Расширенный спектральный анализ в осциллографах высокой четкости R&S RTO

PDF версия
Основное назначение осциллографов — исследование сигналов с максимальной достоверностью и четкостью [1]. Новейшие цифровые осциллографы высокой четкости фирмы Rohde & Schwarz с открытой архитектурой и сенсорным экраном серии RTO не только обладают прекрасными возможностями анализа сигналов во временной области, но и имеют продвинутые возможности спектрального анализа [2]. Они реализуют комбинированным образом (программно и аппаратно) операцию быстрого расширенного прямого преобразования Фурье с возможностями, близкими к векторным анализаторам спектра в полосе частот аналоговых каналов осциллографа. В данной статье спектральный анализ рассмотрен на примере практической работы с 4 канальным 1 ГГц осциллографом R&S RTO.

Теоретическая преамбула

Для того чтобы преобразовать сигнал, представленный во временной области, в частотный спектр, используется быстрое преобразование Фурье (БПФ, или FFT — Fast Fourier Transform), которое преобразует вектор входных значений отсчетов сигнала в дискретный спектр частот (рис. 1). Теоретические основы БПФ описаны в [1, 2] и ныне хорошо известны. Так, теоретически доступная область частот спектрального анализа методом БПФ лежит в пределах от –fS/2 до +fS/2, где частота дискретизации fS = 10 или 20 ГГц (последняя у приборов старшей серии). Собственный шум осциллографов считается белым и равномерно распределен в этой области (заштрихованная область на рис. 1а).

Область частот БПФ

Рис. 1. Область частот БПФ:
а) обычный;
б) многокадровый;
в) спектральный анализ

У цифровых осциллографов БПФ содержит смесь сигнала и шума, прошедшую через аналоговые каналы с полосой пропускания fВ fS/2. Это неравенство диктуется соблюдением теоремы об отсчетах, известной у нас как теорема Котельникова. Степень неравенства зависит от того, насколько точно выполняется интерполяция отсчетов с помощью функции sin(x)/x. Аналоговые каналы выполняют роль фильтров, ограничивающих полосу и снижающих уровень шумов. Это обстоятельство используется для получения малых шумов у осциллографов R&S RTO. У них аналоговая полоса пропускания в 5 иди 10 раз меньше fS/2. Одновременно это гарантирует высокую точность интерполяции отсчетов сигналов.

Обычные цифровые осциллографы производят одно БПФ за захват (рис. 1б). R&S RTO способен выполнить несколько БПФ за захват путем разделения одного захвата на несколько кадров (рис. 1в). Таким образом осциллограф RTO визуализирует изменение спектрального состава сигнала с течением времени, что облегчает задачу обнаружения скачкообразных или случайных составляющих сигнала. К тому же R&S RTO позволяет перекрывать следующие друг за другом кадры. Это особенно полезно в связке с оконными функциями, так как обеспечивает проведение непрерывного частотного анализа сигнала.

Значение коэффициента перекрытия может быть задано произвольно. Чем выше коэффициент перекрытия, тем больше используется кадров. Это приводит к более определенным результатам и улучшает обнаружение влияния неустановившихся сигналов, но увеличивает время вычислений. Размер кадра зависит от количества значений входного сигнала (длины записи), коэффициента перекрытия и размера БПФ (количества отсчетов, используемых для вычисления БПФ).

Можно ограничить временную развертку входного сигнала, для которого проводится БПФ-анализ, то есть осуществить стробирование при проведении спектрального анализа. Для этого есть несколько методов (рис. 2):

  • Определить абсолютное время начала и окончания участка развертки.
  • Определить относительные значения начала и окончания, которые определяют процент исходной развертки.
  • Связать участок развертки для БПФ с активной областью масштабирования.
Иллюстрация спектрального анализа со стробированием

Рис. 2. Иллюстрация спектрального анализа со стробированием

При необходимости окно стробирования может быть показано на сигнальной диаграмме.

 

Установка параметров БПФ

Обычный анализ спектра в осциллографах R&S RTO выполняется чрезвычайно просто и интуитивно понятно [3, 4, 5, 6]. Для этого требуется получить исходную осциллограмму исследуемого (тестируемого) сигнала и, нажав пальцем на пиктограмму спектрального анализа (она имеет рисунок типичного спектра с надписью FFT) в меню вверху экрана, перевести палец на временную зависимость (обычную, расчетную или опорную осциллограмму), затем убрать палец с экрана. Появится спектр данной временной зависимости при параметрах, установленных по умолчанию, в частности, с полосой частот от 0 до половины максимальной частоты дискретизации.

Можно также воспользоваться позицией Math меню Windows, расположенного внизу экрана. Она вызывает появление на экране виртуальной панели FFT Setup (рис. 3) с настройками, применяемыми в обычных анализаторах спектра. Затем следует их уточнить и получить спектр законченного вида.

Виртуальная панель FFT Setup

Рис. 3. Виртуальная панель FFT Setup

Вкладка No FFT defined определяет до четырех математических функций спектрального анализа и его частотные параметры:

  • Center frequency — центральная частота диапазона.
  • Frequency span — полоса частот диапазона спектра.
  • Full Spsn — полная полоса диапазона (разность между конечной и начальной частотами диапазона.
  • Start frequency — начальная частота диапазона.
  • Stop frequency — конечная частота диапазона.

На вкладке RBWwindow setup осуществляется установка полосы частот разрешения RBW и типа окна спектрального анализа. Ее можно задать вручную (Manual) или автоматически — как частоту, равную полосе диапазона и деленную на множитель. Параметр RBW определяет ширину пика каждой гармоники спектра. Для синусоидального сигнала спектр имеет вид одного пика (рис. 4). Видно, что ширина пика меняется от очень малой (рис. 4а, где пик вырождается в отрезок вертикальной прямой) до конечной (рис. 4б–г). Основные установки анализа спектра отображаются дескрипторами в правой части экрана осциллографа.

Спектры синусоидального сигнала c частотой 1 ГГц при различном значении RBW

Рис. 4. Спектры синусоидального сигнала c частотой 1 ГГц при различном значении RBW:
а) 5 МГц;
б) 20 МГц;
в) 50 МГц;
г) 100 МГц

На этой вкладке устанавливается такая важная характеристика спектрального анализа, как тип окна (Window — не путать c операционной системой компьютера!). На рис. 3 показан открытый список окон. Проведение спектрального анализа в ограниченном диапазоне времен сигнала ведет к возникновению перепадов напряжения в начале и конце временного диапазона. Это означает появление на самом деле не существующих высокочастотных гармоник исследуемого сигнала. Для борьбы с подобным явлением используются окна спектрального анализа, устраняющие разрывы. В таблице указаны все типы окон спектрального анализа у осциллографов серии RTO и их основные свойства (рис. 5).

Осциллограммы синусоидального 100 МГц сигнала и их спектры с различными окнами

Рис. 5. Осциллограммы синусоидального 100 МГц сигнала и их спектры с различными окнами:
а) прямоугольным;
б) Блэкмана — Харриса;
в) с плоской вершиной;
г) Хэмминга

Таблица. Типы окон спектрального анализа и их свойства

Тип окна

Разрешение по частоте

Разрешение по амплитуде

Свойства

Rectangular (прямоугольное)

Наилучшее

Наихудшее

Хорошее разделение близких тонов, большой уровень боковых полос

Hamming (Хэмминга) Hann (Ханна)

Хорошее

Плохое

Построение АЧХ, контроль узкополосного шума

Blackman — Harris (Блэкмана — Харриса,
стандартное)

Наихудшее

Наилучшее

Четкое определение уровня пиков, малый уровень боковых полос

Gaussian (Гауссово)

Хорошее

Хорошее

Контроль cлабых сигналов малой длительности

Flattop 2 (Плоская вершина 2)

Плохое

Наилучшее

Точная фиксация амплитуды пиков

KaiserBessel (Кайзера Бесселя)

Плохое

Хорошее

Хорошее разделение близких тонов, малый уровень боковых полос

Виртуальная панель FFT Magnitude/Phase (рис. 6) служит для установки параметров расширенного векторного спектрального анализа. Панель имеет вкладки: номера спектральной функции, установки масштаба магнитуды спектра (линейного Linear или логарифмического при единицах — децибелах напряжения и мощности) и установок фазы (они описаны далее). Список масштабов спектра по вертикали показан на рис. 6 открытым. Вкладка Phase settings («Установки фазы») применяется при построении фазовых характеристик спектра и обычно не используется.

Экран с панелью FFT Magnitude/Phase

Рис. 6. Экран с панелью FFT Magnitude/Phase

Полоса разрешения (Resolution Вandwidth — RBW) задает минимальный частотный интервал между пиками спектра и ширину пиков. Большие значения уменьшают разрешение, увеличивают скорость спектрального анализа. При малых RBW пики превращаются в вертикальные отрезки прямой. Для упрощения операции некоторые параметры связаны и вычисляются автоматически, например длина записи и полоса разрешения.

Результатом БПФ-анализа является частотный спектр. В зависимости от используемой функции БПФ отображаются либо модули, либо фазы данных частот. В базовом режиме Basic и в расширенном режиме Advanced для функций БПФ (FFT), FFTre и FFTim отображаются действительная и мнимая части модуля. В расширенном режиме функции БПФ FFT (j) отображает фазу.

При отображении модуля можно выбрать масштаб и диапазон отображаемых значений. Для линейного масштабирования используются вертикальные значения входного сигнала. Для логарифмического масштабирования отображается логарифмическая мощность. В этом случае входной сигнал должен задаваться в вольтах или ваттах. Итоговый диапазон значений определяется максимальным значением и размером. Логарифмическое масштабирование может быть также указано относительно заданного опорного значения.

Для отображения фазы можно выбрать единицы отображения и подавить фазы ниже порогового значения, которое наиболее часто порождается шумом. Используется диапазон значений [–π, + π] или [–180, +180°]. Ввиду ограничения диапазона значений фазовые сдвиги могут быть устранены с помощью функции Unwrap.

На вкладке FFT Gating диалогового окна Math нужно определить окно стробирования, то есть участок временной развертки исходной диаграммы, для которого проводится БПФ-анализ. Для этого следует использовать один из следующих методов:

  • Выбрать режим Absolute и ввести значения начального Start и конечного Stop времени, которые определяют окно стробирования.
  • Выбрать режим Relative и ввести проценты от ширины временной развертки, которые определяют относительные начальное Relative Start и конечное Relative Stop время.
  • Если область масштабирования уже была определена на исходной диаграмме и необходимо использовать ту же временную развертку для БПФ-анализа, то следует выбрать режим связи Zoom coupling, а затем активную масштабированную диаграмму.

Далее надо коснуться пиктограммы Use gate. Для показа определенного окна стробирования на исходной диаграмме коснуться пиктограммы Show gate.

БПФ-осциллограмма отобразит спектр области, указанной на исходной временной развертке.

 

Спектральный анализ различных сигналов

Спектральный анализ часто применяется для выявления малых искажений синусоидального сигнала (рис. 7). По умолчанию он выполняется в логарифмическом масштабе, дающем большой динамический диапазон и отчетливо наблюдаемую шумовую дорожку. На рис. 7 видно, что гармоники почти синусоидального сигнала отчетливо выделяются даже тогда, когда искажения сигнала практически не видны на его обычной осциллограмме. Это одна из особенностей спектрального анализа в новой для осциллографов области определения сигналов.

Спектры

Рис. 7. Спектры:
а) чистого синусоидального сигнала;
б–г) с различными небольшими искажениями

Логарифмический масштаб спектра позволяет легко определить и отличия от идеальности сигналов различного вида (рис. 8). Например, меандр и треугольный сигнал теоретически содержат только нечетные гармоники. Реальные сигналы (рис. 8а, в), полученные от современного цифрового генератора произвольных функций Tektronix AFG3101, демонстрируют наличие и четных гармоник, хотя и малой амплитуды. Обратите внимание на спектр прямоугольных импульсов со скважностью 5 (рис. 8б) и линейно-нарастающих ступенчатых импульсов (рис. 8г).

Спектры импульсных сигналов в логарифмическом масштабе

Рис. 8. Спектры импульсных сигналов в логарифмическом масштабе:
а) меандра;
б) треугольного;
в) прямоугольного;
г) ступенчатого

В учебниках по электротехнике и радиотехнике спектры обычно приводятся в линейном масштабе, который нам наиболее привычен и делает почти незаметной шумовую дорожку. Спектры прямоугольных импульсов в линейном масштабе показаны на рис. 9а–в (для сравнения на рис. 9г представлен спектр в логарифмическом масштабе).

Осциллограммы и спектры прямоугольных импульсов

Рис. 9. Осциллограммы и спектры прямоугольных импульсов:
а) меандра с изменением цвета;
б) одного импульса;
в) пачки из пяти импульсов;
г) одного импульса в логарифмическом масштабе

Особый интерес вызывают спектры сигналов sin(x)/x и ступенчатого, осциллограммы которых показаны на рис. 10а, б. Сигнал вида sin(x)/x имеет равномерный спектр всех гармоник в пределах своей полосы частот, а ступенчатый сигнал с N ступеньками нулевые гармоники с номером, кратным N (рис. 8г).

Осциллограмма сигнала

Рис. 10. Осциллограмма сигнала:
а) sin(x)/x;
б) ступенчатого

На рис. 11 показаны осциллограммы и спектры сигнала sin(x)/x в логарифмическом и линейном масштабах спектра, подтверждающие равномерность гармоник в достаточно широком диапазоне частот (он определяется обратной величиной постоянной времени спада амплитуды сигнала). Обратите внимание на то, что при больших значениях RBW строится огибающая спектра, проходящая по верхушкам пиков спектра дискретных гармоник. Это удобно, когда по спектру строится амплитудно-частотная характеристика (АЧХ).

Осциллограммы и спектры сигнала sin(x)/x

Рис. 11. Осциллограммы и спектры сигнала sin(x)/x:
а) при линейном масштабе;
б–г) при логарифмическом при разных значениях RBW

Минимальное значение RBW (то есть высокой разрешающей способности по частоте при построении спектра) определяется обратной величиной от числа отсчетов осциллограммы. Большая память осциллограмм у осциллографов серии RTO позволяет достичь малых значений RBW (до десятка герц), повысить разрешающую способность спектрального анализа по частоте и уменьшить уровень шумов. Но при выборе малых RBW автоматически увеличивается диапазон частот спектрального анализа, и осциллограмма часто становится неразборчивой. Этот принципиальный недостаток легко устраняется с помощью функции Zoom как к осциллограмме, так и к ее спектру (рис. 12). На этом рисунке показан расширенный участок осциллограммы и участок спектра, на котором происходит спад амплитуды гармоник реального сигнала.

Осциллограмма и спектр сигнала sin(x)/x при использовании функции Zoom

Рис. 12. Осциллограмма и спектр сигнала sin(x)/x при использовании функции Zoom

 

Спектр модулированных сигналов

Одной из сложнейших задач анализа спектра является БПФ модулированных ВЧ- и СВЧ-сигналов. Такие сигналы имеют очень длинную линию осциллограмм и требуют огромного числа отсчетов. Даже простая амплитудная модуляция (АМ) синусоидальным сигналом синусоидальной несущей имеет очень неудобный для БПФ спектр из трех составляющих — несущей частоты и двух боковых частот, отстающих от несущей на величину низкой частоты модуляции (она может быть в тысячи раз меньшей, чем несущая частота).

Многие осциллографы не слишком высокого класса позволяют получать спектры идеализированных сигналов с искусственно повышенной частотой модуляции и пониженной частотой несущей. Однако на практике частота несущей доходит до 30 МГц в диапазоне коротких волн (КВ) при частоте модуляции ниже 15 кГц, а нередко намного ниже частоты звукового диапазона. Благодаря большой памяти осциллограмм осциллографы серии RTO легко перекрывают этот диапазон и позволяют исследовать реальные устройства, используя как простую, так и сложную АМ (например, с подавленной несущей и с одной боковой полосой).

На рис. 13 показаны осциллограммы синусоиды и ее спектра при АМ с различной глубиной модуляции и при ее отсутствии (рис. 13a). Осциллограф серии RTO легко фиксирует даже малую паразитную модуляцию, часто присущую реальным устройствам (рис. 13б). Легко строится спектр и сигналов со 100%-ной модуляцией в логарифмическом (рис. 13в) и в линейном масштабе (рис. 13г).

Осциллограммы синусоиды и ее спектра

Рис. 13. Осциллограммы синусоиды и ее спектра:
a) немодулированной;
б) с паразитной АМ;
в) 100% в логарифмическом;
г) 100% в линейном масштабе

На практике широко применяются и другие виды модуляции с более сложными спектрами. Для сравнения на рис. 14 показано построение осциллограмм сигналов с амплитудной AM, частотной манипуляции, частотной модуляции FМ, синусоидальным сигналом и качающейся частотой (сигнал свип-генератора). Определить вид модуляции по осциллограмме нельзя, хотя опытным взглядом его можно грубо оценить по плотности цвета осциллограммы сигнала. Зато спектр сигнала позволяет получить подробные данные о типе модуляции и ее глубине. Правда, для этого надо знать довольно специфические положения теории модуляции.

Осциллограммы и спектры сигналов с различными видами модуляции

Рис. 14. Осциллограммы и спектры сигналов с различными видами модуляции:
а) амплитудной при линейном масштабе и прямоугольном окне;
б) частотной манипуляции при логарифмическом масштабе;
в) частотной модуляции;
г) качании частоты

Изменение частоты по линейному закону (рис. 14г) обычно применяется в генераторах качающейся частоты (свип-генераторах) для снятия амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) радиоприемных устройств, резонансных и избирательных усилителей, фильтров и других компонентов радиоэлектронных устройств. Их спектр в реальном масштабе времени представляет собой одиночный пик, плавно перемещающийся по оси частот (горизонтальной оси спектра). При низкой скорости перемещения он легко фиксируется осциллографом серии RTO, а при высокой удается получить лишь довольно наглядную картину огибающей спектра. Как и следовало ожидать, в полосе качающейся частоты она имеет горизонтальный участок постоянства уровня сигнала (он и используется для построения АЧХ тестируемых устройств). К сожалению, без дополнительных опций построение спектрограмм в плоскости частота-время-амплитуда у осциллографов серии RTO не предусмотрено (рис. 15).

Осциллограф с набором тестовых антенн

Рис. 15. Осциллограф с набором тестовых антенн

 

Спектр сложных сигналов со многими частотными компонентами

Спектр сигналов УКВ‑радиостанций (и источников электромагнитного излучения) реального эфира показан на рис. 16а для диапазона частот 100–120 МГц. Отчетливо видны пики спектра всех работающих в реальном времени радиостанций. Применение цветной персистенции (рис. 16б) делает построение спектра более наглядным в сравнении с монохромным представлением спектра. Установка параметров персистенции и цветового оформления осуществляется из позиции Display (открытой на рис. 16а) меню Window.

Осциллограмма и спектр: а) УКВ радиодиапазона; б) с применением цветной персистенции

Рис. 16. Осциллограмма и спектр:
а) УКВ радиодиапазона;
б) с применением цветной персистенции

Может осуществляться измерение высоты пиков спектров с помощью курсоров и автоматическое измерение этого параметра (рис. 13в, г). Возможно также автоматическое размещение до 10 курсоров с нумерацией по высоте обнаруженного пика (рис. 17).

Автоматическое размещение до 10 курсоров

Рис. 17. Автоматическое размещение до 10 курсоров

 

Осциллограф RTO в роли векторного анализатора спектра

В числе математических функций осциллографов серии RTO есть функции спектрального анализа в комплексной области, обычно присущие сложным и дорогим векторным анализаторам спектра и сигналов. В этих устройствах сигналы представляются на комплексной плоскости вращающимся радиус-вектором, конец которого характеризуется координатами I и Q на комплексной плоскости для каждого момента времени. Обработка таких сигналов методом БПФ позволяет учитывать фазу сигналов. Это необходимо для решения сложных задач спектрального анализа, например обработки сигналов с кодоимпульсной фазовой манипуляцией. У таких сигналов частота остается постоянной, а каждый разряд цифровой кодоимпульсной модуляции соответствует определенному положению радиус-вектора (или его концевой точки) на комплексной плоскости.

Всего есть пять функций векторного БПФ:

  • FFT — результат БПФ над отсчетами сигнала.
  • |FFT| — модуль результата БПФ.
  • dj/dt FFT — групповая задержка.
  • re FFT — действительная часть результата БПФ.
  • inFFT — мнимая часть результата БПФ.

Соответственно, эти функции позволяют строить зависимости (графики) магнитуды и фазы j от частоты, а также действительной и мнимой частей магнитуды (рис. 18). Спецификой вычислений является то, что они выполняются в определенном диапазоне частот и значений фазы. Если фаза выходит за пределы своих минимального и максимального значений, происходит скачок фазы (можно задать и непрерывное изменение фазы).

Синусоидальный сигнал и характеристики комплексного спектра

Рис. 18. Синусоидальный сигнал и характеристики комплексного спектра:
а) со скачками фазы;
б) с непрерывной фазой;
в) с действительной частью магнитуды;
г) с мнимой частью магнитуды

 

Построение АЧХ с помощью спектров

Важным параметром многих устройств является их амплитудно-частотная характеристика. У осциллографов она непосредственно определяет реальные границы диапазона частот спектрального анализа и его погрешность. Разработчики осциллографов отдают предпочтение гауссовской кривой АЧХ. График наглядно демонстрирует высокую степень сходства с идеальной АЧХ.

Для построения АЧХ созданы генераторы качающейся частоты, свип-генераторы и измерители АЧХ, в составе которых есть и осциллограф для построения графиков АЧХ. Эту функцию могут выполнять и осциллографы серии RTO. На рис. 19 показаны примеры применения осциллографа серии RTO совместно с цифровым генератором произвольных функций Tektronix AFG3101. В данном случае он используется как генератор качающейся частоты (вплоть до 100 МГц) и генератор широкополосного белого шума.

Построение AЧХ резонансного контура

Рис. 19. Построение AЧХ резонансного контура:
а) с индуктивной связью c прямоугольным окном;
б) с окном Блэкмана — Харриса;
в) двухконтурного полосового фильтра;
г) оценка АЧХ белого шума

Спектральный анализ позволяет использовать различные и более сложные методы построения АЧХ, например с применением генераторов с равномерной плотностью спектра или с равномерным спектром дискретных гармоник (в частности, с формой функции sin(x )/x) или с генератором белого шума — рис. 12). Полезен и метод вычисления АЧХ как производной сигнала, над которой выполняется операция дифференцирования (рис. 20).

Сигналы с коротким перепадом, их производная и АЧХ

Рис. 20. Сигналы с коротким перепадом, их производная и АЧХ

Замечательно, что в этом методе конкретная форма импульса слабо влияет на вид АЧХ, построенной подобным методом. Важно, чтобы сигнал содержал максимально короткие фронты (перепады) и стробировался по возможности на их отрезках времени. Однако операция дифференцирования весьма чувствительна к шумам и величине усреднения осциллографа. Это надо учитывать при применении данного метода.

 

Снятие АЧХ осциллографа с помощью трекинг-генератора

Как уже отмечалось, полоса частот осциллографов в режиме БПФ ограничена полосой частот аналоговых каналов с учетом пробников, соединительных кабелей и других факторов, влияющих на реальную АЧХ и ее равномерность. При полосе частот порядка 1 ГГц и выше снятие реальной АЧХ довольно сложно. Однако для решения этой задачи можно воспользоваться подходящим анализатором спектра с трекинг-генератором, имеющим максимальную частоту в 2–3 раза выше, чем у осциллографа. Для 1‑ГГц осциллографа R&S RTO использовался анализатор спектра АКС‑1301 с максимальной частотой трекинг-генератора (опция АКС‑1301‑TRK) предельной частотой 3 ГГц. Частотный диапазон трекинг-генератора устанавливается анализатором спектра, а неравномерность его АЧХ устраняется специальной калибровкой.

После калибровки трекинг-генератора его выход подключается к аналоговому входу осциллографа и устанавливается время качания 1 мс. На осциллографе устанавливается масштаб развертки 100 мкс/дел. (1 мс на всю шкалу) и наблюдается участок осциллограммы начиная с начала генерации высокой частоты генератором (он виден как скачок напряжения) — рис. 21.

Полная АЧХ в диапазоне генератора до 3 ГГц

Рис. 21. Полная АЧХ в диапазоне генератора до 3 ГГц:
а) при входе 50 Ом и полной полосе осциллографа 1 ГГц;
б) при использовании активного пробника на 1 ГГц;
в) при сужении полосы аналогового канала до 200 МГц и входе 50 Ом;
г) при использовании стандартного пробника 1/10

Как видно на рис. 21, равномерная полоса частот до 1 ГГц и даже немного выше у тестируемого 1‑ГГц осциллографа достигается только в согласованном режиме и входе 50 Ом (рис. 21а). Чуть хуже полосу дает активный пробник с малой входной емкостью (менее 1 пФ), у которого входное сопротивление 1 МОм. Он очень мало нагружает тестируемые цепи и схемы. Правда, у него заметна неравномерность АЧХ (рис. 21б), но ее осцилляции имеют частоту в несколько раз выше максимальной частоты сигнала (следствие очень малой входной емкости) и потому практически незаметны. Отчетливо видно резкое снижение полосы частот при ее установке на значение 200 МГц (рис. 21в), возможной в каждом аналоговом канале. Стандартный пробник нужно применять только при полосе частот исследуемых сигналов не выше 200–300 МГц (рис. 21г). Иногда можно расширить их полосу и уменьшить выбросы после коротких перепадов, удалив заземляющий провод с крокодилом и колпачком с пружинным крючком. Однако это в большинстве случаев очень неудобно.

В целом эта методика оценки АЧХ дает наиболее объективные и быстрые данные как для временного, так и для спектрального анализа. Однако к точным измерениям она приспособлена не очень хорошо и ее следует применять при качественных оценках.

 

Спектральный анализ джиттера

Нестабильность параметров сигналов и устройств оценивается джиттером. Классификация основных видов джиттера представлена на рис. 22. В подробном обзоре [7] рассмотрены методы оценки джиттера во временной и частотной областях.

Классификация джиттера

Рис. 22. Классификация джиттера

Так называемая функция кривой позволяет проводить БПФ кривой благодаря наличию временной информации. Это существенное преимущество осциллографов реального масштаба времени, таких как RTO, по сравнению со стробоскопическими осциллографами. Традиционные стробоскопические осциллографы используются для анализа джиттера, но их возможности ограничиваются получением гистограммы данных. Если сигнал не имеет явно выраженной модуляции, то кривая джиттера похожа на шумовой сигнал. В таком случае преимущества использования спектра кривой сигнала удваиваются. Во‑первых, малые сигналы, не определяемые из-за шума во временной области, в спектральном представлении становятся видимыми. Во‑вторых, спектр кривой сигнала показывает минимальный уровень шума, что эквивалентно мощности сигнала, а форма спектра джиттера указывает на источники шума.

В меню Windows осциллографов R&S RTO в позиции анализа имеется доступ к мастеру Jitter Wizard, в частности устанавливающему показ спектра исследуемого сигнала (рис. 23).

Виртуальная панель выбора вариантов графического представления джиттера мастером Jitter Wizard

Рис. 23. Виртуальная панель выбора вариантов графического представления джиттера мастером Jitter Wizard

Ограничимся примером демонстрации результирующего джиттера периода прямоугольного сигнала (рис. 24). Ряд других примеров описан в [7].

Мастер Jitter Wizard: результирующий спектр джиттера периода

Рис. 24. Мастер Jitter Wizard: результирующий спектр джиттера периода

 

Заключение

Новейшие осциллографы высокой четкости серии RTO фирмы Rohde & Schwarz обладают обширными возможностями простого и расширенного спектрального анализа, по существу превращающими осциллограф в высококачественный векторный анализатор спектра самых различных сигналов. Он применим в частотном диапазоне, охватывающем сигналы от инфранизких частот до верхней частоты аналоговых каналов осциллографа (вплоть до 4 ГГц у старших моделей). При этом сохраняются все удобства, связанные с наличием низкоомных (50 Ом) согласованных и высокоомных (1 и 10 МОм) входов и многих типов осциллографических пробников.

Литература
  1. Дьяконов В. П. Современная осциллография и осциллографы. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.
  2. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики. М.: ДМК-Пресс, 2009.
  3. Дьяконов В., Струнин П. Компания Rohde & Schwarz: от европейского к мировому лидерству! // Компоненты и технологии. 2015. № 6.
  4. Дьяконов В., Струнин П. Основы работы с осциллографами высокой четкости R&S RTO // Компоненты и технологии. 2015. № 7
  5. R&S RTO Digital Oscilloscope User Manual. Rohde & Schwarz, 2015.
  6. Осциллографы цифровые R&S RTO. Руководство по эксплуатации. Rohde & Schwarz, 2013.
  7. Анализ джиттера с помощью цифрового осциллографа R&S RTO. Указания по применению. Rohde & Schwarz, 2013. rohde-schwarz.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *