Анализаторы спектра

На практике, особенно в диапазоне радиочастот, широко используют прибор, называемый анализатором спектра. Это устройство формирует изображение на осциллографе в координатах XY, причем координата Y представляет интенсивность сигнала (обычно используется логарифмический масштаб, т. е. децибелы), а координата X служит для представления частоты. Иначе говоря, анализатор спектра позволяет рассматривать частотную область и строить график зависимости значения входного сигнала от частот.

Анализаторы спектра

Можно также считать, что производится разложение входного колебания на гармонические составляющие. Или можно рассматривать график как отклик, который получается при настройке высококачественного приемника (имеет широкий динамический диапазон, высокую стабильность и чувствительность) в частотном диапазоне.

Эта возможность очень полезна при анализе модулированных сигналов, изучении результатов взаимной модуляции составляющих сложных сигналов и искажений, анализе шума и сдвигов, при точных измерениях частоты слабых сигналов в присутствии более сильных сигналов и при выполнении множества других измерений.

Существуют две основные разновидности анализаторов спектра: с разверткой частоты и с реальным масштабом времени. Анализаторы с разверткой частоты распространены наиболее широко, и принцип их работы иллюстрирует рисунок.

Анализатор спектра на основе локального генератора с разверткой
Анализатор спектра на основе локального генератора с разверткой

Схема представляет собой аналог супергетеродинного приемника с локальным генератором (ЛГ), для развертки которого используется пилообразное колебание, сгенерированное внутри схемы. По мере того как производится развертка частоты ЛГ, результаты ее смешения с различными входными частотами поступают на усилитель ПЧ и затем на фильтр.

Например, представим, что для анализатора спектра промежуточная частота составляет 200 МГц, а частоту ЛГ можно разворачивать в диапазоне от 200 до 300 МГц. Когда частота ЛГ равна 210 МГц, входной сигнал с частотой 10 МГц (± ширина полосы пропускания фильтра ПЧ) проходит на детектор и создает напряжение вертикального отклонения на осциллографе. Сигналы с частотой 410 МГц (с «зеркальной» частотой) также будут проходить через эту цепочку, поэтому на входе установлен фильтр НЧ. В любой момент времени детектируются входные частоты, лежащие ниже частоты ЛГ на 200 МГц.

Реальные анализаторы спектра обладают большой гибкостью в отношении частоты развертки, центральной частоты, ширины полосы пропускания фильтра, масштаба изображения и т. д. Обычно диапазон входной частоты охватывает значения от герц до гигагерц, а избираемая полоса частот может иметь ширину от герц до мегагерц. Кроме того, в сложных современных анализаторах спектра предусмотрены такие возможности, как калибровка амплитуды, запоминание спектров для предотвращения мерцания при развертке, дополнительная память для выполнения сравнения и нормализации и отображение на экране цифровой информации.

Эти замечательные анализаторы спектра позволяют рассматривать изменение фазы относительно частоты, формировать частотные маркеры, программировать работу от микропроцессорной шины IEEE 488. Также могут включать следящие генераторы (для работы в увеличенном динамическом диапазоне), выполнять прецизионные измерения частоты в спектре, генерировать напряжения шумов для возбуждения исследуемых систем и даже выполнять усреднение сигнала (что особенно полезно при наличии шума).

Отметим, что анализатор спектра с разверткой частоты рассматривает в каждый момент времени только одну частоту и генерирует полный спектр путем развертки во времени. Иногда это может создавать большие неудобства, например при исследовании переходных процессов. Кроме того, при работе с узкой полосой пропускания скорость развертки должна быть небольшой. И наконец, в каждый момент времени используется только небольшая часть входного сигнала.

Эти недостатки анализаторов спектра с разверткой частоты устранены в анализаторах спектра, работающих в реальном времени. Здесь также существует несколько подходов. Один громоздкий метод основан на использовании набора узкополосных фильтров, которые позволяют выделять различные частоты диапазона одновременно.

Большую популярность приобрели сложные анализаторы, основанные на методах цифрового анализа Фурье (в частности, используется известное быстрое преобразование Фурье). Эти приборы преобразуют аналоговый входной сигнал (после смешения и других процедур) в числа с помощью быстродействующего аналого-цифрового преобразователя. Затем специализированная вычислительная машина осуществляет соответствующие операции и формирует цифровой частотный спектр.

Этот метод позволяет обрабатывать все частоты одновременно, в связи с этим он обладает очень высокой чувствительностью и высоким быстродействием и его можно использовать для анализа переходных процессов. Он особенно полезен при анализе тех сигналов, для которых быстродействие анализаторов спектра с разверткой частоты оказывается слишком низким. Кроме того, он позволяет выделить корреляцию между сигналами. В связи с тем, что результаты представляются в цифровом виде, в полной мере может использоваться усреднение сигналов.  И эта возможность заложена в некоторых приборах, предназначенных для широкого применения.

Следует отметить, что цифровые анализаторы спектра имеют ограничения по скорости вычислений и обладают гораздо более узкой полосой пропускания, чем радиочастотные анализаторы спектра (ЛГ с разверткой частоты).

В некоторых анализаторах спектра, работающих в реальном времени, используют так называемое импульсное Z-преобразование. Для этого метода в анализаторе с разверткой (см. рисунок выше) полосовой фильтр ПЧ заменяют диспергирующим фильтром (в котором время задержки пропорционально частоте).

При согласовании скорости развертки ЛГ с дисперсией фильтра на выходе будет получена картина, очень похожая на ту, которую дает спектроанализатор с разверткой на частоте, — линейная развертка частоты по времени. Однако в отличие от анализатора с разверткой эта схема собирает сигналы по всей ширине полосы пропускания. Еще один интересный пример анализатора спектра, работающего в реальном времени, представляет собой ячейка Брэгга (или «акустико-оптический спектрометр»). В ней сигнал промежуточной частоты используется для генерации акустических колебаний в прозрачном кристалле. Эти деформации дифрагируют лазерный луч и формируют частотный спектр в реальном масштабе времени в виде зависимости интенсивности света от местоположения. Схему анализатора завершает решетка фотодетекторов на выходе.

Брэгговские спектрометры используют в радиоастрономии. Типовой прибор имеет полосу пропускания шириной 2 ГГц, которая распределяется по 16000 каналам, ширина полосы пропускания каждого составляет 125 кГц. При выборе типа анализатора спектра следует решить, какие параметры имеют для вас решающее значение — ширина полосы пропускания, разрешающая способность, линейность или динамический диапазон.

На рисунке ниже представлены радиочастотные спектры, полученные с помощью анализатора спектра, который должен понравиться тем, кто имеет дело с частотами выше 1 МГц.

Спектры, полученные с помощью анализатора спектра
Спектры, полученные с помощью анализатора спектра

Четыре первых спектра представляют генераторы: а) формирует чистые синусоидальные колебания, б) имеет искажения (на что указывают гармонические колебания), в) характеризуется наличием шумов по краям спектра и г) обладает некоторой частотной нестабильностью (дрейфовая или остаточная ЧМ). Можно измерить составляющие внутренней модуляции, как на примере д). Здесь частоты внутренней модуляции второго, третьего и четвертого порядка видны на выходе усилителя, на которой подается тестовый «двухтоновый» сигнал, состоящий из чистых синусоидальных колебаний с частотами f1 и f2. И наконец, пример е) иллюстрирует необычное поведение смесителя с двойной балансировкой. Наблюдается наводка как от ЛГ, так и от входного сигнала, помимо того, сказывается искажение на частотах (fлг ±2fс, fлг ± 3fс). Этот спектр на самом деле может характеризовать вполне приемлемую работу смесителя в зависимости от масштаба, выбранного для вертикальной оси.

Анализаторы спектра разрабатывают с очень большим динамическим диапазоном (составляющие внутренних искажений ослабляются на 70 дБ, а при наличии предварительной избирательной схемы — на 100 дБ), благодаря чему можно наблюдать недостатки даже очень хороших схем.

Пример ж) на рисунке показывает, что произойдет, если слишком быстро производить развертку ЛГ в анализаторе с разверткой. Если развертка ЛГ такова, что сигнал проходит через полосу пропускания фильтра f за более короткое время, чем t 1/f то его частотный спектр расширится примерно на f’ = 1/t.

Автономный спектральный анализ

Быстрое преобразование Фурье, использованное применительно к цифровым данным, полученным на основании эксперимента, представляет собой мощный метод анализа сигналов и особенно распознавания слабых сигналов с ярко выраженной периодичностью на фоне посторонних сигналов и шумов или же обнаружения дрожания и колебаний. Например, метод быстрого преобразования Фурье использовали для обнаружения пульсаров, анализа сигналов в звуковом диапазоне частот, увеличения разрешения астрономических наблюдений, для поиска сигналов от внеземных цивилизаций.

В последнем случае усилитель на полевых транзисторах (GaAs), подключенный к приемнику диаметром 84 фута (более 25 метров), управляет гетеродинным приемником, в котором подвергается анализу (в реальном масштабе времени) полоса шириной 400 кГц. Сигнал подается одновременно на 8 млн. каналов с полосой 0,05 Гц. Цифровой анализатор спектра состоит из 20000 ИС и полмиллиона твердых переходов (сделанных вручную). За 20 с он обнаруживает узкополосные сигналы, которые на 60 дБ слабее, чем шум приемника. А это соответствует потоку радиоволн, имеющему полную мощность менее 1 нВт и огибающему весь земной шар!

К началу ↑