Měření spektra pomocí osciloskopu

Spektrální analýza a s ní spojené měření elektromagnetického rušení (EMI) není pouze doménou spektrálních analyzátorů, ale již delší dobu nabízejí také osciloskopy dostatečně výkonné měření spektra i pro tuto aplikaci. Osciloskop pracuje na principu vzorkování určitého časového úseku širokopásmového signálu. Takto získaná data můžou být reprezentována buď jako napětí v čase, nebo jako výkon v kmitočtovém spektru za pomoci rychlé Fourierovy transformace (FFT). Spektrální analyzátor naopak přelaďuje úzkopásmový filtr přes zvolený kmitočtový rozsah a na displeji zobrazuje naměřená data reprezentována zvoleným typem filtru. Spektrálním analyzátorem může být měřený signál zobrazen jak v kmitočtové ose, tak v režimu „zero span“ zobrazujícím zvolený kmitočet v závislosti na čase.

Měření v časové oblasti s velkou šířku pásma pomocí osciloskopu má tu výhodu, že dokáže zachytit pouze signál, který splňuje podmínky nastavení trigeru. Tímto způsobem je redukováno množství dat potřebných k prozkoumání při odhalování chyb. Osciloskop navíc disponuje řadou dalších užitečných měřicích funkcí, jako je analýza a dekódování sériových sběrnic, funkce logického analyzátoru nebo vestavěný programovatelný generátor. Díky kombinaci více funkcí v jednom zařízení je osciloskop univerzální nástroj pro všechny fáze vývoje od základního měření analogových signálů až po předcertifikační EMI měření.

Spektrální analyzátory mají oproti osciloskopům lepší kmitočtovou selektivitu a vyšší dynamický rozsah, což jim umožňuje lépe detekovat velmi malé signály nebo signály vyskytující se v blízkosti signálů s vyšším výkonem. Některé spektrální analyzátory mohou být také vybaveny EMI filtry se šířkou pásma pro pokles o 6dB a k nim vztaženým detektorům typu quasi-peak, CISPR-average, které jsou podstatné pro předcertifikační měření.

Již před více jak dekádou posunul první osciloskop vyvinutý v Rohde & Schwarz pomyslnou příčku možností měření spektra osciloskopem. Současný nástupce, model R&S®RTO6, opět posouvá možnosti měření spektra pomocí FFT a umožňuje:

• vícekanálové měření spektra (až 8 paralelních měření),
• zónové spouštění v časové a kmitočtové oblasti (na základě definované oblasti),
• měření spektra svázané s definovanou částí časového úseku měřeného signálu (Gated FFT),
• funkci spektrogramu zobrazující spektrum v závislosti na čase,
• přehlednější zobrazení pomocí logaritmického měřítka a vyhledání špiček ve spektru.

R&S®RTO6 nabízí možnosti měření a nastavení spektrální analýzy podobně jako na spektrálním analyzátoru. Jednoduše zadáním parametrů typu: středový kmitočet, kmitočtový rozsah a šířka rozlišovacího filtru. Podle typu měření lze nastavit také typ váhovacího okna, překrytí jednotlivých FFT, časové svázání spektra a logaritmické nebo lineární zobrazení osy Y.

Překrývající se FFT osciloskopu R&S®RTO6 rozděluje zachycený časový úsek do překrývajících se segmentů a vypočítává spektrum každého segmentu. Tyto jednotlivé segmenty spektra jsou spojovány a kombinovány do výsledného spektra a barevně kódovány. Barevné kódování odpovídá procentuálnímu výskytu jednotlivých kmitočtových složek v čase. Takto vytvořené spektrum poskytuje velmi dobrý přehled o typu a četnosti opakování různých typů rušení / spektrálních složek. Navíc jsou také viditelné sporadicky se vyskytující signály. Podobný výsledek poskytne pouze speciální typ spektrálního analyzátoru pracující v režimu reálného času.

Podpora multikanálové spektrální analýzy dělá z osciloskopu R&S®RTO6 výkonný nástroj umožňující paralelní zobrazení až osmi signálů v kmitočtové oblasti. V kombinaci s vertikálním rozlišením 1 mV/dílek, do jeho maximální šířky pásma 6 GHz, je možné detekovat velmi slabé úrovně rušení. Při nastavení rozlišovacího filtru 1 Hz je možné dosáhnout šumové úrovně kolem –120 dBm, což odpovídá hodnotám spektrálních analyzátorů střední třídy.

Na obrázku vpravo je zobrazen rozdíl měřeného spektra v závislosti na výběru v časové oblasti vs. spektra vypočteného přes celý měřený časový úsek. Šedé části jsou vybrané časové oblasti, tzv. „Gated FFT“, kde spektrum nalevo odpovídá levé zvýrazněné části v časové oblasti a naopak. Díky této funkci lze korelovat např. spektrum nežádoucích emisí ze spínaného zdroje s časovým průběhem signálů v době sepnutí tranzistoru.

Dodatečnými volitelně rozšířenými funkcemi spektrální analýzy na osciloskopu R&S®RTO6 jsou režim spektrogramu, dále možnost zobrazení kmitočtové osy v logaritmickém měřítku nebo automatická detekce špiček ve spektru.

Všechny tyto funkce rozšiřují již tak široké možnosti spektrální analýzy na R&S®RTO6. Pomocí spektrogramu je například možné rozlišit chování spektra v závislosti na čase a rozeznat tak radarové signály nebo systémy s kmitočtovým skákáním.