راهنمای استفاده از اسپکتروم آنالایزر : چه هستند، چه چیزی را اندازه گیری می کنند و چگونه از آنها استفاده کنید

یک اسپکتروم آنالایزر، اندازه سیگنال ورودی در مقابل فرکانس را در محدوده فرکانس کامل دستگاه اندازه گیری می کند. استفاده اولیه اندازه گیری توان طیف سیگنال های شناخته شده و ناشناخته است.   با توجه به چالش توصیف رفتار دستگاه‌های RF امروزی، لازم است بدانیم که چگونه پارامترهای فرکانس، دامنه و مدولاسیون در بازه‌های زمانی کوتاه و طولانی رفتار می‌کنند.

ابزارهای سنتی مانند Swept Spectrum Analyzers (SA) و Vector Signal Analyzers (VSA) تصاویری فوری از سیگنال در حوزه فرکانس یا حوزه مدولاسیون ارائه می دهند. این اغلب اطلاعات کافی برای توصیف با اطمینان ماهیت دینامیکی سیگنال‌های RF مدرن نیست. برای غلبه بر این چالش‌های در حال تحول، برای مهندسان و دانشمندان امروزی بسیار مهم است که بتوانند سیگنال‌های RF را که در طول زمان تغییر می‌کنند، به‌طور قابل اعتماد شناسایی و مشخص کنند، چیزی که به راحتی با ابزارهای اندازه‌گیری سنتی انجام نمی‌شود.

اسپکتروم آنالایزر بلادرنگ (RSA) ابزاری است که می‌تواند اثرات گریزان در سیگنال‌های RF را کشف کند، آن اثرات را فعال کند، آنها را به طور یکپارچه در حافظه ثبت کند و آنها را در حوزه‌های فرکانس، زمان، مدولاسیون، آماری و کد تحلیل کند.

همانطور که سیگنال های RF در دنیای مدرن همه جا حاضر شده اند، مشکلاتی نیز در ارتباط با تداخل بین دستگاه های تولید کننده آنها وجود دارد. برای غلبه بر چالش‌های در حال تکامل، برای مهندسان و دانشمندان امروزی بسیار مهم است که بتوانند سیگنال‌های RF را که در طول زمان تغییر می‌کنند، به‌طور قابل اعتماد شناسایی و مشخص کنند، چیزی که به راحتی با ابزارهای اندازه‌گیری سنتی انجام نمی‌شود.

یکی از این ابزارهای اندازه گیری که برای حفظ آن تکامل یافته است، آنالیزگر Real-Time Spectrum است. یک اسپکتروم آنالایزر بلادرنگ می‌تواند به اکثر چالش‌های مدرن اندازه‌گیری RF کمک کند، مانند: کشف رویدادهای نادر و کوتاه مدت. دیدن سیگنال های ضعیف پوشانده شده توسط سیگنال های قوی تر. مشاهده سیگنال های پوشانده شده توسط نویز، یافتن و تجزیه و تحلیل سیگنال های گذرا و دینامیک. گرفتن انتقال انفجاری، اشکالات، سوئیچینگ گذرا، فقط به نام چند.

انواع اصلی اسپکتروم آنالایزر
اسپکتروم آنالایزرها را می توان با توجه به معماری آنها در 3 دسته اصلی طبقه بندی کرد: Swept Spectrum Analyzers (SA) and Vector Signal Analyzers (VSA) and Real-time Spectrum Analyzers (RSA). 

1-اسپکتروم آنالایزرهای سوییپ  (SA)
اسپکتروم آنالایز سوپرهتروداین تنظیم شده، معماری سنتی است و برای مشاهده سیگنال های کنترل شده و ایستا مناسب است. SA با تبدیل سیگنال مورد نظر و عبور دادن آن از طریق باند عبور فیلتر پهنای باند وضوح (RBW) قدرت را در مقابل فرکانس اندازه گیری می کند. فیلتر RBW توسط یک آشکارساز دنبال می شود که دامنه را در هر نقطه فرکانس در محدوده انتخاب شده محاسبه می کند. در حالی که این روش می تواند محدوده دینامیکی بالایی را ارائه دهد، نقطه ضعف آن این است که فقط می تواند داده های دامنه را برای یک نقطه فرکانس در یک زمان محاسبه کند. در نتیجه، اندازه‌گیری‌ها فقط برای سیگنال‌های ورودی نسبتاً پایدار و بدون تغییر معتبر هستند، در نتیجه، اندازه‌گیری‌ها فقط برای سیگنال‌های ورودی نسبتاً پایدار و بدون تغییر معتبر هستند.

2-وکتور سیگنال آنالایزر (VSA)
تجزیه و تحلیل سیگنال های حامل مدولاسیون دیجیتال به اندازه گیری های برداری نیاز دارد که هم مقدار و هم اطلاعات فاز را ارائه می دهد. VSA تمام توان RF را در باند عبور ابزار دیجیتالی می کند و شکل موج دیجیتالی شده را در حافظه قرار می دهد. شکل موج در حافظه حاوی اطلاعات اندازه و فاز است که می تواند توسط پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) برای دمدولاسیون، اندازه گیری ها یا پردازش نمایش استفاده شود. در حالی که VSA توانایی ذخیره شکل موج ها را در حافظه اضافه کرده است، توانایی آن در تجزیه و تحلیل رویدادهای گذرا محدود است. ماهیت سریال پردازش دسته ای رایج به این معنی است که ابزار به طور موثری نسبت به رویدادهایی که بین خریدها رخ می دهد کور است. رویدادهای منفرد یا نادر را نمی توان به طور قابل اعتماد کشف کرد، بنابراین ممکن است تحریک خارجی ضروری باشد و نیاز به دانش قبلی غیرعملی از این رویدادهای گذرا دارد.   از دیگر محدودیت‌های VSA می‌توان به چالش در جداسازی سیگنال‌های ضعیف در حضور سیگنال‌های بزرگ‌تر و سیگنال‌هایی که فرکانس تغییر می‌کنند، اما نه دامنه، اشاره کرد.

3-اسپکتروم آنالایزرهای بلادرنگ (RSA)
RSA تجزیه و تحلیل سیگنال را با استفاده از پردازش سیگنال دیجیتال بلادرنگ (DSP) انجام می دهد که قبل از ذخیره سازی حافظه انجام می شود، برخلاف پردازش پس از اکتساب که در معماری VSA رایج است. پردازش زمان واقعی به کاربر اجازه می دهد تا رویدادهایی را که برای معماری های دیگر نامرئی هستند کشف کند و آن رویدادها را فعال کند و امکان ثبت انتخابی آنها را در حافظه فراهم کند. سپس داده های موجود در حافظه را می توان به طور گسترده در حوزه های مختلف با استفاده از پردازش دسته ای تجزیه و تحلیل کرد. موتور DSP بلادرنگ نیز برای انجام تهویه سیگنال، کالیبراسیون و انواع خاصی از تجزیه و تحلیل استفاده می شود.

تفاوت بین اسپکتروم آنالایزر و اسیلوسکوپ چیست؟
اسیلوسکوپ ها و اسپکتروم آنالایزرها دو مورد از مهمترین ابزارها در هر آزمایشگاه الکترونیکی هستند. به زبان ساده، یک اسپکتروم آنالایز برای اندازه گیری اطلاعات فرکانس روی یک سیگنال استفاده می شود، در حالی که از اسیلوسکوپ ها برای اندازه گیری اطلاعات زمان بندی در اطراف سیگنال استفاده می شود.   با این حال، در زندگی واقعی، ماهیت سیگنال‌ها از قبل مشخص نیست، بنابراین داشتن هر دو ابزار امکان توصیف صحیح سیگنال را فراهم می‌کند. توجه به این نکته مهم است که دامنه های اسپکتروم آنالایزر هر دو ابزار را در یک دارند تا امکان اندازه گیری جامع تری از سیگنال یا قابلیت حمل در محیط های خاص را فراهم کنند.   قابلیت‌های بسیار حساس‌تر یا اندازه‌گیری‌های فوری یک RSA تنها برخی از دلایلی است که می‌توان یک سیگنال آنالایزر را به عنوان یک ابزار جداگانه انتخاب کرد.

اسپکتروم آنالایزر چه چیزی را اندازه گیری می کنند؟
اسپکتروم آنالایزرها برای بسیاری از اندازه گیری ها از جمله:
ویژگی های پاسخ فرکانس، نویز و اعوجاج انواع مدارهای فرکانس رادیویی
پهنای باند اشغال شده و منابع تداخل در مخابرات
تست اولیه پیش انطباق برای تست EMC
سایر تکنیک‌های اندازه‌گیری شامل راه‌اندازی تحلیلگر طیف برای آزمایش هارمونیک سیگنال‌های صوتی توسط نوازندگان و مهندسان صدا، استفاده از تکنیک‌های بازتابی یا انکساری برای جدا کردن طول‌موج‌های نور با تحلیلگرهای طیف نوری، و دامنه‌های ارتعاش در فرکانس‌های اجزای مختلف در میان بسیاری دیگر است. تکنیک‌های اندازه‌گیری که استفاده می‌کنید به برنامه شما بستگی دارد، اما امیدواریم این اصول اولیه برای شروع کافی باشد.

چرا از اسپکتروم آنالایزر استفاده کنیم؟
با توجه به چالش توصیف رفتار دستگاه‌های RF امروزی، لازم است بدانیم که چگونه پارامترهای فرکانس، دامنه و مدولاسیون در بازه‌های زمانی کوتاه و طولانی رفتار می‌کنند. ابزارهای سنتی مانند Swept Spectrum Analyzers (SA) و Vector Signal Analyzers (VSA) تصاویری فوری از سیگنال در حوزه فرکانس یا حوزه مدولاسیون ارائه می دهند. این اغلب اطلاعات کافی برای توصیف با اطمینان ماهیت دینامیکی سیگنال‌های RF مدرن نیست.

معماری Real-Time Spectrum Analyzer (RTSA) برای غلبه بر محدودیت‌های اندازه‌گیری SA و VSA طراحی شده است تا چالش‌های مرتبط با سیگنال‌های RF گذرا و پویا را برطرف کند. Real-Time Spectrum Analyzer تجزیه و تحلیل سیگنال را با استفاده از پردازش سیگنال دیجیتال بلادرنگ (DSP) انجام می دهد که قبل از ذخیره سازی حافظه انجام می شود. پردازش زمان واقعی به کاربر این امکان را می‌دهد تا رویدادهایی را که برای معماری‌های دیگر نامرئی هستند کشف کند و آن رویدادها را فعال کند و امکان ضبط انتخابی آنها را در حافظه فراهم کند. سپس داده های موجود در حافظه را می توان به طور گسترده در حوزه های مختلف با استفاده از پردازش دسته ای تجزیه و تحلیل کرد.

یک اسپکتروم آنالایزر چگونه کار می کند؟
RSA های مدرن می توانند در هر جایی در محدوده فرکانس ورودی تحلیلگر، یک باند عبور یا گستره داشته باشند. در قلب این قابلیت، یک مبدل پایین RF به دنبال یک بخش فرکانس میانی باند پهن (IF) قرار دارد. یک ADC سیگنال IF را دیجیتالی می کند و سیستم تمام مراحل بعدی را به صورت دیجیتالی انجام می دهد. الگوریتم‌های DSP تمام عملکردهای شرطی‌سازی و تحلیل سیگنال را انجام می‌دهند.

برای اینکه اسپکتروم آنالایزر به عنوان زمان واقعی طبقه بندی شود، تمام اطلاعات موجود در محدوده مورد علاقه باید به طور نامحدود و بدون شکاف پردازش شوند. یک RTSA باید تمام اطلاعات موجود در شکل موج حوزه زمان را بگیرد و آن را به سیگنال های حوزه فرکانس تبدیل کند. برای انجام این کار در زمان واقعی نیاز به چندین نیاز پردازش سیگنال مهم است:

پهنای باند جذب کافی برای پشتیبانی از تجزیه و تحلیل سیگنال مورد نظر
نرخ کلاک ADC به اندازه کافی بالا که از معیار Nyquist برای پهنای باند ضبط فراتر رود
یک بازه تحلیل به اندازه کافی طولانی برای پشتیبانی از پهنای باند رزولوشن (RBW) مورد علاقه
نرخ تبدیل DFT به اندازه کافی سریع که از معیار Nyquist برای RBW مورد علاقه فراتر رود
نرخ‌های DFT بیش از معیارهای Nyquist برای RBW به فریم‌های DFT همپوشانی دارند:
مقدار همپوشانی بستگی به عملکرد پنجره دارد
تابع پنجره توسط RBW تعیین می شود

برای چه برنامه هایی می توانید از Spectrum Analyzer استفاده کنید؟
چه در میدان باشید و چه در آزمایشگاه، یک آنالایزر Real-Time Spectrum را می توان برای چندین برنامه کاربردی مانند: ارتباطات صوتی و داده ای (مانند ارتباطات رادیویی سلولی یا رادیویی) استفاده کرد. پخش ویدئو از طریق ماهواره با استفاده از فرمت های DVB-S و DVB-S2 و ویدئوهای دیجیتال با استفاده از فرمت DVB-T پخش می شود. رادار، مانند تجزیه و تحلیل تست فرستنده رادار؛ و مدیریت طیف و شکار تداخل.

یکی از محبوب ترین برنامه ها تست شبکه محلی بی سیم (WLAN) است که به عنوان تست Wi-Fi نیز شناخته می شود.

نحوه استفاده از Spectrum Analyzer برای تست Wi-Fi
شبکه‌های محلی بی‌سیم در دهه گذشته همه‌جا فراگیر شده‌اند، زیرا محاسبات در دفتر، خانه و ارتباطات شخصی فراگیر شده است. از مشخصات اولیه Wi-Fi به عنوان استاندارد IEEE 802.11 در باند فرکانسی بدون مجوز صنعتی، علمی و پزشکی 2.4 گیگاهرتز (ISM)، Wi-Fi بیش از نیم دوجین بازنگری شده و از کانال 2 مگابیت بر ثانیه پیشرفت کرده است. به چندین کانال با توان خروجی بیش از 1 گیگابیت بر ثانیه. باندهای فرکانس در حال حاضر شامل 2.4 گیگاهرتز، 3.6 گیگاهرتز، 5 گیگاهرتز و 60 گیگاهرتز است. در حال حاضر محبوب ترین انواع 802.11g (2.4 گیگاهرتز)، 802.11n (2.4 و 5 گیگاهرتز) و 802.11ac (5 گیگاهرتز) هستند.

آزمایش انتقال WLAN با استانداردهای جدیدتر می تواند چالش هایی را ایجاد کند. پیاده سازی های اختیاری برای پهنای باند کانال، نوع مدولاسیون و تعداد جریان های فضایی وجود دارد. یک آنالایزر طیف باید پهنای باند بلادرنگ 120 مگاهرتز برای آزمایش یک کانال WLAN 80 مگاهرتز برای اندازه‌گیری تست‌های ماسک گسیل طیف فرستنده داشته باشد، مگر اینکه روش تریگر خارجی وجود داشته باشد که اجازه راه‌اندازی در خارج از پهنای باند IF را بدهد.

یک ابزار آزمایشی همچنین باید دارای مشخصات خطی و نویز کافی باشد تا امکان اندازه‌گیری EVM بسیار کم را که برای اجرای مدولاسیون 256QAM لازم است، داشته باشد. از آنجایی که دستگاه EVM باید کمتر از -32 دسی بل برای کدگذاری 256QAM 5/6 باشد، یک تحلیلگر طیف باید حداقل 10 دسی بل بهتر از آن باشد یا کمتر از 42 دسی بل به منظور اندازه گیری دقیق سیگنال بدون ایجاد اعوجاج. در نهایت، برای آزمایش جریان‌های فضایی چندگانه، تجهیزات آزمایش باید تا 8 کانال ضبط مستقل داشته باشند که همگام‌سازی شده‌اند تا امکان اندازه‌گیری دقیق فاز از چندین آنتن را فراهم کنند.

اسپکتروم آنالایزر بیدرنگ Tektronix در سطح پایین دارای پهنای باند بلادرنگ 40 مگاهرتز هستند که برای مشخص کردن و رمزگشایی کانال های WLAN 40 مگاهرتز کافی است. امکان همگام سازی این ابزارها وجود دارد، بنابراین چندین کانال فضایی WLAN را می توان ضبط و تجزیه و تحلیل کرد.

فرستنده‌های Wi-Fi را می‌توان با آزمایش ماسک گسیل طیف برای کانال‌های وسیع‌تر از 40 مگاهرتز نیز مشخص کرد، زیرا پهنای باند بی‌درنگ گسترده‌ای برای این نوع آزمایش لازم نیست، مشروط بر اینکه روشی برای راه‌اندازی در انفجار سیگنال موجود باشد، همانطور که قبلاً بحث شد. . تحلیلگرهای طیف Tektronix پیشرفته دارای پهنای باند بلادرنگ 165 مگاهرتز هستند که برای مشخص کردن کامل کانال های WLAN 160 مگاهرتز کافی است. RSA5100B دارای مشخصات EVM باقیمانده -49 dBm است که برای آزمایش مدولاسیون پیچیده مانند 256QAM بیش از اندازه کافی است.