eng
Выпуск #8/2025
Р. Маркович
Использование опции измерения импульсов в анализаторах спектра серии АКИП-4214
Использование опции измерения импульсов в анализаторах спектра серии АКИП-4214
Просмотры: 547
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.250.8.50.54
Функция Pulse Analysis в анализаторе спектра АКИП-4214 предоставляет мощные средства анализа импульсных сигналов, позволяя инженерам эффективно оценивать динамическое поведение сигналов в современных системах.
Ключевые слова: АКИП-4214, ВЧ-импульсы, анализатор спектра, методы измерения спектра
Функция Pulse Analysis в анализаторе спектра АКИП-4214 предоставляет мощные средства анализа импульсных сигналов, позволяя инженерам эффективно оценивать динамическое поведение сигналов в современных системах.
Ключевые слова: АКИП-4214, ВЧ-импульсы, анализатор спектра, методы измерения спектра
Использование опции измерения импульсов в анализаторах спектра
серии АКИП-4214
Р. Маркович
Импульсные ВЧ-сигналы широко применяются в радиолокации, телекоммуникациях и системах связи, и тестирование импульсных сигналов является важной задачей. При проектировании и верификации сигналов требуется использование комплексных инструментов для анализа во временной, частотной и модуляционной областях. Функция Pulse Analysis в анализаторе спектра АКИП-4214 предоставляет мощные средства анализа импульсных сигналов, позволяя инженерам эффективно оценивать динамическое поведение сигналов в современных системах.
Характеристики импульсных сигналов
Наиболее простой способ генерации ВЧ-импульсов показан на рис. 1. Импульсный модулятор можно рассматривать как электронный ключ. Управляющий низкочастотный импульсный сигнал (базовый) включает и выключает несущую, преобразуя входной непрерывный сигнал (CW) в радиочастотный импульсный. Этот процесс эквивалентен перемножению сигналов во временной области.
Перемножение двух сигналов во временной области эквивалентно свертке их спектров в частотной области. Спектр CW-сигнала теоретически представляет собой одну спектральную линию. Спектр базового импульсного сигнала имеет форму, определяемую его формой и длительностью. В результате свертки получается спектр импульсного ВЧ-сигнала (рис. 2).
Импульсно-модулированный сигнал является периодическим, поэтому его спектр – дискретный. Амплитуда каждой спектральной линии изменяется по закону функции sinc. Расстояние между соседними спектральными линиями равно обратной величине периода базового импульса T, то есть Δf = 1/T.
При измерении на анализаторе спектра форма отображаемого спектра зависит от полосы разрешения (RBW):
если RBW < Δf, анализатор отображает дискретные спектральные линии;
при увеличении RBW спектр постепенно превращается в огибающую.
Во временной области ключевая особенность импульсного сигнала – его разрывность, то есть сигнал появляется и исчезает во времени. Такое «пакетное» поведение (burst) является основой его применения. Соответственно, временные параметры импульса (длительность, период, фронт, срез и т.д.) служат основными критериями оценки качества сигнала. В то же время временная разрывность усложняет измерения мощности и спектра.
В данной статье рассматриваются методы анализа импульсных сигналов во временной и частотной областях с использованием анализатора спектра АКИП-4214.
Анализ импульсов с помощью функции Pulse Analysis в АКИП-4214
Настройка анализатора спектра
Анализатор спектра — универсальный прибор, способный выполнять как спектральный анализ, так и анализ мощности сигналов. При отсутствии высоких требований к точности он может использоваться для измерения мощности импульсов с одновременным наблюдением спектра.
Функция Pulse Analysis в АКИП-4214 позволяет измерять параметры импульсов: длительность, амплитуду, время нарастания/спада и другие временные характеристики. В режиме анализа импульсов анализатор работает при нулевой полосе обзора. В этом режиме анализатор, по сути, превращается в пиковый измеритель мощности, который отслеживает огибающую сигнала на заданной частоте в полосе пропускания IF-фильтра (RBW) и строит зависимость мощности от времени.
В этом случае полоса разрешения (RBW) эквивалентна полосе пропускания детектора. Локальный гетеродин анализатора фиксируется на центральной частоте, поэтому при настройке импульсного анализа необходимо корректно задать центральную частоту. Однако небольшое отклонение от несущей часто допустимо, поскольку большая часть энергии импульса проходит через IF-фильтр.
Результат измерения (рис. 3): по горизонтальной оси – время, по вертикальной – мощность. Анализатор автоматически распознает фронты и срезы импульса и вычисляет мощность, время фронта и среза.
Для измерения узких импульсов рекомендуется увеличить RBW, чтобы повысить точность. Однако следует учитывать, что время фронта, измеренное анализатором, не может быть лучше, чем его собственное предельное время нарастания, определяемое формулой:
Tr = 0,66/max RBW.
Максимальное значение RBW в АКИП-4214 составляет 10 МГц, что означает, что время нарастания импульса должно быть больше 66 нс, иначе анализатор не даст корректного результата.
Полоса видеофильтра (VBW) оказывает незначительное влияние на спектральные измерения, но в импульсном режиме VBW должна быть не меньше RBW. В противном случае видеофильтр будет подавлять огибающую сигнала, прошедшего через IF-фильтр, что приведет к занижению пиковой мощности.
Обычно при тестировании синусоидальных сигналов выбирают соотношение VBW:RBW в диапазоне от 1 до 3, а при тестировании импульсных сигналов соотношение VBW:RBW, как правило, устанавливают равным 10, чтобы минимизировать влияние на амплитуду сигнала.
Для импульсных сигналов с известным периодом можно использовать периодическую синхронизацию. В меню Trigger выберите Periodic, установите значение периода синхронизации, равным периоду импульса. Это обеспечит устойчивое отображение сигнала.
Анализ результатов
Схема импульса, по которой анализатор определяет все параметры, показана на рис. 4. Ниже приведены определения основных измеряемых величин:
Когда осциллограмма последовательно проходит через низкий уровень импульса (10%), средний уровень импульса (50%) и высокий уровень импульса (90%) – это называется фронтом. Когда осциллограмма проходит через эти три уровня в обратном порядке – это называется срезом. Для полного измерения параметров импульса требуется как минимум три фронта.
Длительность импульса – это временной интервал между моментом, когда положительный (или отрицательный) импульс проходит через уровень длительности импульса 50% на фронте (или срезе), и моментом, когда срез (или фронт) снова проходит через этот же уровень 50%.
Время выключения импульса = Период импульса – Длительность импульса.
Коэффициент заполнения и частота импульса могут быть рассчитаны на основе периода и длительности импульса.
В характеристиках переходных процессов время нарастания – это интервал времени между моментом, когда первый фронт нарастания импульса пересекает уровень 10%, и моментом, когда он пересекает уровень 90%. Время спада – это интервал времени между моментом, когда первый фронт спада импульса пересекает уровень 90%, и моментом, когда он пересекает уровень 10%. Анализатор автоматически рассчитывает значения предвыбросов и выбросов импульса в децибелах (дБ).
Анализ спектра импульсного сигнала
с помощью АКИП-4214
Измерение спектра методом
последовательного сканирования (Swept SA)
Измерение спектра импульсного сигнала с помощью традиционного анализатора с последовательным сканированием — классический метод, широко используемый инженерами. Он подходит для анализа стабильных сигналов с известной длительностью
и периодом.
Однако из-за ограничений скорости сканирования, традиционный анализатор не может отслеживать кратковременные или изменяющиеся сигналы и плохо справляется
с узкими импульсами и широкополосными модуляциями.
При измерении дискретного спектра (линейного) необходимо устанавливать малое значение RBW. Однако при малом RBW скорость сбора данных значительно превышает скорость цифровой обработки, что приводит к большому мертвому времени. В результате короткие события могут быть пропущены.
Анализатор АКИП-4214 автоматически переключается в режим БПФ при RBW ≤ 10 кГц. В этом режиме анализатор остается на каждой частоте дольше и анализирует всю энергию в полосе, что эквивалентно параллельной работе множества ПЧ-фильтров. Это значительно увеличивает скорость сканирования и повышает вероятность захвата редких событий.
Таким образом, при анализе спектра импульсных сигналов режим БПФ дает более точные результаты.
Измерение спектра с помощью анализатора
в режиме реального времени (RTSA)
В отличие от традиционных анализаторов, анализаторы в режиме реального времени (RTSA) не используют сканирование гетеродина. Вместо этого они применяют широкополосный АЦП для оцифровки сигнала в заданной полосе и выполняют спектральный анализ с помощью реального БПФ на базе ПЛИС.
Это позволяет непрерывно генерировать спектр без потерь, обеспечивая 100%-ную вероятность захвата любого мгновенного изменения сигнала. Результат измерения в режиме реального времени: спектр и спектрограмма показаны на рис. 6. На основе большого количества последовательных БПФ-преобразований RTSA может выполнять:
частотно-селективную синхронизацию по шаблону трехмерное отображение в координатах время –частота – амплитуда (спектрограмма).
Главные преимущества RTSA:
непрерывное измерение спектра (без мертвого времени), частотно-селективная синхронизация.
Используя эти возможности, RTSA становится наиболее научно обоснованным инструментом для анализа сложных импульсных сигналов.
серии АКИП-4214
Р. Маркович
Импульсные ВЧ-сигналы широко применяются в радиолокации, телекоммуникациях и системах связи, и тестирование импульсных сигналов является важной задачей. При проектировании и верификации сигналов требуется использование комплексных инструментов для анализа во временной, частотной и модуляционной областях. Функция Pulse Analysis в анализаторе спектра АКИП-4214 предоставляет мощные средства анализа импульсных сигналов, позволяя инженерам эффективно оценивать динамическое поведение сигналов в современных системах.
Характеристики импульсных сигналов
Наиболее простой способ генерации ВЧ-импульсов показан на рис. 1. Импульсный модулятор можно рассматривать как электронный ключ. Управляющий низкочастотный импульсный сигнал (базовый) включает и выключает несущую, преобразуя входной непрерывный сигнал (CW) в радиочастотный импульсный. Этот процесс эквивалентен перемножению сигналов во временной области.
Перемножение двух сигналов во временной области эквивалентно свертке их спектров в частотной области. Спектр CW-сигнала теоретически представляет собой одну спектральную линию. Спектр базового импульсного сигнала имеет форму, определяемую его формой и длительностью. В результате свертки получается спектр импульсного ВЧ-сигнала (рис. 2).
Импульсно-модулированный сигнал является периодическим, поэтому его спектр – дискретный. Амплитуда каждой спектральной линии изменяется по закону функции sinc. Расстояние между соседними спектральными линиями равно обратной величине периода базового импульса T, то есть Δf = 1/T.
При измерении на анализаторе спектра форма отображаемого спектра зависит от полосы разрешения (RBW):
если RBW < Δf, анализатор отображает дискретные спектральные линии;
при увеличении RBW спектр постепенно превращается в огибающую.
Во временной области ключевая особенность импульсного сигнала – его разрывность, то есть сигнал появляется и исчезает во времени. Такое «пакетное» поведение (burst) является основой его применения. Соответственно, временные параметры импульса (длительность, период, фронт, срез и т.д.) служат основными критериями оценки качества сигнала. В то же время временная разрывность усложняет измерения мощности и спектра.
В данной статье рассматриваются методы анализа импульсных сигналов во временной и частотной областях с использованием анализатора спектра АКИП-4214.
Анализ импульсов с помощью функции Pulse Analysis в АКИП-4214
Настройка анализатора спектра
Анализатор спектра — универсальный прибор, способный выполнять как спектральный анализ, так и анализ мощности сигналов. При отсутствии высоких требований к точности он может использоваться для измерения мощности импульсов с одновременным наблюдением спектра.
Функция Pulse Analysis в АКИП-4214 позволяет измерять параметры импульсов: длительность, амплитуду, время нарастания/спада и другие временные характеристики. В режиме анализа импульсов анализатор работает при нулевой полосе обзора. В этом режиме анализатор, по сути, превращается в пиковый измеритель мощности, который отслеживает огибающую сигнала на заданной частоте в полосе пропускания IF-фильтра (RBW) и строит зависимость мощности от времени.
В этом случае полоса разрешения (RBW) эквивалентна полосе пропускания детектора. Локальный гетеродин анализатора фиксируется на центральной частоте, поэтому при настройке импульсного анализа необходимо корректно задать центральную частоту. Однако небольшое отклонение от несущей часто допустимо, поскольку большая часть энергии импульса проходит через IF-фильтр.
Результат измерения (рис. 3): по горизонтальной оси – время, по вертикальной – мощность. Анализатор автоматически распознает фронты и срезы импульса и вычисляет мощность, время фронта и среза.
Для измерения узких импульсов рекомендуется увеличить RBW, чтобы повысить точность. Однако следует учитывать, что время фронта, измеренное анализатором, не может быть лучше, чем его собственное предельное время нарастания, определяемое формулой:
Tr = 0,66/max RBW.
Максимальное значение RBW в АКИП-4214 составляет 10 МГц, что означает, что время нарастания импульса должно быть больше 66 нс, иначе анализатор не даст корректного результата.
Полоса видеофильтра (VBW) оказывает незначительное влияние на спектральные измерения, но в импульсном режиме VBW должна быть не меньше RBW. В противном случае видеофильтр будет подавлять огибающую сигнала, прошедшего через IF-фильтр, что приведет к занижению пиковой мощности.
Обычно при тестировании синусоидальных сигналов выбирают соотношение VBW:RBW в диапазоне от 1 до 3, а при тестировании импульсных сигналов соотношение VBW:RBW, как правило, устанавливают равным 10, чтобы минимизировать влияние на амплитуду сигнала.
Для импульсных сигналов с известным периодом можно использовать периодическую синхронизацию. В меню Trigger выберите Periodic, установите значение периода синхронизации, равным периоду импульса. Это обеспечит устойчивое отображение сигнала.
Анализ результатов
Схема импульса, по которой анализатор определяет все параметры, показана на рис. 4. Ниже приведены определения основных измеряемых величин:
- PosPeak – максимальный уровень на осциллограмме;
- NegPeak – минимальный уровень на осциллограмме;
- AmptMid – средний уровень амплитуды, рассчитывается как: AmptMid = (PosPeak − NegPeak)/2 + NegPeak.
Когда осциллограмма последовательно проходит через низкий уровень импульса (10%), средний уровень импульса (50%) и высокий уровень импульса (90%) – это называется фронтом. Когда осциллограмма проходит через эти три уровня в обратном порядке – это называется срезом. Для полного измерения параметров импульса требуется как минимум три фронта.
Длительность импульса – это временной интервал между моментом, когда положительный (или отрицательный) импульс проходит через уровень длительности импульса 50% на фронте (или срезе), и моментом, когда срез (или фронт) снова проходит через этот же уровень 50%.
Время выключения импульса = Период импульса – Длительность импульса.
Коэффициент заполнения и частота импульса могут быть рассчитаны на основе периода и длительности импульса.
В характеристиках переходных процессов время нарастания – это интервал времени между моментом, когда первый фронт нарастания импульса пересекает уровень 10%, и моментом, когда он пересекает уровень 90%. Время спада – это интервал времени между моментом, когда первый фронт спада импульса пересекает уровень 90%, и моментом, когда он пересекает уровень 10%. Анализатор автоматически рассчитывает значения предвыбросов и выбросов импульса в децибелах (дБ).
Анализ спектра импульсного сигнала
с помощью АКИП-4214
Измерение спектра методом
последовательного сканирования (Swept SA)
Измерение спектра импульсного сигнала с помощью традиционного анализатора с последовательным сканированием — классический метод, широко используемый инженерами. Он подходит для анализа стабильных сигналов с известной длительностью
и периодом.
Однако из-за ограничений скорости сканирования, традиционный анализатор не может отслеживать кратковременные или изменяющиеся сигналы и плохо справляется
с узкими импульсами и широкополосными модуляциями.
При измерении дискретного спектра (линейного) необходимо устанавливать малое значение RBW. Однако при малом RBW скорость сбора данных значительно превышает скорость цифровой обработки, что приводит к большому мертвому времени. В результате короткие события могут быть пропущены.
Анализатор АКИП-4214 автоматически переключается в режим БПФ при RBW ≤ 10 кГц. В этом режиме анализатор остается на каждой частоте дольше и анализирует всю энергию в полосе, что эквивалентно параллельной работе множества ПЧ-фильтров. Это значительно увеличивает скорость сканирования и повышает вероятность захвата редких событий.
Таким образом, при анализе спектра импульсных сигналов режим БПФ дает более точные результаты.
Измерение спектра с помощью анализатора
в режиме реального времени (RTSA)
В отличие от традиционных анализаторов, анализаторы в режиме реального времени (RTSA) не используют сканирование гетеродина. Вместо этого они применяют широкополосный АЦП для оцифровки сигнала в заданной полосе и выполняют спектральный анализ с помощью реального БПФ на базе ПЛИС.
Это позволяет непрерывно генерировать спектр без потерь, обеспечивая 100%-ную вероятность захвата любого мгновенного изменения сигнала. Результат измерения в режиме реального времени: спектр и спектрограмма показаны на рис. 6. На основе большого количества последовательных БПФ-преобразований RTSA может выполнять:
частотно-селективную синхронизацию по шаблону трехмерное отображение в координатах время –частота – амплитуда (спектрограмма).
Главные преимущества RTSA:
непрерывное измерение спектра (без мертвого времени), частотно-селективная синхронизация.
Используя эти возможности, RTSA становится наиболее научно обоснованным инструментом для анализа сложных импульсных сигналов.
Отзывы читателей
