Рассмотрим четыре основных метода, используемых анализаторами спектра для получения изображений в частотной области.
Анализатор спектра реального времени включает в себя множество полосовых фильтров, характеристики которых выставлены таким образом, что высшая «корневая» частота предыдущего фильтра пересекается с низшей «корневой» частотой последующего фильтра так, как показано на рисунке.
Выходные сигналы фильтров сканируются с помо-мощью электронно-управляемого аналогового переключающего устройства и используются для получения управляющих напряжений, прикладываемых к вертикальным отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки. Сканирующий генератор развертки, управляющий аналоговым переключающим устройством, также подает управляющее напряжение на горизонтальные отклоняющие пластины. Поскольку каждый фильтр сканируется и обеспечивает вертикальное отклонение луча, а генератор развертки обеспечивает соответствующее горизонтальное отклонение луча слева направо, то результирующий отображаемый сигнал представляет собой объединение амплитуд сигналов по одной от каждого полосового фильтра.
Анализаторы спектра, работающие в реальном времени, получили свое название благодаря способности обнаружить быстро происходящие события и индицировать их в то же самое время, когда они происходят, поскольку входной сигнал подается на все фильтры одновременно. В ряде случаев это является определенным преимуществом, так как, например, можно легко показать переходные процессы. Недостатком же анализаторов спектра является большое количество фильтров.
Для получения индикации значительной частотной области каждый фильтр должен иметь узкую полосу пропускания. В противном случае сигналы близких частот могут слиться друг с другом на экране.
По аналогии можно рассмотреть линии, проведенные при различной толщине наконечника пера. Когда две линии проведены пером с тонким наконечником, как показано на рисунке они проходят близко друг от друга, но ясно видны. Если обе линии проведены ручкой с широким наконечником пера, они сливаются так, что невозможно определить существование более чем одной линии. Применительно к анализатору спектра термин «толщина линий» известен как разрешение по ширине полосы частот, и чем она меньше, тем больше способность анализатора определять и представлять индивидуальные сигналы, т. е. является характеристикой его разрешающей способности.
В анализаторе спектра реального времени разрешение по ширине полосы определяется в точности шириной полосы частот каждого фильтра, и чем меньше ширина полосы частот фильтра, тем больше разрешающая способность анализатора. Поэтому, чтобы создать анализатор спектра с адекватным разрешением, потребуется очень большое число точных фильтров. В общем случав по этой причине анализатор спектра реального времени является довольно дорогим прибором и выпускается для применения только в очень ограниченном частотном диапазоне. Обычно это диапазон звуковых частот от 0 Гц до 20 кГц. К проблеме разрешения по ширине полосы мы вернемся позднее.
Изменение рассмотренного принципа дает второй основной метод анализа спектра. Структурная схема анализатора показана на рисунке. В анализаторе спектра с разверткой частоты единственный настраиваемый полосовой фильтр используется для развертки всего частотного диапазона, перекрываемого анализатором. Данная методика не гарантирует, конечно, работу анализатора в реальном времени, как это было рассмотрено в предыдущем случае. Так, любые быстрые изменения частотных составляющих входного сигнала будут представлены на экране только в том случае, если фильтр настроен специально на данную частоту, хотя большую часть времени он настроен на другие частоты. Однако это дает значительные преимущества в другом. В данном случае используется только один фильтр, поэтому общая схема существенно проще и дешевле. Разрешение по ширине полосы может быть значительно улучшено, поскольку настраиваемый фильтр проектируется на единственную узкую, хорошо подобранную полосу частот. Следует, однако, отметить, что достаточно трудно изготавливать такие фильтры с требуемой точностью и диапазоном настройки для построения совершенного анализатора спектра.
Третий метод анализа спектра используется в супергетеродинных анализаторах спектра с разверткой частоты, структурная схема которого приведена на рисунке выше. Выходные сигналы управляемого напряжением локального генератора колебаний смешиваются с поступающим входным сигналом для получения сигналов промежуточной частоты, которые затем усиливаются усилителями промежуточной частоты. Генератор развертки обеспечивает управляющее напряжение для сканирования частоты локального генератора в требуемом диапазоне. Этот метод довольно прост и обладает следующими преимуществами: высокой чувствительностью, обеспечиваемой усилением промежуточной частоты; чрезвычайно широким диапазоном частот (от нескольких десятков килогерц до сотен гигагерц), переменным разрешением по ширине полосы. Большинство современных анализаторов спектра выполнены по супергетеродинной схеме. Однако подобно анализаторам спектра с разверткой частоты супергетеродинные анализаторы не относятся к испытательной аппаратуре, работающей в реальном времени.
При использовании всех рассмотренных выше методов анализа спектра поступающий входной сигнал обрабатывается аналоговым способом с использованием фильтров или смесителей для получения частотной и амплитудной информации и ее индикации. Однако существует еще четвертый метод анализа, применяемый в анализаторах спектра, когда поступающие сигналы принимаются и обрабатываются цифровым способом. Цифровая обработка информации состоит в выполнении преобразования Фурье, и именно поэтому анализаторы, использующие данный метод, получили название анализаторов спектра по преобразованию Фурье, а в ряде случаев анализаторов спектра быстрого преобразования Фурье. Такие приборы очень похожи по своей конструкции на анализаторы, работающие в реальном времени, и с их помощью исследуют сигналы с частота 5 МГц до 100 МГц