Записки программиста

Некоторое время назад я обзавелся анализатором спектра. Выбор пал на модель Rigol DSA815-TG. Рабочая частота устройства — от 9 кГц до 1.5 ГГц. Есть встроенный следящий генератор. Устройство, прямо скажем, не из дешевых. На момент написания этих строк розничная цена Rigol DSA815-TG составляла около 1500$, примерно как у неплохого ноутбука. Так что же это за устройство такое и почему оно стоит своих денег? Давайте разберемся.

Анализатор спектра на пальцах

С точки зрения идеи, анализатор спектра похож на осциллограф, только осциллограф показывает сигналы во временной области (time domain), а анализатор спектра — в частотной области (frequency domain).

Можно думать об осциллографе, как об очень продвинутом вольтметре. По оси OX у осциллографа находится время, а по OY — напряжение. Осциллографу важно измерять сигнал как можно чаще. Это позволяет ему как можно более точно отобразить сигнал на дисплее. Обычно осциллографы имеют от 2 до 4 каналов (входов) с высоким импедансом, порядка 1 МОм.

Анализатор спектра работает иначе, и в целом напоминает радиоприемник, а не вольтметр. Он сравнительно небыстро идет по заданному интервалу частот, измеряет уровень сигнала на каждой частоте, и отображает АЧХ измеряемого усилителя, фильтра, или чего-то такого. Генераторы могут быть измерены анализатором спектра напрямую. Для измерения усилителей, фильтров или аттенюаторов используется следящей генератор. Он подает на вход измеряемого устройства сигнал с известным уровнем и в точности на той частоте, на которой анализатор спектра сейчас измеряет сигнал. Пройдясь таким образом по заданному интервалу частот, получаем АЧХ. По оси OX анализатор спектра показывает частоту, а по OY — децибелы. Устройство имеет один выход (выход следящего генератора) и один вход, оба с импедансом 50 Ом (в некоторых моделях 75 Ом).

Важно! Существует модель Rigol DSA815, без TG в названии. Это устройство не имеет следящего генератора (tracking generator) и практически бесполезно. Я не могу представить, кто и для каких задач стал бы покупать анализатор спектра без следящего генератора.

Заметьте, что анализатор спектра ничего не знает об изменении фазы сигнала. По этой причине с его помощью нельзя, к примеру, получить фазово-частотную характеристику (ФЧХ, phase response) фильтра. Для решения подобных задач используется другой класс устройств, векторные анализаторы цепей (vector network analyzer, VNA).

Но зачем?

Если вы давно следите за этим блогом, то знаете, что АЧХ фильтра можно построить с помощью генератора сигналов и осциллографа. Если же не хватает максимальной частоты генератора или полосы пропускания осциллографа, то можно воспользоваться генератором шума и RTL-SDR. Раз задачу можно решить другими инструментами, то зачем тратиться на анализатор спектра?

Проблема тут вот в чем. Первый метод безусловно работает, но он очень, очень медленный. Допустим, вы хотите получить АЧХ фильтра на интервале от 0 до 25 МГц с замером через каждые 100 кГц. Сделать и записать один замер — это ну пусть будет 5 секунд. Суммарно выходит 20 минут. Но ведь амплитуда сигнала на выходе генератора тоже меняется с частотой, а еще существуют потери в кабелях и т.п. В общем, baseline тоже нужно замерить. Суммарно это уже 40 минут, плюс какое-то время на построить график в LibreOffice. Но это еще не все. Фильтры же хочется подстраивать — крутить КПЕ, растягивать катушки и так далее. Сколько раз подстраивали, столько раз и прибавляем 20 минут. Легко видеть, что использовать этот метод на регулярной основе, мягко говоря, проблематично.

Способ, основанный на генераторе шума и SDR несколько быстрее. Один запуск утилиты rtl_power (полный sweep) занимает около двух минут. Однако этот метод дает ненадежные, плохо повторяемые результаты. В процессе работы генератора шума меняется температура генератора, а вместе с ней и спектр шума. Поэтому все измерения приходится повторять несколько раз, дабы убедиться, что мы не намерили ерунду. И даже после этого нет полного доверия к полученным цифрам. А если еще хочется покрутить КПЕ и порастягивать катушки, то можно сразу расходиться.

Можно еще вспомнить про то, что осциллограф умеет делать быстрое преобразование Фурье (FFT), которое тоже как бы показывает спектр. Не скажу за все осциллографы, но в моем Rigol DS1054Z эта функция совершенно игрушечная. Графики рисуются маленькие, и на них сложно что-то разглядеть, курсоры не занесли, следящий генератор, опять же, не занесли, и так далее. Кроме того, помним, что полоса пропускания «разогнанного» DS1054Z составляет лишь 100 МГц. Значит, у генератора с частотой выше 20 МГц мы не увидим даже 5-ой гармоники. (Точнее, есть шанс ее увидеть, но с какой-то, неизвестной нам, аттенюацией.)

Для сравнения, анализатор спектра строит АЧХ чего угодно моментально и также моментально перестраивает, пока вы крутите КПЕ и растягиваете катушки. Вот просто берет и делает. Безо всех этих сложностей, описанных выше.

Теперь прикинем. Время — ресурс невозобновляемый. Если я потерял 40 минут своей жизни, то я потерял их навсегда, их уже ничто и никогда не вернет. Деньги, с другой стороны, очень даже возобновляемы. Поэтому моя жизненная философия такова: если ты можешь сэкономить себе времени, заплатив за это деньги, соглашайся. Вспомним также, что устройства вроде анализаторов спектра не то чтобы часто ломались или быстро устаревали. Пусть DSA815-TG прослужит мне, ну скажем, десять лет. Это всего лишь 12.5$ в месяц. Могу себе позволить. Наконец, есть основания полагать, что данное устройство поможет мне приобрести новые знания. А мой скромный опыт свидетельствует о том, что инвестиции в себя приносят большие дивиденды.

Тонкости использования

Rigol DSA815-TG является серьезным инструментом, и используется чуточку иначе, чем вы могли привыкнуть. Один из «сюрпризов» поджидает вас при использовании функции TG → Normalize. Когда вы делаете нормализацию, все отрабатывает как надо. В итоге выход следящего генератора принимается равным за 0 dB на выбранном интервале частот. Однако минут через десять, как раз когда вы будете производить измерения, прибор ненадолго подвиснит с сообщением «Calibrating…», после чего покажет плашку «UNCAL». При этом вы заметите, что вся нормализация пошла коту под хвост. Измерения нужно переделывать.

Это поведение описано в «Chapter 4: Troubleshooting & Message» мануала на устройство [PDF]. Дело в том, что для точного снятия показаний анализатору спектра нужно прогреться. Кроме того, по умолчанию в нем включена функция самокалибровки. Когда она включена, устройство само производит калибровку каждые 10 минут первые пол часа работы и раз в час после получаса работы.

Что с этим делать? Проще и правильнее всего — давать устройству пол часа на прогрев после включения. Как альтернативный вариант, вы можете отключить самокалибровку в меню System → Calibrate → Self-Cal. В этом случае вы сможете запустить калибровку вручную в удобное вам время. Это можно сделать в меню System → Calibrate → Cal Now. Следует принять во внимание, что без прогрева точность измерений будет оставлять желать лучшего, с самокалибровкой или без нее.

Эксперименты

В моей домашней лаборатории DSA815-TG разместился на стопке книг за осциллографом DS1054Z:

Пока что я не придумал для него более удачной позиции. Давайте же проведем несколько типичных экспериментов с анализатором спектра.

Например, построим АЧХ режекторного фильтра 88-108 МГц, который ранее мы исследовали в этой заметке:

С помощью маркеров найдем точки -3 дБ:

Устройство сообщает нам частоты 77.666 МГц и 122.500 МГц. Выглядит похожим на то, что мы намерили в прошлый раз.

Будем считать, что УКВ засчитан, и перейдем к КВ. Построим АЧХ режекторного фильтра из коаксиального кабеля:

С помощью так называемых трейсов мы можем видеть на дисплее несколько графиков одновременно. Здесь желтый график соответствует фильтру с разомкнутым концом, а пурпурный график — с закороченным концом. Посмотрим на желтый график. Аттенюация составила -30 дБ на частоте 7.025 МГц и -26 дБ на 21.042 МГц. На пурпурном графике видим -27 дБ на 14.033 МГц и -24 дБ на 28.098 МГц.

На этот раз фильтр все-таки попал на радиолюбительские диапазоны, потому что я не использовал антенный переключатель. Вместо него на конце кабеля был подключен UHF-адаптер «бочка», к которому либо прикручивается, либо не прикручивается закороченный коннектор PL-259. Однако «бочка» все же добавляет кабелю длины, из-за чего частоты смещены ближе к началам диапазонов. Если не подсоединять к кабелю ничего лишнего, то желтый график попадает прямо по центру диапазонов 40 и 15 метров. Отсюда делаем вывод, что в прошлый раз КУ кабеля был измерен правильно, и кабель был обрезан до нужной длины.

С фильтрами все понятно. Давайте посмотрим на спектр LC-генератора Клаппа:

Генератор был предварительно перепаян на частоту 7 МГц. На основной частоте видим 3.4 dBm. На третьей гармонике у нас -10 dBm. Безусловно, сигнал нуждается в фильтрации, и в эфир с ним никак нельзя. Чтобы не создавать помех другим радиолюбителям, гармоники должны быть подавлены на 43+log(P) дБ, где P — излучаемая мощность (см Решение заседания ГКРЧ от 26.09.2005 [PDF]). Также мы помним, что этот генератор легко уплывает по частоте, но это уже другая проблема.

Важно! Максимально допустимый уровень сигнала на входе Rigol DSA815-TG составляет 20 dBm, или 0.1 Вт, или, что тоже самое, 3.16 Vpp. Исследуемый генератор никогда не выдавал больше 2.7 Vpp, поэтому его безопасно подключать с анализатору спектра напрямую. Более мощные сигналы следует подавать через аттенюатор. Заметьте также, что не всякий анализатор спектра допускает подачу на вход постоянного тока. Если у входа вашего анализатора написано «Max 0V DC», всегда используйте развязку по постоянному току. В случае с Rigol DSA815-TG на входе допускается до 50 В постоянки.

Заключение

Итак, мы узнали, в каких задачах полезен анализатор спектра, и как он позволяет сэкономить буквально часы времени. Однако возможные применения анализатора спектра не ограничиваются приведенным списком. Например, при помощи направленного ответвителя или КСВ-моста DSA815-TG можно использовать для измерения КСВ антенн. У меня, конечно, для этой задачи есть антенный анализатор EU1KY, но частота 1.5 ГГц ему и не снилась. В эфире на частотах от 450 до 1500 МГц живут, например, ADS-B и радиолюбительский диапазон 23 см. Измерение КСВ с помощью анализатора спектра будет описано в одном из будущих постов.

Fun fact! Rigol выпускает КСВ-мосты серии VB10xx. Например, Rigol VB1020 на диапазон частот от 1 МГц до 2 ГГц. Но стоят такие мосты как чугунные. То есть, как половина самого DSA815-TG. Существуют куда более бюджетные аналоги.

Я не стал останавливаться на вопросах какую кнопку где нажимать, чтобы получить приведенные выше картинки, потому что интерфейс у Rigol DSA815-TG очень простой. Достаточно провести за ним 15 минут, и все становится понятно. Если, тем не менее, вам хочется посмотреть, как пользоваться этим устройством, рекомендую видео DSA815 TG Basic Spectrum Analysis и DSA815 TG Basic Tracking Generator, снятые James Eagleson. Помимо этих двух видео на канале Джеймса вы найдете много других примеров использования Rigol DSA815-TG. Если же вам интересно, что находится внутри анализатора спектра, рекомендую видео Rigol DSA815 Spectrum Analyser Teardown на YouTube-канале EEVblog.

Дополнение: В продолжение темы об анализаторе спектра смотри заметки об измерении параметров усилителей и диаграмм направленности антенн, а также пробниках ближнего поля. Еще вас может заинтересовать обзор генератора сигналов / частотомера Rigol DG4162 и векторного анализатора ARINST VNA-PR1.

Метки: Девайсы, Электроника.