Một bộ phát nhảy tần chỉ dừng trên mỗi kênh vài trăm micro giây đến vài trăm mili giây rồi chuyển sang kênh khác theo một dãy giả ngẫu nhiên. Đặt máy phân tích phổ ở chế độ quét quen thuộc, bạn sẽ thấy vài vạch rời rạc xuất hiện rồi biến mất, và gần như không thể trả lời những câu hỏi mà phòng thử chứng nhận sẽ hỏi: thiết bị dùng bao nhiêu kênh, các kênh cách nhau bao xa, mỗi kênh bị chiếm bao lâu. Phân tích tín hiệu nhảy tần vì thế là một bài toán về thời gian nhiều hơn là về biên độ. Bài viết này đi qua các đại lượng mà FCC và ETSI yêu cầu, lý do máy quét thông thường bỏ sót chúng, và cách cấu hình máy phân tích tín hiệu để đo đúng.
Phân tích tín hiệu nhảy tần: bốn đại lượng cần đo
FHSS (frequency hopping spread spectrum) trải năng lượng ra nhiều kênh bằng cách đổi tần số sóng mang theo thời gian. Trên một kênh bất kỳ, tín hiệu trông như một sóng mang hẹp bật tắt từng đợt; trên toàn băng, nó trông như một dải năng lượng phân bố đều. Các quy định vô tuyến không đo “công suất trung bình của cả băng” mà đo những thuộc tính của từng bước nhảy:
- Số kênh nhảy — có đủ số tần số tối thiểu mà quy định yêu cầu hay không.
- Khoảng cách giữa các kênh — hai kênh kề nhau có tách nhau đủ xa so với băng thông của chính tín hiệu hay không.
- Thời gian chiếm kênh — tổng thời gian tín hiệu nằm trên một kênh trong một khoảng quan sát. Tiếng Anh gọi thời gian mỗi lần dừng là dwell time.
- Băng thông chiếm dụng của một bước nhảy đơn lẻ — dùng để xét khoảng cách kênh và giới hạn độ rộng phổ.
Ba đại lượng đầu mang tính thống kê theo thời gian; chỉ đại lượng cuối là phép đo phổ thuần tuý. Đó là lý do một cấu hình máy chỉ tối ưu cho biên độ sẽ trả về kết quả sai hoặc không trả về gì.
FCC 15.247 và ETSI EN 300 328 yêu cầu gì với FHSS
Hai khung quy định được viện dẫn nhiều nhất cho thiết bị nhảy tần trong băng 2,4 GHz là FCC 47 CFR §15.247 (Mỹ) và ETSI EN 300 328 (châu Âu, bản hiện hành V2.2.2 phát hành 07/2019). Chúng đặt giới hạn theo hai cách khác nhau.
FCC §15.247 quy định khoảng cách kênh tối thiểu là 25 kHz hoặc bằng băng thông 20 dB của kênh nhảy, lấy giá trị lớn hơn. Dãy nhảy phải giả ngẫu nhiên và dùng đều mọi tần số. Trong băng 2400–2483,5 MHz cần ít nhất 15 kênh, và thời gian chiếm trung bình trên một kênh không vượt 0,4 s trong một chu kỳ bằng 0,4 s nhân số kênh đang dùng. Với 79 kênh, chu kỳ quan sát là 31,6 s. Băng 902–928 MHz cần 50 kênh (nếu băng thông 20 dB dưới 250 kHz, giới hạn 0,4 s trong 20 s) hoặc 25 kênh (băng thông 20 dB từ 250 kHz, giới hạn 0,4 s trong 10 s). Băng 5725–5850 MHz cần 75 kênh với giới hạn 0,4 s trong 30 s. Công suất đỉnh dẫn cho FHSS 2,4 GHz là 1 W nếu có ít nhất 75 kênh không chồng lấn, còn lại 0,125 W.
ETSI EN 300 328 tách biệt hai khái niệm mà người đo hay lẫn. Dwell time chỉ là khoảng thời gian giữa hai lần đổi tần số, có thể gồm cả thời gian phát, thu và nghỉ, và không phải là giới hạn. Giới hạn nằm ở thời gian phát tích luỹ: FHSS thích nghi được phát tối đa 400 ms trên mỗi tần số trong một khoảng quan sát 400 ms × N, với N lấy giá trị lớn hơn giữa 15 và 15 MHz chia cho khoảng cách nhảy tối thiểu (tính bằng MHz). FHSS không thích nghi bị siết chặt hơn nhiều: tối đa 15 ms trên mỗi tần số trong khoảng 15 ms × N, với N lấy giá trị lớn hơn giữa 5 và 15 MHz chia cho khoảng cách nhảy. Loại này còn bị giới hạn hệ số sử dụng môi trường 10 %.
Băng thông chiếm dụng trong EN 300 328 được định nghĩa là dải chứa 99 % công suất của một tần số nhảy đơn lẻ, đo bằng chức năng băng thông 99 % của máy phân tích. Khoảng cách nhảy của FHSS không thích nghi phải lớn hơn hoặc bằng băng thông này và không nhỏ hơn 100 kHz. Lưu ý: FCC dùng băng thông 20 dB, ETSI dùng băng thông 99 %. Hai con số này khác nhau trên cùng một tín hiệu, nên báo cáo phải ghi rõ đang đo theo định nghĩa nào.
Vì sao máy quét thông thường bỏ sót bước nhảy
Máy phân tích phổ kiểu quét chỉ nhìn một tần số tại một thời điểm. Khi bộ lọc phân giải đang ở kênh 10, bước nhảy đang nằm ở kênh 60 là vô hình. Nếu thời gian quét toàn băng dài hơn thời gian dừng, mỗi lần quét chỉ chạm được một số bước nhảy một cách ngẫu nhiên. Chế độ giữ đỉnh (max hold) qua hàng trăm lần quét sẽ dần vẽ ra “hàng rào” các kênh, và đó là cách hợp lý để đếm số kênh. Nhưng nó không cho biết bước nhảy nào xảy ra lúc nào, cũng không bắt được một bước nhảy lạ chỉ xuất hiện một lần.
Lấy Bluetooth Classic làm ví dụ: đặc tả Core 5.4 dùng 79 kênh cách nhau 1 MHz, khe thời gian 625 µs và tối đa 1 600 lần nhảy mỗi giây ở trạng thái kết nối. Chế độ nhảy tần thích nghi AFH vẫn phải giữ tối thiểu 20 kênh. Một bước nhảy dài cỡ một khe 625 µs đủ ngắn để lọt qua giữa hai lần quét của phần lớn cấu hình quét thông thường.
Quy trình đo từng đại lượng trên máy phân tích tín hiệu
Số kênh và khoảng cách kênh
Đặt span phủ toàn băng hoạt động, RBW đủ hẹp để tách hai kênh kề nhau, bật max hold và để chạy đủ lâu cho mọi kênh xuất hiện. Đếm số đỉnh để có số kênh; đặt hai marker trên hai đỉnh kề nhau để đọc khoảng cách. Tiếp theo, thu hẹp span quanh một đỉnh để đo băng thông 20 dB (cho hồ sơ FCC) hoặc băng thông 99 % (cho hồ sơ ETSI) và so với khoảng cách vừa đo.
Thời gian dừng và thời gian chiếm kênh
Thời gian dừng dwell time được đo trong miền thời gian. Đặt tần số trung tâm đúng một kênh và chuyển span về 0 Hz (zero span). Lúc này trục ngang là thời gian: mỗi lần tín hiệu nhảy vào kênh đó hiện thành một xung. Độ rộng xung là thời gian dừng; đếm số xung trong một khoảng quan sát và nhân với độ rộng để có thời gian chiếm kênh. Hai điểm hay sai: RBW phải đủ rộng để sườn xung không bị làm tròn, và thời gian quét phải đúng bằng chu kỳ quan sát mà quy định yêu cầu, không phải một con số tuỳ tiện.
Bước nhảy bất thường và va chạm
Zero span chỉ nhìn một kênh; max hold mất thông tin thời gian. Muốn thấy toàn bộ dãy nhảy theo thời gian, hoặc bắt một bước nhảy lệch kênh chỉ xảy ra một lần, bạn cần phân tích phổ thời gian thực.
Phổ thời gian thực: spectrogram, mật độ và kích hoạt mặt nạ
Máy phân tích thời gian thực số hoá liên tục toàn bộ băng thông phân tích và tính FFT không có khoảng trống giữa các khung. Thước đo quan trọng nhất là thời gian tín hiệu tối thiểu để được bắt với xác suất 100 % (POI). Bài phân tích phổ thời gian thực: bắt tín hiệu thoáng qua giải thích chi tiết khái niệm POI; ở đây chỉ xét ba công cụ mà bài toán nhảy tần cần:
- Spectrogram — trục tung là thời gian, màu là biên độ. Dãy nhảy hiện ra thành các vệt rời trên mặt phẳng tần số–thời gian, đọc được trực tiếp thứ tự nhảy và thời gian dừng.
- Density (mật độ) — tô màu theo tần suất xuất hiện. Kênh bị dùng nhiều hơn các kênh khác hiện rõ, rất hữu ích để kiểm tra yêu cầu “dùng đều mọi tần số”.
- Frequency Mask Trigger (FMT) — kích hoạt khi phổ đi vào hoặc ra khỏi một mặt nạ vẽ trước. Vẽ mặt nạ bao quanh các kênh hợp lệ, mọi bước nhảy lệch ra ngoài sẽ kích hoạt ghi lại dữ liệu.
Theo tài liệu thông số Keysight, tuỳ chọn thời gian thực trên PXA và MXA có các chế độ hiển thị mật độ (độ lưu 10 s), spectrogram và FMT với các điều kiện Enter, Leave, Inside, Outside, Enter→Leave, Leave→Enter.
Chọn máy phân tích tín hiệu Keysight
Keysight N9021B MXA phủ 10 Hz tới tối đa 50 GHz tuỳ tuỳ chọn tần số. Với tuỳ chọn băng thông B2X (255 MHz) hoặc B5X (510 MHz) kèm tuỳ chọn thời gian thực, băng thông thời gian thực tối đa là 509,47 MHz. POI 100 % ở độ chính xác biên độ đầy đủ là 3,51 µs với RT2 (span trên 85 MHz) và 17,17 µs với RT1. Toàn bộ băng ISM 2,4 GHz rộng 83,5 MHz nằm gọn trong một khung phân tích, và 3,51 µs ngắn hơn nhiều so với khe 625 µs của Bluetooth.
Keysight N9030B PXA phủ 2 Hz tới 50 GHz, dùng cùng họ tuỳ chọn băng thông tới B5X và các tuỳ chọn thời gian thực RT1, RT2, cùng tuỳ chọn RTS để truyền dữ liệu I/Q băng rộng liên tục. POI 100 % với RT2 cũng là 3,51 µs khi span trên 85 MHz. PXA phù hợp khi phòng thử cần dải động và nhiễu pha tốt hơn cho phép đo phát xạ giả đi kèm hồ sơ nhảy tần.
Keysight N9042B UXA phủ tới 50 GHz, băng thông phân tích tới 4 GHz tuỳ tuỳ chọn. Keysight giới thiệu năm 2023 giải pháp phân tích phổ thời gian thực 2 GHz trên UXA. Ghi chú ứng dụng về POI của Keysight nêu rằng cấu hình băng thông 2 GHz trên PXA N9032B hoặc UXA N9042B bắt được tín hiệu ngắn tới 227 ns với xác suất 100 %, và 1 µs nếu cần đủ độ chính xác biên độ. UXA là lựa chọn khi hệ nhảy tần trải trên dải rộng hơn vài trăm MHz, ví dụ các đường truyền vi ba hoặc radar nhảy tần băng rộng.
Quy tắc chọn gọn: toàn bộ dãy nhảy phải nằm trong một khung băng thông thời gian thực, và POI phải ngắn hơn thời gian dừng ngắn nhất ít nhất vài lần.
Kết luận
Phân tích tín hiệu nhảy tần đúng cách là kết hợp ba chế độ đo: max hold để đếm kênh và đo khoảng cách, zero span để đo thời gian dừng và thời gian chiếm kênh, và phổ thời gian thực để nhìn toàn bộ dãy nhảy và bắt bước nhảy bất thường. Trước khi đo, hãy xác định hồ sơ theo FCC hay ETSI. Hai khung này dùng định nghĩa băng thông khác nhau (20 dB và 99 %) và khác nhau cả ở cách hiểu “dwell time” lẫn giới hạn thời gian phát.
Kết quả thời gian và biên độ chỉ có giá trị khi thang thời gian, mức tham chiếu và bộ lọc phân giải của máy phân tích còn trong dung sai. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy phân tích tín hiệu theo ISO/IEC 17025 — liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo nhảy tần và lịch hiệu chuẩn.
