Анализаторы спектра

Рассмотрим четыре основных метода, используемых анализаторами спектра для получения изображений в частотной области.

Виды анализаторов спектра

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 реального времени

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.

Анализаторы спектра с полосовым фильтром

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.

Супергетеродинные анализаторы 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.

Обработка сигнала анализаторов спектра

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