Глава 3
Обзор цифровой ПЧ
Начиная с 80-х годов прошлого века одним из самых значительных изменений в анализе спектра стало применение цифровой технологии для замены блоков приборов, которые до этого имели исключительно аналоговое воплощение. С появлением высокопроизводительных АЦП, новые анализаторы спектра стали способны оцифровывать входящий сигнал гораздо быстрее, чем приборы, созданные буквально за пару лет до этого. Наиболее грандиозные улучшения произошли в секции ПЧ анализаторов спектра. Цифровая ПЧ1 произвела сильный эффект улучшения в скорости, точности и способности измерять сложные сигналы, благодаря использованию передовых технологий цифровой обработки сигналов.
Цифровые фильтры
Частичное цифровое воплощение цепей ПЧ имеет место в анализаторах Agilent серии ESA-E. Если полосы разрешения в 1 кГц и шире обычно можно обеспечить традиционными аналоговыми LC-фильтрами и фильтрами на кристаллах, то самые узкие полосы разрешения (от 1 Гц до 300 Гц) реализуются цифровыми способами. Как показано на Рис. 3-1, линейный аналоговый сигнал конвертируется вниз по частоте до 8.5 кГц ПЧ и затем пропускается через полосовой фильтр шириной всего 1 кГц. Этот сигнал ПЧ усиливается, затем замеряется на отметке 11.3 кГц и оцифровывается.
Рисунок 3-1. Цифровое воплощение разрешающих фильтров 1, 2, 10, 30, 100 и 300 Гц в приборах серии ESA-E
Будучи уже в оцифрованном состоянии, сигнал пропускается через алгоритм быстрого преобразования Фурье. Чтобы преобразовать достоверный сигнал, анализатор должен быть в состоянии фиксированной настройки (без развертки). То есть, преобразование должно быть осуществлено над сигналом временной области. Поэтому в анализаторах серии ESA-E вместо непрерывной развертки в режиме цифровых разрешающих полос реализованы ступенчатые инкременты величиной 900 Гц. Такая ступенчатая настройка может наблюдаться на дисплее, который обновляется инкрементами в 900 Гц, пока выполняется цифровая обработка.
Как мы вскоре увидим, другие анализаторы спектра – например, приборы серии PSA, - используют полностью цифровую ПЧ, и все их разрешающие фильтры имеют цифровое исполнение. Ключевым плюсом цифровой обработки, осуществляемой этими анализаторами, является избирательность по полосе примерно 4:1. Такая избирательность доступна на самых узкополосных фильтрах – тех, которые нам нужны для разделения наиболее близко расположенных сигналов.
В Главе 2 мы провели расчет избирательности для двух сигналов, разнесенных на 4 кГц, при использовании 3-килогерцового аналогового фильтра. Давайте повторим этот расчет для случая цифровой фильтрации. Хорошей моделью избирательности цифрового фильтра будет около-гауссовская модель:
где H(Δ f) – уровень отсечки фильтра, дБ;
Δ f – частотная отстройка от центра, Гц;
α – параметр управления избирательностью. Для идеального гауссовского фильтра α=2. Разрешающие фильтры с разверткой, применяемые в анализаторах фирмы Agilent, основаны на около-гауссовской модели с параметром α=2.12, что обеспечивает избирательность 4.1:1.
Подставляя значения из нашего примера в это уравнение, получим:
На отстройке 4 кГц, 3-килогерцовый цифровой фильтр опускается до -24.1 дБ, по сравнению с аналоговым фильтром, который показывал всего -14.8 дБ. Благодаря своей превосходящей избирательности, цифровой фильтр может различить гораздо более близко расположенные сигналы.
Полностью цифровая ПЧ
В анализаторах спектра серии PSA фирмы Agilent впервые было совмещено несколько цифровых технологий, чтобы создать полностью цифровой блок ПЧ. Чисто цифровая ПЧ обеспечивает целый букет преимуществ для пользователя. Комбинация БПФ-анализа для узких и анализа с разверткой для широких полос обзора оптимизирует развертку для обеспечения наибыстрейших измерений. Архитектурно АЦП передвинулся ближе ко входному порту, что стало возможным благодаря усовершенствованиям в аналогово-цифровых преобразователях и другом цифровом оборудовании. Давайте начнем с рассмотрения блок-схемы полностью цифровой ПЧ анализатора серии PSA, изображенной на Рис. 3-2.
Рисунок 3-2. Блок-схема полностью цифровой ПЧ в приборах серии PSA
Здесь все 160 полос разрешения реализованы цифровым способом. Хотя присутствуют и аналоговые цепи перед АЦП, начиная с нескольких ступеней преобразования «вниз» и заканчивая парой однополюсных предварительных фильтров (один LC-фильтр и один фильтр на кристалле). Предварительный фильтр помогает предотвратить попадание искажений третьего порядка в последующую цепь, точно так же, как и в аналоговой реализации ПЧ. Вдобавок, он делает возможным расширение динамического диапазона за счет автоматического переключения диапазонов измерения. Сигнал с выхода однополюсного предварительного фильтра направляется на детектор автоматического переключения и на сглаживающий фильтр.
Как и в случае любой архитектуры ПЧ, основанной на БПФ, сглаживающий фильтр необходим для устранения наложений (вклада внеполосных сигналов в выборку данных АЦП). Этот фильтр – многополюсный, поэтому обладает весомой групповой задержкой. Даже очень резко возрастающий радиочастотный всплеск, перенесенный вниз на ПЧ, испытает задержку на более чем три такта АЦП (30 МГц) при проходе через сглаживающий фильтр. Задержка дает время распознать поступающий сигнал большой величины до того, как он вызовет перегрузку АЦП. Логическая цепь, управляющая детектором автоматического переключения диапазонов, уменьшит усиление перед АЦП, до того, как сигнал туда поступит, чем предотвратит срезание импульса. Если огибающая сигнала будет оставаться низкой продолжительное время, автоподстроечная цепь увеличит усиление, понизив эффективный шум на входе. Цифровое усиление после АЦП также изменяется, чтобы соответствовать аналоговому усилению перед АЦП. Результат – АЦП с «плавающей точкой», очень широким динамическим диапазоном при активированной автоподстройке в режиме развертки.
Рисунок 3-3. Автоподстройка удерживает шум АЦП вблизи несущей и ниже уровня шума гетеродина или характеристики разрешающего фильтра
На Рис. 3-3 показано поведение анализатора серии PSA при развертке. Однополюсный предварительный фильтр позволяет увеличить усиление, пока анализатор отстроен далеко от несущей частоты. По мере приближения к несущей усиление уменьшается и шум квантования АЦП растет. Уровень шума будет зависеть от уровня сигнала и его частотной отстройки от несущей, поэтому он будет выглядеть как ступенчатый фазовый шум. Но фазовый шум отличен от этого шума автоподстройки. Фазового шума в анализаторах спектра избежать нельзя. Однако уменьшение ширины предварительной фильтрации помогает снизить шум автоподстройки на большинстве частотных отстроек от несущей. Поскольку ширина полосы предварительной фильтрации примерно в 2.5 раза больше ширины полосы разрешения, уменьшение полосы разрешения понижает шум автоподстройки.
Специализированная ИС обработки сигнала
Вернемся к блок-схеме цифровой ПЧ (Рис. 3-2). После того, как усиление АЦП было установлено в соответствии с усилением аналоговым и скорректировано усилением цифровым, специализированная ИС начинает обработку выборки. Сначала 30-мегагерцовые отсчеты ПЧ разбиваются на I и Q пары с половинным шагом (15 миллионов пар в секунду). Пары I и Q затем получают высокочастотное усиление при помощи одноступенчатого цифрового фильтра, чье усиление и фаза примерно противоположны таковым у аналогового однополюсного предварительного фильтра. Потом пары I и Q фильтруются ФНЧ с линейной фазовой характеристикой и почти идеальной гауссовой частотной характеристикой. Гауссовские фильтры всегда были самыми подходящими для анализа с разверткой частоты, благодаря оптимальному компромиссу между поведением в частотной области (фактор формы) и во временной области (отклик на быструю развертку). С пониженной шириной полосы сигнала, пары I и Q теперь могут быть прорежены и отправлены на процессор для БПФ-обработки или демодуляции. Даже притом, что БПФ может быть осуществлено для сегмента полосы обзора до 10 МГц полосы сглаживающего фильтра, даже в более узком интервале 1 кГц, с узкой полосой разрешения в 1 Гц, для БПФ потребуется 20 миллионов точек данных. Использование прореживания данных для более узких интервалов значительно уменьшает количество требуемых для БПФ точек данных, что серьезно ускоряет вычисления.
Для анализа с разверткой частоты, отфильтрованные пары I и Q преобразуются в пары амплитуды и фазы. В традиционном анализе с разверткой, сигнал амплитуды фильтруется по видео-полосе, и выборка производится детекторной цепью дисплея. Выбор режима отображения «логарифмический/линейный» и масштабирование «дБ/единицы» производится в процессоре, так что результат отображается в любом из масштабов без проведения повторных замеров.
Возможности дополнительной видеообработки
Обычно, фильтр видео-полосы сглаживает логарифм амплитуды сигнала, но у него есть немало дополнительных возможностей. Он может конвертировать логарифм амплитуды в огибающую напряжения перед фильтрацией, и переводить обратно перед детектированием дисплея, для согласованности показаний.
Фильтрация амплитуды в масштабе линейного напряжения желательна для наблюдения огибающих импульсных радиосигналов при нулевом частотном обзоре. Сигнал с логарифмической амплитудой также может быть пересчитан в мощность (квадрат амплитуды) перед фильтрацией, а затем обратно. Фильтрация мощности позволяет анализатору дать такой же средний отклик на сигналы с шумообразными характеристиками (сигналы цифровой связи), как и на незатухающие волновые сигналы с таким же среднеквадратичным напряжением. В наше время все чаще требуется измерять полную мощность в канале или во всем диапазоне частот. При таких измерениях, точка на дисплее может показывать среднюю мощность за то время, которое гетеродин проходит через эту точку. Фильтр видео-полосы может быть перенастроен на сбор данных для осуществления усреднения в масштабе логарифма, напряжения или мощности.
Отсчет частоты
В анализаторах спектра с разверткой частоты обычно есть счетчик частоты. Он отсчитывает количество пересечений нуля в сигнале ПЧ и отстраивает этот отсчет на известные величины отстройки от гетеродина на остальном участке цепи преобразования. Если счет будет идти 1 секунду, можно получить разрешение по частоте в 1 Гц.
Благодаря цифровому синтезу гетеродина и полностью цифровой реализации полосы разрешения, присущая анализаторам серии PSA точность по частоте довольно велика (0.1% от полосы обзора). Вдобавок, в PSA есть счетчик частоты, который отслеживает не только пересечения нулевой отметки, но и изменения фазы. Таким образом, он может разрешать частоты в десятки миллигерц за 0.1 секунды. С такой конструкцией способность разрешать частотные изменения ограничена уже не анализатором спектра, а, скорее, зашумленностью исследуемого сигнала.
Другие преимущества полностью цифровой ПЧ
Мы уже рассмотрели ряд особенностей приборов серии PSA: фильтрация логарифма/напряжения/мощности, отсчет частоты с высоким разрешением, переключение логарифмического/линейного масштаба хранящихся в памяти данных, превосходные факторы формы, режим детектора усреднения данных в дисплейной точке, 160 различных полос разрешения, и, конечно же, режим обработки с разверткой частоты или БПФ. При анализе спектра фильтрация на разрешающих фильтрах вносит погрешность в измерения амплитуды и фазы, являющихся функциями скорости развертки. При определенном фиксированном уровне таких погрешностей, разрешающие фильтры чисто цифровой ПЧ с линейной фазой допускают более высокие скорости развертки частоты, чем аналоговые фильтры. Цифровое воплощение также обеспечивает известную компенсацию при снятии данных частоты и амплитуды, допуская тем самым скорости развертки вдвое большие, чем у более старых анализаторов, и демонстрирует отличные показатели даже при учетверенной скорости развертки.
Реализованное в цифровом виде логарифмическое усиление отличается высокой точностью. Типичные погрешности, характерные для анализатора в целом, гораздо меньше погрешностей измерения, с помощью которых производитель оценивает достоверность логарифмирования. На входном смесителе анализатора значение достоверности логарифмирования определено в ±0.07 дБ для любого уровня вплоть до -20 дБм. Диапазон логарифмического усиления на низких уровнях не ограничивает достоверность логарифмирования, как это было бы при аналоговой ПЧ; диапазон ограничен только шумом порядка -155 дБм во входном смесителе. Из-за однотонового сжатия в последующих цепях на более высоких мощностях, параметр достоверности ухудшается до ±0.13 дБ для уровней сигналов до -10 дБм на входном смесителе. Для сравнения, аналоговый логарифмический усилитель обычно характеризуется допусками порядка ±1 дБ.
Другие точности, связанные с ПЧ, также испытали улучшение. Предварительный фильтр ПЧ – аналоговый, и должен быть настроен как любой аналоговый фильтр, так что он подвержен погрешностям настройки. Но он все равно лучше, чем прочие аналоговые фильтры. При том, что для него нужно изготовить всего одну ступень, ее можно сделать гораздо более стабильной, чем в случае 4- и 5-ступенчатых фильтров, которые используются в анализаторах с аналоговой ПЧ. В результате, перепады усиления между разрешающими фильтрами удается удержать в рамках величины ±0.03 дБ, что в десять раз лучше, чем для чисто аналоговых конструкций.
Точность полосы ПЧ определяется ограничениями установок в цифровой части фильтрации и погрешностью калибровки в аналоговом предварительном фильтре. И снова, предварительный фильтр - весьма стабилен, и привносит лишь 20% от той погрешности, которая бы присутствовала в аналоговой реализации полосы разрешения, состоящей из пяти таких ступеней. В результате, большинство разрешающих полос укладываются в 2 процента от своей заявленной ширины, в отличие от 10-20 процентов в случае анализаторов с аналоговой ПЧ.
Самый важный аспект точности по полосе – это минимизация погрешности измерения мощности в канале и подобных измерений. Полоса шума разрешающих фильтров имеет даже лучшие показатели, чем допуск в 2 процента на установочные процессы, а шумовые маркеры и измерение мощности в канале корректируется до ±0.5%. Таким образом, погрешности по полосе дают вклад всего ±0.022 дБ в погрешность плотности амплитуды шума и измерения мощности в канале. И, наконец, при полном отсутствии аналоговых ступеней усиления, зависящих от опорного уровня, вообще не существует погрешности «усиления ПЧ». Суммарное значение всех этих улучшений таково, что чисто цифровая ПЧ обеспечивает значительное улучшение в точности спектрального анализа. Также появляется возможность изменять настройки анализатора без сколько-нибудь значительного воздействия на точность измерения. В следующей главе мы поговорим об этом подробнее.
1 Строго говоря, как только сигнал оцифрован, он уже не находится на промежуточной частоте, или ПЧ. С этого момента сигнал представлен цифровыми значениями. Однако, мы используем термин «цифровая ПЧ» для описания тех цифровых процессов, которые пришли на смену аналоговой секции ПЧ, существовавшей в традиционных анализаторах спектра.)