4), а также измерять ширину спектра и несущие частоты с точностью до 100 Гц.
Рис. 4. Спектры частотно манипулированных сигналов двух расположенных рядом узкополосных станций (2048-точечное БПФ с разрешением 100 Гц, полоса параллельного анализа – 50 кГц)
Как и в любом анализаторе спектра, пропорционально сокращению полосы анализа улучшается чувствительность. Например, переход от 10-кГц полосы анализа к полосе 100 Гц повысит чувствительность в этой полосе на 20 дБ.
Еще одно важное преимущество параллельного анализа по сравнению с последовательным – относительное повышение скорости построения спектра, которое становится особенно значительным при малых полосах анализа. Как известно, минимальное время обзора последовательного анализатора ограничено величиной:
время последовательного анализа = (полоса обзора)/[0,5*(полоса анализа)2].
В частности, для построения спектра в полосе обзора 200 кГц с разрешением 100 Гц последовательному анализатору потребуется около 40 секунд.
Параллельный анализатор работает значительно быстрее. Для вычисления спектра ЦПС должен зарегистрировать реализацию с числом отсчетов, равным размерности БПФ. Отсчеты поступают на частоте дискретизации АЦП, примерно равной полосе частот параллельной обработки. В результате минимальное время параллельного анализа будет равно:
время параллельного анализа = (размерность БПФ)/(полоса частот параллельной обработки).
С учетом затрат времени на обработку и передачу данных в компьютер это время составит от 10 до 40 мс.
Панорамный анализ спектра и измерение уровней сигналов
Полоса частот параллельного анализа спектра обычно не превышает нескольких МГц. Для формирования спектральных панорам в широких частотных диапазонах некоторые векторные анализаторы могут выполнять функции последовательных анализаторов спектра или комбинировать последовательный и параллельный режимы. В последовательном режиме ЦПС анализатора выполняет прямые измерения средней мощности сигнала в полосе параллельной обработки при перестройке преобразователя частоты с шагом, равным этой полосе (рис. 5).
Рис. 5. Панорамное отображение спектра в 800-МГц полосе обзора с разрешением 1,6 МГц, полученное векторным анализатором с усреднением по 16 реализациям
По скорости формирования спектральных панорам при широких полосах анализа векторные анализаторы уступают последовательным анализаторам спектра. Вместе с тем, используя преобразователь частоты с управляемыми преселекторными фильтрами, можно значительно улучшить чувствительность и обеспечить защиту комплекса радиоконтроля с широкодиапазонными антеннами от перегрузок. Кроме того, синтезатор частоты такого преобразователя будет поддерживать высокую стабильность настройки во всех точках исследуемого частотного диапазона, а цифровые алгоритмы усреднения (накопления) векторного анализатора повысят отношение сигнал/шум и снизят погрешности измерений входных уровней.
Последовательно-параллельный анализ спектра используется при средних значениях разрешения. В этом режиме БПФ-процессор вычисляет ограниченные по полосе фрагменты спектра на каждом шаге перестройки преобразователя частоты, а управляющая программа затем “склеивает” отдельные участки и выводит на экран полную спектральную картину (рис. 6).
Рис. 6. Спектр полного телевизионного сигнала построен в полосе обзора 10 МГц в режиме последовательно-параллельного анализа. На каждом из 50 последовательных 200-кГц шагов перестройки выполняется 16-точечное ДПФ
Анализ радиосигналов во времени
Анализ спектра – это важная, но далеко не единственная процедура, используемая при обнаружении и исследовании сигналов в системах радиоконтроля. Не меньший интерес могут представлять изменения параметров радиосигнала во времени. Обычно временные характеристики оцениваются только в области модулирующих процессов с помощью одного из стандартных демодуляторов, например, амплитудного или частотного. Однако такой подход может оказаться малоэффективным для современных радиосистем, в которых передача информации выполняется с помощью квадратурной (векторной) модуляции, предполагающей, в общем случае, одновременное изменение амплитуды и фазы радиосигнала.
Векторный анализатор регистрирует комплексную огибающую радиосигнала и поэтому представляет изменения его параметров во времени без потерь информации, характерных для скалярных демодуляторов. Для отображения комплексной огибающей предусматривается несколько различных форматов. Синфазная и квадратурная компонента на выходе квадратурного демодулятора, представляющие соответственно действительную и мнимую части комплексной огибающей входного радиосигнала, могут отображаться в виде осциллограмм в декартовых координатах (рис. 7). Если осциллограмма синхронизируется тактовой частотой принимаемого сигнала с дискретной манипуляцией, то отображение принимает вид так называемой “глазковой” диаграммы.
Рис. 7. Осциллограмма синфазной компоненты сигнала системы связи стандарта GSM с временным разделением каналов (регистрация одной реализации длительностью 8 мс и отображение 2-мс участка с разрешением 4 мкс)
Более информативным для сигналов с цифровой модуляцией оказывается векторный формат – представление комплексной огибающей в полярных координатах на комплексной плоскости. Модуль вектора отражает мгновенную амплитуду (огибающую) радиосигнала, а угол текущее значение фазы. Анализ траекторий комплексного вектора при изменении времени позволяет распознать вид модуляции и оценить ее параметры. Например, сигнал с постоянной амплитудой и частотной модуляцией выглядит в виде окружности с центром в начале координат.
Однако основные преимущества векторное представление получает при анализе сигналов с многопозиционной фазовой и амплитудно-фазовой манипуляцией. В зависимости от передаваемого символа значения фазы и амплитуды таких сигналов попадают на определенные точки комплексной плоскости. По траекториям, которые сигнальный вектор проходит между этими точками, (так называемыми звездными” диаграммами) можно судить о характере и качестве модуляции (рис. 8).
Рис. 8. Фазовые точки и траектория, отражающая на интервале 8 мс изменения амплитуды и фазы сигнала с четырехпозиционной дифференциальной квадратурной фазовой манипуляцией и сдвигом на p/4, который используется в системе подвижной связи стандарта DAMPS (IS-54)
Анализ параметров модуляции. Измерение частоты
Регистрируя реализации радиосигнала, цифровой процессор анализатора работает как “программный радиоприемник” (software radio). Этот термин означает, в частности, что регулировка таких параметров приема, как частота настройки, полоса пропускания и тип демодулятора выполняется программно без каких-либо изменений в аппаратной части. Программная реализация функций демодулятора позволяет в реальном времени выделять и оценивать параметры сразу трех модулирующих процессов: амплитуды, фазы и частоты, а также измерять их характеристики, например, глубину амплитудной модуляции (АМ) или девиацию частоты (рис. 9).
Рис. 9. Осциллограмма изменения амплитуды телевизионного сигнала изображения в полосе параллельного анализа 200 кГц
Эти операции соответствуют функциям стандартных аналоговых демодуляторов: амплитудного, частотного и фазового. Более сложные алгоритмы, включающие тактовую, символьную и кадровую синхронизацию, используются для демодуляции и декодирования сигналов с цифровой квадратурной манипуляцией.
В процессе измерений анализатор оценивает статистические характеристики параметров модуляции, например, среднее значение, максимальное и среднеквадратическое отклонение. Вычисление среднего по времени значения частоты дает еще один способ оценки несущей частоты модулированного сигнала, который отличается более высокой точностью по сравнению со спектральными измерениями. На рис. 10 в качестве примера показан спектр сигнала станции персонального радиовызова и соответствующая ему временная реализация, отражающая результат работы цифрового ЧМ-демодулятора. Точность оценки несущей частоты по спектру не превышает полосы анализа (в данном случае 100 Гц), тогда как при достаточном усреднении эту погрешность можно уменьшить до нескольких Гц.
Рис. 10. Осциллограмма изменения частоты сигнала персонального радиовызова, полученная с помощью цифрового частотного демодулятора. Демодулятор вычисляет среднее и среднеквадратическое и максимальное значение отклонение частоты сигнала от частоты настройки анализатора
Спектральный анализ с временной селекцией
Последовательный анализ спектра дает хорошие результаты только при исследовании непрерывных стационарных сигналов. Сигналы систем связи с пакетной передачей, временным разделением каналов и/или псевдослучайной перестройкой несущей частоты появляются в полосе обзора лишь на короткое время. В связи с этим неискаженное представление таких сигналов в частотной области можно получить только с помощью параллельного анализа. Более того, поскольку момент появления и длительность импульсного сигнала в общем случае неизвестны, его обнаружение и оценку параметров приходится выполнять одновременно. Для этого векторный анализатор использует специальный режим с постоянной записью следующих друг за другом реализаций комплексной огибающей в буферную память. Выполнив параллельный анализ спектра и вычисление модулирующих процессов для каждой реализации, можно обнаружить сигнал и получить представление об эволюции его спектральных и временных характеристик во времени.
Частотное и временное разрешение этого режима определяется числом отсчетов в одной реализации: чем оно больше, тем выше разрешение по частоте и соответственно меньше разрешение по времени. Общее количество реализаций, которое может одновременно храниться в буферной памяти, зависит от ее емкости и определяет продолжительность исследуемого интервала времени.
Результаты параллельного анализа спектра отражаются на трехмерных диаграммах в координатах частота, время, уровень. Эти диаграммы представляются на экране монитора в виде спектрограмм или “каскадных отображений спектров (рис. 11).
Рис. 11. Спектрограмма (в отдельном окне справа) отражает работу двух станций персонального радиовызова на частотно-временной плоскости. Каждая горизонтальная линия спектрограммы отображает одну реализацию спектра (слева)
На спектрограмме спектр отдельной реализации представлен горизонтальной линией на частотно временной плоскости, изменение цвета которой передает относительные значения уровней (возрастание уровня от минимального до максимального соответствует, например, переходу от фиолетового цвета к красному). Регистрация реализаций в буферной памяти ведется непрерывно и может быть остановлена оператором или сигналом запуска с некоторой задержкой относительно момента появления интересующего события, например увеличения энергии реализации в определенной частотной области. После этого можно исследовать характеристики обнаруженного сигнала в прошлом” и в “будущем”, то есть в моменты времени до и после остановки регистрации. Для каждой выбранной на спектрограмме реализации векторный анализатор может одновременно отображать ее спектр, временную или векторную диаграмму, а также один или несколько модулирующих процессов (рис. 12а, б). Так можно найти моменты появления и окончания передачи импульсного и однократного сигнала, определить по спектру интервалы передачи преамбул и синхронизирующих последовательностей, распознать вид модуляции и на основе полученных данных выполнить демодуляцию и декодирование информации.
Рис. 12 а) На спектрограмме выбрана реализация, соответствующая началу сеанса передачи сообщения персонального радиовызова. Спектр этой реализации показывает, что в эти моменты передается немодулированная несущая
Рис. 12б) Одновременное отображение сигнала в частотной области и в области модулирующих процессов. На спектрограмме выбрана реализация, соответствующая середине сеанса передачи сообщения персонального радиовызова. Сигнал на выходе частотного демодулятора для этой реализации соответствует моментам передачи данных со скоростью 1,2 кбит/с, причем девиация частоты составляет 4,4 кГц
Заключение
Векторный анализ представляет собой мощный инструмент исследования и измерения характеристик радиосигналов во всем используемом диапазоне частот от нескольких кГц до десятков и сотен ГГц. Векторные анализаторы широко применяются при проектировании и испытаниях современной радиотехнической аппаратуры. Значительным потенциалом располагают эти приборы и в сфере радиоконтроля и радиоразведки. Применение векторных анализаторов позволяет, в частности, решить серьезные проблемы обнаружения и анализа сигналов современных цифровых сетей связи, использующих временное и кодовое разделение каналов, псевдослучайную перестройку частоты, многопозиционную аплитудно-фазовую модуляцию и другие перспективные методы передачи информации.