Анализ сигналов с использованием функции архива данных осциллографа R&S RTO

Введение

Благодаря своей универсальности цифровые осциллографы незаменимы для тестирования и отладки электронных устройств и систем. Основными требованиями для современных осциллографов являются высокая частота дискретизации для лучшего разрешения сигналов и большой объем памяти для захвата длинных последовательностей. Отдельной проблемой становится обработка редких, случайных или кратковременных событий, которые обычно возникают нечасто и происходят в течение короткого периода. Для захвата подобных сигналов требуется высокое разрешение и длительное время захвата. Оба условия означают, что к объему памяти отсчетов предъявляются существенные требования. Чтобы удовлетворить их, осциллографы R&S RTO снабжены режимом работы с архивом данных, позволяющим просматривать предшествующую осциллограмму, если захват данных был остановлен независимо от того, произошло ли это в ручном режиме, при появлении ошибки или при нарушении пределов маски. Краткому рассмотрению такого режима и посвящена настоящая публикация.

Особенности функционирования цифровых осциллографов

На рис. 1 показана блок-схема осциллографа R&S RTO, на которой стрелками обозначены потоки данных между отдельными блоками. Весь путь данных от входного каскада до дисплея делится на две секции, каждая из них обозначена своим цветом. Первая секция — цепочка захвата (сбора) данных — содержит блок цифрового запуска. В нем параллельно обрабатывается вся входящая информация до сохранения дискретных данных каждого канала в память собранных данных. Обработка предусматривает масштабирование в аналоговом каскаде, дискретизацию входного сигнала с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифровую фильтрацию и децимацию в блоке захвата данных. В конце цепочки захвата данных отсчеты сохраняются в памяти. Параллельно с процессом захвата данных система запуска осциллографа R&S RTO генерирует событие запуска, управляющее началом захвата данных.

Рис. 1. Блок-схема осциллографа R&S®RTO

Вторая секция отвечает за постобработку данных. На этом этапе RTO-прибор, прежде чем отобразить данные на дисплее, обрабатывает их с помощью выбранной операции анализа, например используется измерение, вычисление, тестирование по маске, курсор. Сохраненные в памяти данные применяются при сборе и последующей обработке, поэтому данный блок отмечен на блок-схеме обоими цветами.

Обе секции работают попеременно в двух исключающих друг друга фазах — сбора и постобработки. Типичным режимом функционирования является непрерывный захват данных. В этот период в памяти сохраняются отсчеты. Настройка длины записи данных определяет сохраняемое количество отсчетов, а частота дискретизации определяет количество захватываемых отсчетов в секунду. Максимальная частота дискретизации соответствует частоте дискретизации АЦП, для R&S RTO она составляет 10 млрд ед./с. Стандартный размер памяти RTO для хранения осциллограмм — 20 млн отсчетов на канал с возможностью расширения до 100 млн. Отсюда возникает естественное противоречие между длительностью записи и частотой дискретизации. Особенно это касается регистрации импульсных сигналов с малой длительностью и большим периодом, когда для захвата может потребоваться до 1 млрд отсчетов и более.

Очевидное решение описанной проблемы — выборочный захват сигналов. Для этого пользователь должен указать основные условия запуска. Но это бывает достаточно трудно, поскольку условия для выделения отдельных событий сигнала не всегда известны. С помощью маски и измерительных функций можно задать ожидаемый результат, и R&S RTO остановит захват данных при нарушении заданных условий. Захваченные данные будут доступны для анализа, и пользователь сможет задать более подходящие условия запуска.

Режим работы с архивом данных осциллографа R&S RTO

Режим работы с архивом данных R&S RTO позволяет получить доступ к осциллограммам, записанным ранее и сохраненным в памяти. Он активируется только в случае приостановки процесса захвата данных. Пользователь может воспроизвести осциллограммы последнего цикла захвата данных для просмотра, а также применить встроенные функции анализа для каждой записи. Функции анализа включают измерение, математические операции, тестирование по маске, курсорные операции и операции отображения.

Данные, прошедшие постобработку, отображаются в виде осциллограмм или числовых значений. Что касается распределения цикличности функционирования, в режиме работы с архивом данных используется последовательное распределение отдельных фаз постобработки, тогда как в режиме непрерывного захвата данных — попеременное распределение фаз сбора и постобработки.

Пояснение функционирования памяти осциллографа R&S RTO приведено на рис. 2. В верхней части рисунка показана пачка (последовательность) импульсов. Так как импульсы имеют малое время нарастания, требуется высокое разрешение, а время наблюдения из-за большого промежутка между импульсами обычно составляет несколько микросекунд. В данном примере показана пачка из пяти импульсов с похожими, но не одинаковыми временными интервалами между ними.

Рис. 2. Избирательный захват данных

При захвате данных линия задержки замедляет сигнал относительно события запуска, которое генерируется цифровым осциллографом на основании того же сигнала. Запуск цифрового осциллографа инициирует захват данных незадолго до начала импульса с предварительно определенным временем захвата t_s. В результате осциллограф R&S RTO не записывает данные в период отсутствия активности. Такой подход позволяет сохранить большой объем памяти и эффективно использовать память собранных данных. Недостатком, характерным для всех цифровых осциллографов, является то, что после каждого этапа захвата наступает время простоя, в течение которого прибор не отрабатывает события запуска. Это связано с необходимостью обработки захваченных данных. После завершения обработки осциллограф вновь ожидает события запуска.

Ограничения использования режима архива данных

Основные ограничения применения режима архива связаны со сбросом собранной информации и использованием памяти осциллографа R&S RTO. Во‑первых, как уже упоминалось, доступ к собранным данным возможен только тогда, когда захват данных остановлен. При следующем запуске захвата все данные предыдущего цикла будут удалены. Во‑вторых, активирование другого входного канала или изменение временного масштаба также приведет к обнулению данных в памяти, даже если захват данных был остановлен. Кроме того, имеются два отдельных режима захвата данных, в которых работа с архивом данных недоступна. Это режимы дискретизации “equivalent time” и “roll-mode”.

Что касается памяти собранных данных, здесь есть ограничение максимального количества записей, которые могут быть сохранены, то есть объема архивной памяти. Его можно примерно оценить по формуле:

H = S_M/(R_L+100)–1,

где H — объем архивной памяти на канал; S_M — доступная память на канал (20/50/100 млн отсчетов); R_L — длина записи, обычно равная 5000 ед.

В зависимости от конфигурации режима децимации, математических режимов осциллограммы или активных расчетных сигналов, объем архивной памяти может быть меньше. Если входной канал не используется, то активный канал распределяет память неактивного канала. Например, четырехканальный осциллограф R&S RTO с 20 млн отсчетов на канал будет иметь в распоряжении 80 млн отсчетов памяти для работы одного канала, если остальные каналы неактивны.

Пример использования функции архива для анализа сигналов

В качестве примера рассмотрим применение функции для анализа импульсных радиолокационных сигналов. Для генерации пачки импульсов использовался векторный генератор R&S SMBV100A [1]. Канал 1 осциллографа подключался напрямую к выходу векторного генератора с согласованной нагрузкой 50 Ом. Выбрана номинальная несущая частота сигналов 400 МГц, что не является типичным радиолокационным диапазоном. Однако реальный радиолокационный сигнал обычно подвергается понижающему преобразованию в близкий диапазон частот. Осциллограф R&S RTO может непосредственно захватывать и измерять сигнал с частотой 400 МГц.

Радиолокационный сигнал состоял из последовательности трех различных типов импульсов в количестве 21 шт. На рис. 3 показаны захваченные импульсы, сгруппированные в одной выборке данных. В этом примере импульсы отстоят друг от друга по времени на 20,3 мкс в первой пачке, а далее — более чем на 90 мк (на осциллограмме длительный простой не показан).

Рис. 3. Захваченная пачка радиолокационных импульсов

Захваченные импульсы были записаны в память осциллографа. На втором этапе выполняется верификация каждого из захваченных импульсов. Для этого предназначена функция измерений, в том числе для оценки длительности и амплитуды импульса. Кроме того, можно получить остальные их параметры в частотной области. Для этого необходимо настроить функцию MATH FFT осциллографа R&S RTO на центральную частоту 400 МГц и полосу обзора 12,5 МГц и применить к спектру функцию измерений полосы сигнала “signal bandwidth”. Для того чтобы получить наилучшие результаты, сигнал строится как усредненный с помощью окна Хэмминга. Это окно рекомендуется к использованию для синусоидальных сигналов [2]. Чтобы убедиться в наличии спектра шириной 3,5 МГц вокруг несущей частоты 400 МГц для всех осциллограмм, можно добавить маску и проверить данный параметр для всех импульсов. Использование такой настройки измерений иллюстрирует рис. 4.

Рис. 4. Тестирование по частотной маске импульса в составе захваченного сигнала

Для того чтобы проверить эти параметры для всех осциллограмм, пользователь может просто нажать клавишу PLAY в окне результатов History, и режим работы с архивом данных проведет измерения cо всеми осциллограммами в памяти. Несоответствие спектров маске будет легко выявлено в ходе такой последовательной сверки без каких-либо сложностей.

Представленный пример иллюстрирует применение функции архива лишь в малой степени. Потенциальные возможности для анализа зависят от решаемых задач.

Заключение

Режим работы с архивом данных осциллографа R&S RTO позволяет получить доступ к данным, собранным ранее, и применить широкий спектр функций анализа прибора. Временные соотношения между собранными данными сохраняются и могут быть использованы в качестве основы для последующего анализа.

Рассмотренный режим смягчает внутреннее противоречие между высокой частотой дискретизации и длительным временем наблюдения. В некоторых случаях можно получить большую пользу при использовании режима работы с архивом данных, например при поиске редко повторяющихся аномалий в цифровых и аналоговых сигналах.

Широкие возможности запуска R&S RTO помогают сфокусировать внимание на важных деталях анализа за счет селективной записи. Осциллографы R&S RTO обеспечивают эффективное использование архитектуры памяти, широкий выбор функций тестирования и измерений для анализа полученных осциллограмм.