A radarok és elektronikus hadviselési (EW1) rendszerek fejlesztésénél évtizedekig a spektrumanalizátorokat használták fejlesztési és specifikációs célokra, azonban a mai rendszerekre jellemző agilitás okán a hagyományos, frekvenciatartományban letapogatós (továbbiakban: sweepelős) mérések képessége egyre gyengébb lett. Ezért olyan megoldás után néztek, amely jelentős előrelépést jelent a rugalmasság, sebesség és általános teljesítmény tekintetében. Ennek eredményeképpen a hagyományos spektrumanalizátor legjobb, új generációs alternatívájává a valósidejű spektrumanalizátorral (pl. Keysight N9020A MXA vagy N9040B UXA RTSA2) kombinált, komplex vektorjel-analizátor platform (pl. Keysight 89600B VSA) vált.
Cikkünkben bemutatunk az elektronikai hadviselésben és hasonló alkalmazásokban használt jelanalízis-technikákat, amelyekkel a jelkörnyezet és a kéretlen spektrális események azonosíthatók, ill. az átvitt hullámformák analizálhatók. Ezekhez idő- és frekvenciatartománybeli mérési módszereket közlünk, végezetül pedig a Keysight Technologies berkeiből származó, kellő dinamikatartománnyal és sávszélességgel rendelkező analizátorplatform-megoldásokat mutatunk be.
Impulzusok és tranziensek analízise
A spektrumanalizátorok alapvető eszközei a zajtényező, spektrumfoglalás stb. meghatározásának, valamint az egyes rendszerelemek adott gerjesztésre nyújtott válasza elemzésének. A rendszer impulzusokkal való gerjesztése esetén a spektrumanalízissel pontosan karakterizálhatók a vevőre küldött gerjesztések paraméterei, továbbá hibakeresés esetén is kiváló hatékonyságú eszközt jelentenek.
A hagyományos spektrumanalizátorok ebből a szempontból két jelentős gyengeséggel is rendelkeznek: ezek a korlátos dinamikatartomány és az alkalmatlanság a szakaszosan fellépő, agilis jelek bemérésére. A hagyományos, sweepelős analízis alkalmatlan lehet impulzusmodulációs, szélessávú frekvenciaugratásos vagy időben rendkívül rövid jelek mérésére. De még abban az esetben is, ha a sweepelős analizátor képes e jelek megtalálására, a következő komoly kihívást a részletes bemérés, analízis és utófeldolgozás jelenti.
E műszerek leghatékonyabb alternatívái az amplitúdó és fázis mérésére is alkalmas jelanalizátorok. A jelanalizátor mérőműszer iparági definíciója szerint egy olyan mérőeszköz, amely egy spektrumanalizátor és vektorjel-analizátor méréstechnikai képességeit kombinálja. A vektormérések elengedhetetlen feltételei a fázis-idő függvény felvételének, az impulzuskompressziós jelek demodulációjának vagy a szélessávú teljesítmény mérésének (pl. csúcstényező, CCDF), amelyekre a tárgyalt rendszerek fejlesztése során több fázisban is szükség van.
A jelanalizátor tehát rendelkezik a nagy sűrűségű, impulzustartalmú jelkörnyezet monitorozásához szükséges képességekkel, a mérési feladat azonban a puszta jelazonosításon általában lényegesen túlmutat. Mint korábban említettük, sok modern rendszer alkalmazza az impulzuskompresszió valamely formáját, ezért nemcsak az alapvető vektorjel-analízisre, hanem a spektrumban egymáshoz közel lévő, váltakozóan kicsi és nagy amplitúdójú jelekhez szükséges mérési alapképességekre, pontosabban a megfelelően nagy dinamikatartományú vektorjelmérésre is szükség van.
Négy módszer tranziensek mérésére
Az időben szakaszosan jelentkező, agilis jelek mérésére több módszer áll rendelkezésre, amelyek egy része a hagyományos, sweepelős spektrumanalizátorokhoz, másik pedig az újabb generációs jelanalizátorokhoz kötődik. A következő alpontokban e módszerek ismertetése következik.
Frekvenciasöprés-alapú módszerek: gyors sweepelés és frekvenciatartás
A sweepelésalapú technikák hasznosak, azonban csak azon jeleknél, amelyek gyakorlatilag puszta véletlen egybeesés szerint aktívak az analizátor sweepelése alatt. Kétféle alapmódszer ismert ezen esetekre: ezek a gyors sweepelés és a frekvenciatartás („dwelling"), amelyek a mérési idő és a mérési dinamikatartomány tekintetében jelentenek kompromisszumot.
Gyors sweepelés
Az analizátor konfigurálása a lehető leggyorsabb sweepelésre, relatíve keskeny felbontási sávszélességgel (RBW3) történik (az RBW aránya a mérési frekvenciaátfogáshoz kevesebb mint 10000:1). A keskeny RBW előnye az alacsonyabb zajszint, hátránya viszont a hosszú sweepelési idő, amely jelentősen rontja az agilis jelek megtalálásának valószínűségét. A hagyományos sweepeléshez képest a gyors sweepeléssel a pásztázási idő új algoritmusokkal, vagy szélessávú, léptetett FFT-vel csökkenthető. A módszer egy további hátránya, hogy segítségével a teljes vizsgált spektrum tartalma nem jeleníthető meg, hiszen a gyors sweepelés során a kiválasztott frekvenciaátfogásnál csak a jelek egy része jelenik meg. A spektrum burkolója a jelanalizátor maximumtartásos (MaxHold) jelkirajzolási üzemmódjában, több frekvenciasöprés elvégzésével jeleníthető meg.
A frekvencia-idő függvény segít jobban megérteni a mérési folyamatot. Az 1., 3. és 5. ábrákon a fekete vonalak a véges ideig tartó jeleket ábrázolják. Az 1. ábrán az RBW szűrőt és a sweepelés pályáját a zöld vonal mutatja, ezeket a jellemzőket pedig az idő függvényében ábrázoltuk.
1. ábra. A sweepelés, RBW szűrő és jelek viszonya a megjelenítés szempontjábólA szürke, szaggatott vonalak a visszafutási-újrarajzolási időt reprezentálják. Valahányszor a zöld vonal keresztezi az egyik fekete vonalat (jelet), az megjelenítésre kerül az analizátor képernyőjén, ha azonban nem történik metszés, elmarad a detektálás és megjelenítés is. A sweepelési idő csökkentése értelemszerűen azzal jár, hogy nő e metszések száma. A 2. ábra a gyors sweepeléssel végzett, konkrét mérési eredményeket mutatja.
2. ábra. Gyors sweepeléses mérés eredménye a Keysight UXA jelanalizátoron egyszeri mérésnél (balra), ill. maximumtartásos, többszöri mérésnél (jobbra)Frekvenciatartás
A sweepelős mérésnél lehetőség van arra, hogy kényszerítsük az analizátort a spektrum bizonyos részein maradásra konstans RBW használatával vagy a sweepelési idő állandó értéken tartásával és az RBW növelésével (lásd 3. ábra).
3. ábra. Rövidebb sweepelési idő és szélesebb RBW esetén a zöld vonal szélesedik, nő a jelek megjelenítésének valószínűségeEzt a módszert széleskörűen használják impulzusmérésre, és rendkívül hatékony a spektrum burkolójának meghatározásában. A 4. ábra tényleges mérés eredményeit mutatja.
A két módszer ismerete hasznos általánosításokhoz vezet az alkalmazhatóságra nézve. A frekvenciatartásos technika nagyon hasznos olyan esetekben, amikor nagy ismétlődési valószínűségű jeleket vizsgálunk, a gyors sweepelés viszont alacsony zajszint melletti nagyobb sávszélesség elemzésekor alkalmazható, továbbá a keskenyebb RBW segít az egymáshoz közeli jelek elkülönítésében.
4. ábra. Lassú sweepeléssel megjeleníthető spektrális tartalomA bemutatott két módszeren felül két további elemzési megoldás is rendelkezésre áll az impulzusparaméterek mérésére: ezek a vonalas spektrum, amelynél az RBW kisebb, mint az impulzusismétlési frekvencia (PRF4), valamint az impulzusspektrum, amelynél az RBW nagyobb, mint a PRF. Ezekkel a technikákkal mérhető az impulzusismétlési intervallum (PRI5), az impulzusszélesség és az impulzusteljesítmény is, azonban nagy bonyolultságú (pl. változó impulzusszélességű és periódusú) impulzussorozatoknál bonyolult lehet ezekkel dolgozni.
Valósidejű módszerek: az RTSA és léptetett RTSA
Az előbbiekben ismertetett módszerek hasznosak a relatíve rövid ismétlődési intervallumú jelek mérésénél, azonban sokkal kevésbé hatékonyak akkor, ha csak egyszer jelentkező, hosszú ismétlődési intervallumú, vagy egymáshoz közel elhelyezkedő és ugyanazon időpillanatban megjelenő jelekkel dolgozunk. A jelanalizátor maximális analízis-sávszélességétől függő RTSA és léptetett RTSA kiváló alternatívák lehetnek ezekre az esetekre.
RTSA
RTSA üzemmódban a jelanalizátor helyi oszcillátorát egy adott frekvencián rögzítik, az analizátor pedig digitalizálja a bejövő spektrumot. Digitalizálást követően a műszerben lévő FPGA-k nagy sebességű FFT-számításokat végeznek (lásd 5. ábra). Azon túl, hogy a spektrum gyakorlatilag 100%-osan, kieső jelek nélkül monitorozható, a valósidejű analízis során a nagyon rövid időtartamú jelek is mérhetők, továbbá a nagy, Keysight UXA esetében akár 510 MHz analízis sávszélesség és széles dinamikatartomány a nagyobb jelek mellett jelentkező kisebb jelek mérését is lehetővé teszik.
5. ábra. Rögzített frekvenciájú helyi oszcillátor mellett végzett folyamatos adatrögzítés és -elemzés, amely mellett ismétlődési frekvenciától függetlenül a teljes jeltartalom megjelenítésre kerülA nagyobb sávszélességhez szükséges nagyobb mintavételezési sebesség mellett az analizátor tehát képes a kisebb jelek bemérésére is. Ha elérhető legalább 60 dB tartalék, az analizátor képes gyakorlatilag bármilyen jel mérésére, amely a műszer effektív mintavételezési sebessége reciprokának megfelelő keskenységű. Ha tehát az analizátor effektív mintavételezési sebessége 300 MHz, a műszer képes a 3,33 ns-nál hosszabb jelek érzékelésére 100%-os valószínűséggel. A 3 µs-nál rövidebb impulzusoknál azonban még egy RTSA sem biztos, hogy tudja teljesíteni a legjobb amplitúdópontosságot, de pl. egy Keysight UXA jelanalizátor és a 89600 VSA szoftver segítségével a jel rögzíthető és újrafeldolgozható, amely biztosítja a teljes amplitúdópontosságot.
Ha az FFT-számítás nagyon nagy sebességen történik, az érthetőség kedvéért a jelsűrűségi diagram típusú megjelenítés alkalmazása célszerű, amely egyetlen jelalakon szolgáltatja a frekvenciát, amplitúdót és időtartamot leíró információkat (lásd 6. ábra).
6. ábra. A spektrumsűrűséget reprezentáló megjelenítés RTSA üzemmódban a Keysight UXA jelanalizátoronLéptetett RTSA
Néhány műszer hibrid működést is kínál, amely mérések sorozatát fűzi össze, és ezzel szélesebb frekvenciaátfogást biztosít. Ebben az ún. léptetett RTSA üzemmódban minden valósidejű adatblokk rögzítésre és analizálásra kerül egy ideig, majd a műszer helyi oszcillátora átkapcsol egy másik frekvenciasávra, ahol újabb valósidejű adatgyűjtést végez (lásd 7. ábra). Léptetett RTSA üzemmódban tehát az egyes analízisblokkok összefűzése történik, amelyekkel a kívánt frekvenciatartomány lefedhető.
7. ábra. Léptetett RTSA üzemmódban az adatgyűjtési idő határozza meg, hogy az analizátor mennyi ideig mér egy adott frekvenciánEnnek a megoldásnak nagy előnye, hogy a legnagyobb mérési sávszélesség az analizátor teljes sávszélessége is lehet, és továbbra is jó valószínűséggel találhatók meg az időszakosan jelentkező, agilis jelek. A fix frekvenciás RTSA-méréshez képest határozottan lehetséges nagyon kicsi jeleket is megtalálni hosszú időn át tartó mérésnél, jóllehet ennek nincs igazán létjogosultsága, ha a mérési idő korlátos vagy a jel nem ismétlődő.
Ennek a módszernek két említésre méltó hátránya is van. Az egyik, hogy – egyebek mellett az RBW beállítása tekintetében – csökken a rendszer rugalmassága. A másik és egyben jelentősebb, hogy több időre van szükség a létrehozott spektrum analíziséhez, ha több gigahertznyi átfogásról beszélünk. A 8. ábrán a korábbi mérések léptetett RTSA üzemmódban elvégzett változatának eredményeit láthatjuk.
8. ábra. A 2., 4. és 6. ábrán látható 500 MHz frekvenciatartomány mérése léptetett RTSA üzemmódban, 5 db 100 MHz-es blokkalMindkét valósidejű üzemmód lehetővé teszi, hogy több agilis jelet láthassunk a vizsgált frekvenciatartományban. Ám sűrű jelkörnyezet esetében szükség lehet arra, hogy kivegyünk a tömegből egyetlen jelet, legyen az akár vivő vagy valamely impulzus. A valósidejű mérésekhez a hardverhátteret biztosító DSP-knél triggerelésre is lehetőség van, amely bizonyos feltételeknek való megfelelés esetén gondoskodik a mérés indításáról. Feltételnek megadható jelfrekvencia, amplitúdó, időtartam vagy ezek kombinációja is (lásd 9. ábra). A lehetőség hasznossága a célalkalmazások jelsűrűségének ismeretében kimagasló, továbbá a szeparált jelek szolgálhatnak triggerként, illetve I/Q-felvétel beállítását követően további elemzés alá vethetők.
9. ábra. Jel-alapparaméterek alapján konfigurált frekvenciamaszkos triggerelés RTSA üzemmódbanKvantitatív, precíziós mérések
Az ismertetett módszerek alapmérésekre szolgálnak, így felmerülhet a kérdés, hogy a valódi mérések milyen pontossággal végezhetők el a megtalált jeleken. Ennek tekintetében a legfontosabb tényező az analizátor dinamikatartománya, amely a bemért rendszer elvárt dinamikatartományában értelmezendő. A mérés dinamikatartományának teljes megismerése több, mint pusztán néhány katalógusadat értelmezése.
A dinamikatartomány hagyományos értelmezése
A jelanalizátorok heterodin architektúrára épülnek, amelyben az első keverő végzi a bemeneten lévő jel lekeverését. A nagy teljesítményű jelek itt torzítást okozhatnak, és bár a csillapítás és szűrés gyakran alkalmas e probléma kiküszöbölésére, kis jelek mérésénél káros hatással lehetnek a sávszélességre és az analízis pontosságára.
Jelanalizátorok esetében a dinamikatartományra nézve a legáltalánosabb specifikációt a harmadrendű torzítási metszéspont (TOI6) és a megjelenített átlagos zajszint (DANL7) adja meg, amelyekhez gyakran hozzáveszik a fáziszajgörbét is. Ezek az adatok azt mutatják meg, hogy a műszer mennyire képes kezelni egy időben a nagy és kicsi amplitúdójú jeleket, a fáziszaj pedig azt, hogy a vivőhöz közel eső jelek mennyire jól mérhetőek. Ezek releváns paraméterek a vektormérések és valósidejű spektrumanalízis szempontjából is (lásd 10. ábra).
10. ábra. A másod- és harmadrendű torzítás, DANL és fáziszaj viszonya a keverő teljesítményszintje függvényében (az optimális dinamikatartomány a zaj- és torzítási görbék metszéspontjánál helyezkedik el)Vektormérések során vagy a vivőhöz közeli mérések esetén a fáziszaj jelentős befolyásoló tényező. Nagyon stabil referencia esetén a vivőhöz közeli, 100 Hz és alatti ofszetnél a fáziszaj javítható, felette a fáziszajt befolyásolni kezdik az oszcillátorok és egyéb alkatrészek. A Keysight UXA jelanalizátor DDS-technológiás helyi oszcillátorral rendelkezik, és ezzel biztosít kategóriaelső fáziszaj-teljesítményt.
A dinamikatartomány vektorjel-analízisben
Vektorjel-analízisben az analóg és digitális KF hardver (különös tekintettel az A/D-átalakítóra) nemkívánt jeltartalom-előállításáért lehet felelős bemeneti jel jelenlétében. Az A/D-átalakító felbontásának kihasználhatósága jó indikátora a vektoros dinamikatartománynak.
A legtöbb modern, 80 MHz-nél kisebb sávszélességű jelanalizátorban legalább 14 bites felbontású A/D-átalakító működik, és nagyon kevés olyan, nagy dinamikatartományú digitalizáló létezik, amely 1 GHz feletti mintavételezési sebességet tud. A probléma áthidalásának egyik lehetséges módja több A/D-fokozat kombinálása, amelyek lefedik a különböző frekvenciasávokat. Kisebb frekvenciaátfogás esetén ez jó megoldás, de nincs igazi haszna nagyobb sávszélességeknél, így ez komoly problémát jelenthet például szélessávú szilárdtest erősítők és olyan rendszerek/komponensek tesztelésekor, amelyek 70-80 dBc zavarójelmentes dinamikatartománnyal (SFDR8) rendelkeznek. A pontos mérések alapfeltétele, hogy a mérőműszer teljesítménye túlszárnyalja a mérendő rendszerét. Ennek fényében a vadonatúj Keysight UXA-sorozatú jelanalizátorban a gyártó által egyedileg fejlesztett, metrológiai besorolású, 14 bites A/D-átalakító működik 1 GSa/s-ot meghaladó mintavételezési sebességgel. A 11. ábra ezen egyedi fejlesztésű A/D-átalakító valós mérés közben tapasztalható előnyét mutatja.
11. ábra. A rendszerbe szándékosan bevitt zavarójel kimérése a kiváló zavarójelmentes dinamikatartományú A/D-átalakítóval rendelkező Keysight UXA jelanalizátorral RTSA üzemmódbanIsmétlődő jeleknél az időbeli vagy hardveres átlagolás is használható a zajpadló kiterjesztésére, így 90 dB-t is meghaladó mérési tartomány is biztosítható 200 MHz-es frekvenciaátfogás mellett. Ez a módszer akkor hatékony, ha nagyon alacsony a PRI és a trigger szórása, illetve biztosítható, hogy a mérőműszert és a bemérés alatt álló eszközt ugyanaz a frekvenciareferencia szolgálja ki.
Összefoglalás
12. ábra. A Keysight N9040B UXA jelanalizátorA nemrég megjelent jelanalizátor-platformoknál elérhető valósidejű spektrumanalízis képes az elvárt sebesség, rugalmasság és analízisteljesítmény biztosítására, amely lehetővé teszi e komplex rendszerek részletes elemzését. Ebben a műszerkategóriában a Keysight Technologies tavaly ősszel, a European Microwave Week alkalmával mutatta be új, X-sorozatú jelanalizátor-zászlóshajóját, az N9040B UXA-t (lásd 12. ábra). A jelenleg 8,4, 13,6 és 26,5 GHz frekvenciatartományban elérhető, egyedi fejlesztésű A/D-átalakítóval rendelkező UXA jelanalizátorok kategóriaelső fáziszaj-teljesítményt és az iparágban elsőként akár 510 MHz hagyományos valósidejű analízis-sávszélességet kínálnak. Az új formatényezővel érkező műszerek újratervezett, intuitív kezelőfelülettel rendelkeznek, amelyek 14,1" képátlójú, kapacitív, érintésérzékeny kijelzőn jelennek meg a felhasználók előtt.
A legkorszerűbb radaros és kommunikációs rendszerek fejlesztéséhez kínált UXA jelanalizátorban a Keysight egyedi fejlesztésű helyi oszcillátortechnológiája dolgozik, amely osztályelső -136 dBc/Hz @ 1 GHz/10 kHz ofszet, illetve -132 dBc/Hz @ 10 GHz/100 kHz ofszet fáziszaj-teljesítményt biztosít. Az analizátor analízis-sávszélessége akár 510 MHz-ig fejleszthető, amely a teljes frekvenciatartományban is elérhető >75 dBc SFDR-rel. Az 510 MHz analízis-sávszélesség elérhető valósidejű üzemmódban is, amelyben az akár 3,84 µs időtartamú jelek is 100%-os érzékelési valószínűséggel detektálhatóak. A 14,1" képátlójú érintőkijelzővel rendelkező UXA jelanalizátor intuitív kezelőfelületén többféle megjelenítési lehetőség közül lehet választani, minden mérés és analízis összefüggő, legfeljebb kétérintésnyi távolságra lévő funkcióval aktiválható.
Az UXA-sorozatú analizátorok természetesen a Keysight egyedülálló 89600B VSA vektorjel-analizátor szoftverének teljes támogatását élvezik. A több mint 75-féle modulációs szabványt és egyedi megoldásokat is támogató VSA szoftver minden átviteli rendszerhez ideális analízismegoldást kínál.
1: Electronic Warfare
2: Real-Time Spectrum Analyzer
3: Resolution BandWidth
4: Pulse Repetition Frequency
5: Pulse Repetition Interval
6: Third-Order Intercept
7: Displayed Average Noise Level
8: Spurious-Free Dynamic Range
