Новейшие анализаторы спектра и сигналов компании Keysight Technologies бьют рекорды

Тестер беспроводных сетей E7517A‑504/E7515A‑506

Современные системы беспроводной связи четвертого и последующих поколений являются системами класса MIMO (много входов — много выходов), работают на СВЧ и используют различные методы широкополосной модуляции. Таким системам остро необходимы специальные приборы для исследования, настройки и тестирования. 18 ноября 2014 года компания Keysight Technologies анонсировала новый тестер для сигналов таких линий связи. Комплект E7515A UXM (рис. 1) представляет собой высоко интегрированную систему частотного анализа, предназначенную для функциональных испытаний и аттестации современного оборудования связи [5]. Возможности прибора позволяют осуществлять тестирование устройств стандарта LTE-Advanced категории 6.

Рис. 1. Тестер беспроводных систем связи E7515A UXM

Тестер довольно громоздкий и тяжелый: его габариты составляют 305×435×445 мм, вес 33/36 кг, потребляемая мощность 1100 Вт. На задней панели расположено 9 отсеков для аппаратных опций, которыми может быть оснащен прибор, и стандартные интерфейсы для подключения внешнего компьютера. В сущности, это специализированный анализатор спектра (рис. 2).

Рис. 2. Контроль спектра в маске в полосе частот 130 МГц при средней частоте 1,73 ГГц и частотном разрешении 100 кГц при времени сканирования 30 мс

Характеристики прибора (2 модели):

• Диапазоны частот:
• E7517A‑504 — от 300 МГц до 3,9 ГГц;
• E7515A‑506 — от 300 МГц до 6 ГГц.
• Частотное разрешение: 100 кГц.
• Уровень шума номинальный менее –140 дБм/Гц.
• Стабильная двунаправленная передача данных со скоростью 300 Мбит/с в нисходящем канале и 50 Мбит/с в восходящем канале.
• Поддержка стандарта LTE-Advanced категорий 4/6 благодаря двум независимым ВЧ-приемопередатчикам с полосой 100 МГц, обеспечивающим имитацию нескольких сот, систем MIMO 42 и агрегацию несущих и замирания сигнала.
• Тестирование приемников, включая гибкую трассировку каналов и тестирование с обратной связью, а также измерительные приложения серии X для тестирования передатчиков.
• Широкие возможности по эмуляции сетей, включая сложные сценарии хэндовера и поддержку технологий передачи голоса по LTE (VoLTE).
• Готовность к тестированию устройств четвертого поколения (4G).
• Многоформатная платформа, способная поддерживать следующее поколение антенных технологий, компонентных несущих и скоростей передачи данных.
• Открытая расширяемая архитектура включает высокоскоростные межсоединения, модернизируемые процессоры и слоты расширения.
• Широкие возможности по отображению результатов измерений благодаря интерфейсу на основе сенсорного дисплея с диагональю 38 см (15″).
• Быстрое и легкое освоение работы с прибором благодаря новому, но привычному пользовательскому интерфейсу.
• Совместимость по командам SCPI с другими комплектами для тестирования средств беспроводной связи и измерительными приложениями Keysight серии X.
• Расширение возможностей существующего программного обеспечения для тестирования и более эффективное использование бюджета благодаря традиционной для компании Keysight политике защиты инвестиций.

Тестер позволяет строить на экране дисплея самые разнообразные данные и диаграммы (рис. 3), которые характерны для современных анализаторов сигналов, разумеется, с учетом ориентации на тестирование беспроводных сетей.

Рис. 3. Построение «звездной» диаграммы, спектров и таблицы данных сигнала

Анализаторы, работающие в режиме реального времени

В последнее время резко возросло применение СВЧ-систем в аэрокосмической и оборонной технике (рис. 4), в науке и образовании. Работа многих таких систем основана на использовании многополосных и многочастотных сигналов с быстро изменяющимся во времени частотным спектром. Для их исследования и тестирования уже недостаточно обычных приборов для временного и частотного анализа сигналов. Необходимо применение анализаторов сигналов с возможностью построения спектрограмм, представляющих обычные спектры (зависимости амплитуды от частоты) в различные моменты временного интервала, интересующего пользователя.

Рис. 4. Антенная система современного радарного комплекса

Эти возможности предоставляют современные анализаторы спектра реального времени (RTSA), которые имеют многомерную систему памяти для хранения спектров, полученных в различные моменты времени, и их трехмерного представления во временной области в виде спектрограмм. В плоскости «частота-время» анализаторы часто представляют третий параметр — амплитуду, отображаемую цветными точками за счет применения цифрового послесвечения (персистенции). Пионером в разработке и серийном производстве подобных приборов стала американская компания Tektronix, которая многие годы выпускает только анализаторы спектра реального времени с цветной персистенцией и возможностью построения спектрограмм [1, 2, 3].

Другая всемирно известная компания — Agilent Technologies — пошла по иному пути. Используя свои уникальные технологии и финансовую мощь, фирма разработала обширную номенклатуру обычных анализаторов спектра с превосходными параметрами по диапазону частот, частотному разрешению и малому уровню собственных шумов [4]. Лишь в последние годы компания осознала потребность в анализаторах спектра реального времени и выпустила специальную опцию спектрального анализа в реальном времени — одну из лучших и продвинутых серию PXA (рис. 5).

Рис. 5. Развитие анализаторов спектра серии PXA

Созданная компанией специальная опция N9030A-RT1/2 добавляет в анализаторы Keysight N9030A PXA принципиально новые возможности по анализу спектра в режиме реального времени (RTSA) в полосе до 160 МГц. Режим RTSA в анализаторах PXA позволяет наблюдать, захватывать и понимать поведение самых сложных и трудноуловимых сигналов — как известных сегодня, так и вероятных в будущем. Таким образом с помощью высокопроизводительного анализатора обеспечивается точный и непрерывный анализ спектра в режиме реального времени. Это актуально для модернизации новых или уже находящихся в эксплуатации анализаторов сигналов серий MXA, PXA и UXA.

Анализаторы спектра реального времени N9030A/N9020A-RT1& -T2

Осенью 2014 года в интересах развития измерительной отрасли Agilent создала новую компанию — Keysight Technologies, к которой перешли последние разработки цифровых осциллографов, анализаторов спектра и сигналов и других измерительных приборов различного назначения. Уже в начале своего становления Keysight Technologies объявила создание анализаторов спектра и сигналов реального времени приоритетным направлением своей деятельности и анонсировала первые серийные модели. Так появились анализаторы спектра реального времени открытой архитектуры N9030A/N9020A-RT1&RT2 (рис. 6) [6, 7].

Рис. 6. Анализатор сигналов реального времени N9030A

Широкий выбор анализаторов сигналов и анализаторов спектра реального времени, охватывающих диапазон частот до 50 ГГц с возможностью расширения до 1,1 ТГц при использовании внешних смесителей, позволяет выбрать оптимальное оборудование для выполнения практически любых видов измерений — от умеренно дешевых моделей с частотами до 10 ГГц до флагманских высокочастотных устройств. Приборы обеспечивают точное измерение частоты, амплитуды и модуляции, искажений, помех и фазового шума, а также выполняют анализ сигналов беспроводной связи вплоть до 4G и последующих поколений.

Анализаторы сигналов серии PXA N9030A‑503, N9030A‑508, N9030A‑513, N9030A‑526 имеют следующие возможности:

• Диапазон частот: от 3 Гц до 3,6; 8,4; 13,6; 26,5; 43; 44 или 50 ГГц; возможность расширения диапазона частот до 110 ГГц с помощью интеллектуальных смесителей компании Agilent и до терагерцевого диапазона с помощью смесителей других производителей.
• Полоса демодуляции: 10 МГц (стандартная комплектация); 25, 40, 85, 125 или 160 МГц (опции).
• Функция быстрого свипирования в режиме реального времени и построения спектрограмм в стандартной комплектации новых приборов.
• Возможность добавления функции анализа спектра в режиме реального времени со 100%-ной вероятностью захвата сигналов длительностью от 3,57 мкс.
• Малая абсолютная погрешность измерения уровня: ±0,19 дБ.
• Высокий уровень точки пересечения третьего порядка (TOI): +22 дБм.
• Очень малый средний уровень собственного шума (DANL) с включенным предусилителем и технологией понижения собственного шума: –172 дБм.
• Большой динамический диапазон измерения относительной мощности в соседнем канале (ACLR) системы W‑CDMA (с опцией коррекции шума): –83 дБ (ном. –88 дБ).
• Поддержка более 25 измерительных приложений, включая приложения для сотовой связи, беспроводных коммуникаций, цифрового видео, а также для задач общего назначения.
• Расширенный анализ сигналов 75 форматов с помощью встроенной программы векторного анализа сигналов VSA 89600B.
• Программное обеспечение MATLAB для решения широкого круга задач по анализу данных, визуализации и автоматизации измерений.
• Одноклавишные измерения мощности с помощью программы Agilent PowerSuite в стандартной комплектации.
• Соответствие стандарту LXI класс C, поддержка команд SCPI, IVI-COM.
• Современные интерфейсы для связи с ПК USB 2.0, 1000 Base-T LAN, GPIB.
• Совместимость программных кодов с анализаторами сигналов серий PSA, 8566/68, 856x.
• Единый пользовательский интерфейс для всех анализаторов сигналов серии X.
• Открытая архитектура на базе компьютера с ОС Windows 7 в стандартной комплектации.
• Выявление и регистрация паразитных сигналов с помощью запуска по частотной маске (FMT) и запуска по временным параметрам.
• Возможность быстрого переключения в режим измерения обязательных параметров, например фазового шума, коэффициента шума и др.
• Детальный анализ сложных сигналов с помощью программного обеспечения векторного анализа сигналов Keysight 89600 VSA.
• Запись и воспроизведение результатов измерений зависимости спектра от времени для обнаружения и анализа аномалий сигналов.

Широкое использование цветной персистенции (рис. 7) делает спектры сложных сигналов более наглядными и позволяет выделять некоторые малозаметные особенности сигналов, например отделять спектр хаотичных шумов от спектра самого сигнала.

Рис. 7. Спектр с цветной персистенцией в полосе частот 160 МГц при средней частоте 2,2ГГц

При тестировании современных систем связи и радиолокационных систем часто требуется представление спектров многополосных и многочастотных сигналов. Примеры построения спектра сложного сигнала, имеющего 7 четко разделяемых частот, показаны на рис. 8.

Рис. 8. Спектр сигнала, содержащего 7 частот

Как видно на рис. 7 и 8, различные частотные составляющие спектра отчетливо выделяются, однако невозможно судить о том, в каком временном интервале они существуют и по какому закону изменяются в динамике. Знать это очень важно, особенно для современных радиолокационных систем и устройств, обнаруживающих быстро перемещающиеся объекты. Поэтому главной отличительной чертой анализаторов спектра и сигналов реального времени, конечно, является возможность построения цветных спектрограмм в трехмерном виде — в виде зависимости во времени множества спектров. Для этого потребовалось значительное увеличение объема памяти под спектры сигналов и резкое увеличение скорости построения и вывода спектров на экран. Спектрограммы обычно строятся в плоскости «время-частота», причем уровень спектра отображается цветом (рис. 9).

Рис. 9. Цветная спектрограмма сложного сигнала в полосе частот 50 МГц

Другой пример построения спектрограммы и мгновенного спектра показан на рис. 10. На спектрограмме отчетливо видно, что частота одного из сигналов меняется по прямоугольному закону, а другого — по синусоидальному закону.

Рис. 10. Cпектрограмма и мгновенный спектр

На рис. 11 сверху показан спектр 5‑полосного сигнала: что делается внутри каждой частотной полосы — неясно, как неясно и то, в каких временных пределах действует каждая полоса. Зато спектрограмма на рис. 11 снизу дает четкий ответ и полную информацию о деталях спектра в каждой полосе частот.

Рис. 11. Спектр и спектрограмма 5 полосного сигнала

Сверхширокополосные анализаторы сигналов Keysight N9040B UXA X‑Series

Развитие новых сетей связи с высокой пропускной способностью, в частности быстрого Интернета, радарных систем высокого разрешения, средств защиты от создаваемых помех, разведки и т. д., приводит к необходимости повышения полосы частот спектра используемого сигнала. Максимальная полоса частот в 160 МГц уже недостаточна для анализаторов спектра и сигналов реального времени.

6 октября 2014 года компания анонсировала новейший анализатор сигналов Keysight N9040B UXA X‑Series с рекордными параметрами — диапазоном частот от 3 Гц до 250 ГГц и шириной полосы просмотра в режиме реального времени до 510 МГц (рис. 12)  [8]. Нижняя граничная частота в 3 Гц говорит о том, что анализатор может использоваться не только на радио- и СВЧ-частотах, но и на звуковых и даже инфразвуковых частотах.

Рис. 12. Анализатор сигналов Keysight N9040B UXA X Series с полосой просмотра в режиме реального времени до 510 МГц

Анализаторы выпускаются как с базовыми (N9040B‑508: от 3 Гц до 8,4 ГГц, N9040B‑513: от 3 Гц до 13,6 ГГц, N9040B‑526: от 3 Гц до 26,5 ГГц), так и с расширенными возможностями. Ключевые функции и характеристики новых анализаторов:

• Диапазон частот: от инфразвуковой 3 Гц до СВЧ 8,4; 13,6 или 26,5 ГГц с возможностью расширения диапазона частот до 110 ГГц с помощью интеллектуальных смесителей компании Keysight и даже до 1,1 ТГц с помощью смесителей других производителей.
• Полоса демодуляции: 10 МГц (стандартная комплектация), 25, 40, 255 или 510 МГц (опции B25/40/2X/5X).
• Функция анализа спектра в режиме реального времени в полной полосе частот с вероятностью 100%-ного захвата сигналов длительностью от 3,84 мкс.
• Функция быстрого свипирования (в стандартной комплектации), быстрые измерения мощности (опция).
• Малая абсолютная погрешность измерения уровня: ±0,19 дБ.
• Свободный от паразитных составляющих динамический диапазон (SFDR): более 75 дБн.
• Низкий уровень фазового шума: –136 дБн/Гц на частоте 1 ГГц с отстройкой 10 кГц.
• Средний уровень собственного шума (DANL) с включенным предусилителем и технологией понижения собственного шума (NFE): –172 дБм.
• Приложение для измерения фазовых шумов N9068C.
• Тракт с пониженным уровнем шумов, внешние смесители, обход преселектора, широкополосный выход ПЧ, расширенные возможности по отображению сигналов (все в стандартной комплектации).
• Одноклавишные измерения мощности с помощью программы Keysight PowerSuite в стандартной комплектации.
• Усовершенствованный интерфейс на основе сенсорного дисплея с диагональю 35,8 см (14,1″).
• Соответствие стандарту LXI, поддержка команд SCPI и драйверов IVI-COM.
• Интерфейсы USB 3.0, USB 2.0, 1000 Base-T LAN, GPIB на задней панели.
• Открытая архитектура на базе персонального встроенного компьютера с операционной системой Windows 7.

Прибор N9040B UXA стал новым флагманским анализатором сигналов серии X, созданным на основе разработанной компанией Keysight технологии. Он охватывает очень широкий диапазон частот от 3 Гц до 26,5 ГГц, который может быть расширен до 1,1 ТГц при использовании внешних смесителей. Анализатор N9040B имеет лучшие в отрасли показатели по фазовым шумам, а также полосу демодуляции и полосу анализа в режиме реального времени до 510 МГц. Анализатор UXA оснащен усовершенствованным пользовательским интерфейсом на основе сенсорного дисплея с диагональю 35,8 см (14,1×), который упрощает настройку измерений с помощью привычной структуры меню приборов серии X. Благодаря возможности детального представления трудноуловимых широкополосных сигналов анализатор UXA обеспечивает решение самых сложных задач в аэрокосмической, оборонной и телекоммуникационной отраслях, а также в других сферах.

Устройство N9040B UXA входит в линейку анализаторов серии X, которую отличает эволюционный подход к анализу сложных сигналов. Прибор объединяет измерительное оборудование, соответствующие методики и прикладные программы. Широкий выбор приложений и опций позволяет обеспечить гибкость платформы и полную реализацию коммерческих и технических требований, актуальных не только на текущий момент, но и в перспективе.

Возможности анализатора можно расширить благодаря опциям, установка которых доступна пользователю. Например, с помощью твердотельного SSD-накопителя легко модернизировать систему памяти, увеличить время спектрограмм, ускорить работу и сократить время загрузки при включении (рис. 13).

Рис. 13. Опция установки твердотельного накопителя SSD на задней панели анализатора сигналов

Прибор оснащен дисплеем с сенсорным экраном большого размера — 14,1″ по диагонали. Это делает работу с анализатором удобной и наглядной. Управлять устройством можно палочкой-стило или пальцем (рис. 14). Предусмотрено также изменение масштаба по вертикали и горизонтали, выделение характерных областей диаграмм, управление меню и т. д. Все это значительно упрощает работу с прибором и уменьшает число органов управления на передней панели.

Рис. 14. Работа с сенсорным экраном анализатора сигналов N9040B UXA

Экран дисплея позволяет отображать большое число различных данных, элементов пользовательского интерфейса и различных диаграмм (рис. 15). Это делает более полноценным и разнообразным анализ сигналов самого разного вида, позволяя выявлять их наиболее тонкие особенности.

Рис. 15. Экран дисплея с предоставлением различных данных и диаграмм

Функциональные возможности и параметры анализаторов этой серии вполне отвечают характеристикам флагманских моделей анализаторов спектра и сигналов:

• Полоса анализа в режиме реального времени до 510 МГц (требуется опция B2X или B5X, которая определяет максимальное значение полосы в режиме реального времени) в диапазоне частот до 26,5 ГГц.
• Представление результатов в режиме реального времени включает отображение плотности распределения (с цифровым послесвечением), плотности свипирования, спектра, спектрограммы, зависимости мощности от времени и т. д.
• Режим запуска по частотной маске (FMT) и запуска по временным параметрам (TQT) в стандартной комплектации.
• 100%-ная вероятность захвата сигналов с минимальной длительностью от 15 мкс с помощью режима запуска по частотной маске.
• Динамический диапазон, свободный от побочных составляющих: до 75 дБн в полосе 510 МГц.
• Охват диапазона частот до 110 ГГц с помощью внешних смесителей компании Keysight и до терагерцевого диапазона с помощью смесителей других производителей.
• Уровень шума даже без предварительного усилителя: –157 дБм/Гц на частоте 10 ГГц; –153 дБм/Гц на частоте 5,8 ГГц.
• Уверенный захват (с вероятностью 100%) характеристик динамичных сигналов длительностью от 15 мкс с помощью режима запуска по частотной маске (FMT).
• Органичная интеграция с программой векторного анализа сигналов Keysight 89600 VSA для более глубокого анализа сложных сигналов.
• Измерение более 75 видов модуляции: от специализированных OFDM или APSK до стандартных сигналов MIL-STD, GSM или LTE.
• Использование запуска по частотной маске для регистрации и последующего воспроизведения паразитных сигналов с помощью векторных генераторов сигналов, генераторов сигналов произвольной формы или программного обеспечения MATLAB.
• Запуск по временным параметрам (TQT) для поиска аномальных импульсов или запуск по заданным пакетам коммуникационных сигналов.
• Максимально эффективное использование инвестиций: добавление возможностей анализа в режиме реального времени в анализатор UXA по цене, составляющей небольшую часть от стоимости специализированного решения.

В приборе реализовано построение спектров с помощью как монохромной (рис. 16), так и цветной персистенции (рис. 17).

Рис. 16. Построение спектра с использованием монохромной персистенции

Рис. 17. Спектр с цветной персистенцией

Возможно и построение различных спектров в разном масштабе (рис. 18). Просто пальцем можно выделять часть спектров, изменять размеры графиков и переключать позиции графического меню.

Рис. 18. Окно с различными спектрами

Опция N9040B-RT1, предназначенная для анализаторов сигналов Keysight N9040B UXA, добавляет возможности по анализу спектра в режиме реального времени (RTSA) в полосе до 510 МГц. Это позволяет наблюдать, захватывать и понимать поведение самых трудноуловимых сигналов — как известных (рис. 19), так и неизвестных. Предусмотрено быстрое переключение с анализа спектра в режиме свипирования на анализ переходных процессов в режиме реального времени.

Рис. 19. Представление на экране одновременно спектрограммы и спектров сигнала

На рис. 20 показана спектрограмма и спектр для двойного сигнала. Один представлен широким спектром, а другой узким с изменяемой частотой. Спектрограмма отчетливо выделяет временную структуру первого сигнала и временную зависимость частоты для двойного сигнала.

Рис. 20. Спектрограмма и спектр двойного сигнала

Программа векторного анализа сигналов Keysight 89600 VSA

Сочетание анализатора спектра или анализатора сигналов с программой векторного анализа сигналов 89600 VSA, программным обеспечением анализа модуляции или другими измерительными приложениями позволяет анализировать сигналы самых разных форматов [9]. Программа может быть установлена на внешнем ПК (например, ноутбуке), подключенном к анализатору спектров или сигналов. При этом результаты тестирования или исследования наблюдаются на экране внешнего компьютера (рис. 21).

Рис. 21. Окно программы 89600 VSA с различными диаграммами на экране ПК

Опция с установкой этой программы имеется у всех описанных выше анализаторов открытой архитектуры и придает им возможности векторных анализаторов сигналов. При этом отпадает необходимость во внешнем компьютере и работа с анализатором и данной программой становится органично совместимой (рис. 22).

Рис. 22. Окно программы 89600 VSA на экране анализатора сигналов

У программы продвинутый интерфейс пользователя, позволяющий выводить на экран дисплея самые разные данные и диаграммы, сочетая возможности векторных анализаторов спектра и сигналов с цветной персистенцией (рис. 23 и 24).

Рис. 23. Окно с разнотипными данными

Рис. 24. Окно с таблицей данных и различными диаграммами

Применение программы не только делает анализатор сигналов более функциональным за счет добавления возможностей анализа векторных сигналов и основанных на их применении устройств, но и позволяет использовать технику представления спектров с полноценной персистенцией и работой в режиме реального времени. Это удешевляет довольно дорогие приборы и упрощает построение многофункциональных рабочих мест (рис. 25).

Рис. 25. Рабочее место с анализатором сигналов и векторным генератором

Заключение

Компания Keysight Technologies, продолжая лучшие традиции разработчиков Agilent, выпустила на мировой рынок новейшие серии анализаторов с цветной персистенцией и работой в реальном времени. Данные приборы объединяют возможности анализа сигналов в частотной и временной областях и по своим характеристикам превосходят аналогичные продукты других производителей. Старшие модели этих уникальных новинок, анонсированных лишь во второй половине 2014 года, определяют лицо современной высокоскоростной и СВЧ-электроники. В ближайшее время можно ожидать сертификацию новейших анализаторов Keysight на соответствие отечественным стандартам в гражданских и оборонных отраслях.