Les fondements de l'analyse du spectre
L'analyse des signaux électriques, autrement connu comme l'analyse du signal, est un enjeu fondamental pour la quasi-totalité des ingénieurs de conception électronique et des scientifiques. Bien qu'il fournit des informations précieuses sur les propriétés d'un signal, l'analyse du signal est seulement aussi bon que l'instrument avec lequel il est exécuté. Les analyseurs de spectre et analyseurs de signaux vectoriels sont deux instruments couramment utilisés pour analyser les signaux électriques. Ce tutoriel couvre les bases de la façon de tirer le meilleur parti de ces instruments.
Table des matières
Contexte
Historiquement, les analyseurs de spectre et analyseurs de signaux vectoriels ont été des instruments distincts, mais les progrès technologiques ont permis de combiner les deux fonctions en un seul instrument. Pour simplifier, l'analyse du signal et l'analyse du spectre sont communément appelés simplement l'analyse du spectre.
La mesure puissants et les capacités d'analyse de ces analyseurs permettent aux ingénieurs de réaliser une compréhension rapide et complète de leur appareil ou système à l'étude. Bien sûr, comprendre comment ils fonctionnent et comment les rendre plus efficaces pour une application particulière est absolument essentielle pour les utiliser à leur plein potentiel.
Spectre Principes fondamentaux d'analyse
Bien que la connaissance de l'instrumentation d'analyse est essentielle, tout aussi important est la compréhension des fondements de l'analyse du spectre lui-même. Traditionnellement, les oscilloscopes ont été utilisés pour voir comment les signaux électriques varient avec le temps. Cependant, ils ne fournissent pas une image complète.
Pour comprendre pleinement les performances d'un dispositif / système, un signal (ou les signaux) doivent également être analysée dans le domaine des fréquences. Ceci est exactement ce que l'analyseur de spectre fait. Il convient de noter cependant que de grands progrès de la technologie numérique, la distinction est devenue un peu plus floue. Certains oscilloscopes peuvent effectuer une analyse de signaux vectoriels, et analyseurs de signaux ont maintenant des quantités importantes de domaine temporel capacité de mesure. Néanmoins, oscilloscopes sont optimisés pour les mesures dans le domaine temporel et analyseurs de signaux sont l'outil de choix pour les mesures dans le domaine fréquentiel.
Dans le domaine de la fréquence, des signaux complexes (par exemple, comprenant plus d'une fréquence) sont séparées en leurs composantes de fréquence, et est affiché au niveau de chaque fréquence. mesures dans le domaine fréquentiel ont plusieurs avantages distincts. D'une part, l'information non perceptible sur un oscilloscope devient évident sur un analyseur de spectre.
les signaux de mesure avec un analyseur de spectre permet également de réduire considérablement la quantité de bruit présent dans la mesure due à la capacité de l'analyseur pour limiter la largeur de bande de mesure. De plus, un grand nombre de systèmes d'aujourd'hui sont dans le domaine fréquentiel intrinsèquement orienté et doit être analysé dans le domaine fréquentiel pour assurer qu'il n'y a pas d'interférence des fréquences voisines.
Avec une vue dans le domaine fréquentiel du spectre, il est facile de mesurer une fréquence de signaux, la puissance, le contenu harmonique, modulation, éperons, et le bruit. Avec ces grandeurs de mesure, une distorsion harmonique totale, largeur de bande occupée, la stabilité de signal, puissance de sortie, la distorsion d'intermodulation, la bande passante de puissance, rapport porteuse sur bruit et une foule d'autres mesures peuvent ensuite être utilisant déterminées juste un analyseur de spectre.
mesures dans le domaine fréquentiel (analyse du spectre) sont réalisés soit avec un analyseur ou d'un récepteur accordé balayé rapidement transformée de Fourier (FFT). L'analyseur de FFT prend un signal dans le domaine temporel, numérise en utilisant l'échantillonnage numérique, puis applique les mathématiques nécessaires pour le convertir dans le domaine des fréquences. Le résultat est affiché sous la forme d'un spectre. Avec sa capacité d'analyse du signal en temps réel, l'analyseur peut capturer des événements périodiques, aléatoires et transitoires et peut mesurer la phase et l'amplitude.
L'analyseur balayé par l'écoute « balaye » toute la gamme de fréquences d'intérêt, l'affichage de toutes les composantes de fréquence présentes. Cela permet d'effectuer les mesures sur une large plage dynamique et large gamme de fréquences. L'analyseur-tune balayé est la plus largement acceptée, outil polyvalent pour les mesures dans le domaine fréquentiel.
Tant la FFT et l'analyseur-réglé balayé peut être utilisé pour un large éventail de mesures (tels que la fréquence, la modulation de la puissance, la distorsion et la mesure du bruit) dans des applications aussi variées que le contrôle du spectre, les rayonnements non essentiels, l'analyse de réseau scalaire, et des interférences électromagnétiques. Les mesures sont effectuées dans la gamme -172 dBm à + 30 dBm, sur des fréquences allant de 3 Hz à 325 Hz supérieure.
A l'intérieur L'analyseur de spectre
1. On voit ici un schéma synoptique d'un analyseur de spectre par balayage traditionnel. analyseurs modernes remplacent une grande partie de ce matériel analogique avec des circuits numériques (voir figure 6).
Le mélangeur de l'analyseur est un dispositif à trois ports qui convertit le signal d'entrée d'une fréquence à une autre. Le signal d'entrée est appliqué à un port, et le signal de sortie de l'oscillateur local (LO) est appliquée à l'autre. Le mélangeur est un dispositif non-linéaire, de sorte que les fréquences seront présents à la sortie qui ne sont pas présents sur les entrées. Ces fréquences sont des signaux d'entrée originaux, ainsi que les fréquences de somme et de différence des deux signaux. La fréquence de différence est appelée le signal IF.
Le filtre de l'analyseur IF est un filtre passe-bande utilisé comme une « fenêtre » pour détecter des signaux. Sa bande passante, la bande passante de résolution de l'analyseur (OBR), peut être modifié au moyen du panneau avant de l'instrument. Une large gamme de paramètres variables RBW permet à l'analyseur à être optimisée pour différentes conditions de balayage et de signal et permet à l'utilisateur d'un compromis entre sélectivité de fréquence, le rapport signal sur bruit (SNR), et la vitesse de mesure. Rétrécissant OBR, par exemple, améliore la sélectivité et SNR. Toutefois, un balayage taux vitesse et mise à jour de trace degrade. Le réglage optimal RBW dépend fortement des caractéristiques des signaux d'intérêt.
Le détecteur permet d'être converti en un signal en bande de base ou vidéo, de sorte qu'il peut être numérisé et vu le signal FI de l'analyseur sur l'écran LCD. Ceci est réalisé avec un détecteur d'enveloppe dont la sortie vidéo est numérisé, avec un convertisseur analogique-numérique (ADC) et représentée comme l'amplitude du signal sur l'axe des Y de l'écran de l'analyseur.
Plusieurs différents modes de détection affectent considérablement la façon dont le signal est affiché. Dans le mode de détection positive, typiquement utilisé dans l'analyse de sinusoïdes, la valeur de crête du signal est affiché au cours de la durée d'un point d'affichage de trace, parfois appelé « bin « » seau d'affichage » ou en mode de détection négatif, la valeur minimale est affichée . Dans le mode de détection d'échantillons, la valeur d'amplitude au point milieu de l'intervalle de temps pour chaque intervalle est affiché.
Plusieurs processus peuvent être utilisés pour lisser les variations de l'amplitude, à savoir enveloppe détectée, la détection moyenne et filtrage vidéo. Détection moyenne utilise toutes les valeurs de données recueillies dans l'intervalle de temps d'un bac et est utile lors de la mesure du bruit ou des signaux comme le bruit dans les systèmes de modulation numérique. Lorsque la détection moyenne est utilisée pour la puissance moyenne (par exemple, lorsque la mesure de la puissance des signaux complexes), il est généralement appelé carrée moyenne de la racine de détection (RMS).
la moyenne de la vidéo et trace moyenne peuvent également être utilisés pour lisser les variations de l'amplitude détectée enveloppe. Avec la moyenne de vidéo, lorsque la fréquence de coupure du filtre vidéo est réduit, le système vidéo ne suit plus les variations plus rapides de l'enveloppe du signal en passant par la chaîne SI. La quantité de lissage qui a lieu est déterminée par le rapport de VBW à RBW. Les ratios de 0,01 ou moins fournir un bon lissage.
Trace moyennes en moyenne sur deux ou plusieurs balayages sur une base de point par point. A chaque point d'affichage, la nouvelle valeur est en moyenne avec les données moyennées précédemment. L'affichage converge progressivement vers une moyenne sur un certain nombre de balayages. moyenne de trace n'affecte pas sensiblement le temps de balayage.
Comprendre Spécifications de l'analyseur
Il est important de comprendre les spécifications de l'analyseur de spectre car ils communiquent le niveau de performance attendu d'un instrument particulier. Les spécifications sont utiles pour prédire comment un analyseur effectuera dans une situation de mesure spécifique, ainsi que la précision de ses résultats. Caractéristiques principales de l'analyseur de spectre comprennent:
2. Plus la différence d'amplitude, plus un signal plus petit est enterré sous la jupe de la réponse de son grand voisin.
sélectivité RBW (facteur de forme) et de bruit de phase sont des caractéristiques importantes pour déterminer la résolvabilité de signaux d'amplitudes inégales. Une façon d'améliorer la résolution de l'analyseur de spectre est de réduire l'OBR, mais il faut alors plus de temps pour balayer l'ensemble du spectre, car les filtres RBW ont besoin d'un temps fini de répondre pleinement. Les analyseurs de spectre ont le temps de balayage couplé automatique qui choisit automatiquement le meilleur temps de balayage admissible sur la base de la durée sélectionnée, RBW, et VBW. Le type d'analyseur affecte également la vitesse de balayage.
L'astuce consiste à déterminer si la distorsion provoquée par l'analyseur aura une incidence sur une mesure. Supposons, par exemple, qu'un test spécifie les produits de distorsion à deux tons (produits de troisième ordre) de plus de 50 dB et de second ordre (harmonique) distorsion de plus de 40 dB au-dessous de la fondamentale. Ces valeurs servent au niveau minimum nécessaire pour les spécifications de l'analyseur. Pour réduire les erreurs de mesure causée par la présence de distorsion interne, cette distorsion devrait être beaucoup plus faible que les spécifications de test.
3. distorsion du second ordre augmente comme le carré de l'amplitude du signal fondamental. distorsion du troisième ordre augmente à mesure que le cube de l'amplitude fondamentale. L'interception du troisième ordre (TOI) est une mesure de la capacité de l'analyseur pour traiter de grandes signaux sans distorsion. Avec les chiffres de Analyzers TOI plus se sont généralement améliorées plage dynamique et la précision de la distorsion et des mesures acoustiques.
- plage dynamique: La plage dynamique est traditionnellement définie comme le rapport, en dB, de la plus grande pour les signaux plus petits simultanément présents à l'entrée de l'analyseur de spectre qui permet la mesure de la plus petite à un degré d'incertitude donnée (Fig. 4). plage dynamique d'un instrument détermine la plage d'amplitude sur laquelle les mesures peuvent être effectuées de manière fiable. La plage dynamique est souvent mal compris et mal interprété, parce que la plage d'affichage de l'instrument, la plage de mesure, plancher de bruit, le bruit de phase et réponse parasite jouent tous un rôle important dans sa détermination (fig. 5).
4. Ce diagramme représente graphiquement la plage dynamique. Ici, le rapport signal-bruit et courbes signal distorsion sont à la fois sur un graphique dynamique. dynamique maximale se produit où les courbes se croisent, c'est, lorsque le niveau de distorsion généré en interne est égal au niveau de bruit moyen affiché (DANL). Ce point est également le niveau de mixage optimal.
5. La plage dynamique est souvent mal compris et mal interprété parce que la plage d'affichage de l'instrument, la plage de mesure, plancher de bruit, le bruit de phase et réponse parasite jouent tous un rôle important dans sa détermination. Il est essentiel de savoir quelle définition est la plus appropriée pour une application donnée.
Pour optimiser la plage dynamique, choisissez les réglages de l'analyseur qui offrent une sensibilité optimale: la plus étroite OBR, atténuation d'entrée minimale et moyenne suffisante. En outre, l'essai de l'analyseur de distorsion en augmentant l'atténuation de l'entrée et à la recherche de changements de signal d'amplitude. Ensuite, définissez l'atténuateur au plus bas sans changement d'amplitude.
Signal moderne Analyseurs
Contrairement à l'analyseur de spectre traditionnel, la variante moderne comprend des composants différents, des blocs ré-agencés, et un ADC qui est poussé plus loin dans la chaîne de traitement (Fig. 6). SI tout numérique de l'analyseur peut traiter des signaux de différentes manières et permet des avancées significatives dans la précision, la gamme dynamique et la vitesse. traitement numérique du signal (DSP) est également incorporé, ce qui permet à l'analyseur pour mesurer les formats de signaux en plus complexes, améliore la plage dynamique et la précision, et augmente la vitesse de balayage. Il est possible de traiter des signaux via un mode d'analyse balayé lorsque la plage dynamique est importante, ou en mode analyse FFT lorsque nous avons besoin d'une vitesse de balayage plus rapide des bandes passantes étroites.
6. analyseurs de spectre modernes tels que l'analyseur de signaux X-Agilent série comportent des composants différents, des blocs réarrangés, et un CAN poussé plus loin dans la chaîne de traitement par rapport aux analyseurs de spectre traditionnels.
Principales caractéristiques de l'analyseur de spectre modernes incluent sa capacité à faire intégré, mesures de puissance d'un bouton (comme la bande passante occupée, la puissance du canal, et la puissance des canaux adjacents), ainsi que son soutien aux logiciels spécifiques permettant l'application d'un bouton mesures des applications à usage général, l'analyse numérique de modulation souple et des mesures de modulation de puissance / numérique pour les applications de communication sans fil.
capacités d'affichage avancées telles que spectrogrammes permettent d'analyser le spectre du signal variant dans le temps, alors que le zoom de trace permet aux utilisateurs de zoomer facilement sur des données de trace. I / Q en bande de base des entrées combler l'écart entre les milieux de bande de base et RF (Fig. 7). De plus, la large bande passante d'analyse offerte par les analyseurs de spectre modernes est idéal pour l'analyse du signal sur les applications aérospatiale et la défense, les communications émergentes et les communications cellulaires, ce qui peut nécessiter des bandes passantes des centaines de mégahertz avec de hauts débits de données.
7. analyseurs PXA et MXA Agilent offrent en option entrées en bande de base I / Q avec 500 Méch profonde capture mémoire standard.
analyseurs de signaux sont des outils utiles pour la caractérisation et l'analyse d'une variété de dispositifs et systèmes. Leur utilisation efficace pour préparer vos mesures précises et à interpréter correctement et l'analyse des résultats, il faut une compréhension de base de leur fonctionnement et de leurs caractéristiques. Plus d'informations sur les analyseurs de spectre et de signaux Agilent à www.agilent.com/find/sa.