Методы анализа спектра сигналов

Практически все анализаторы спектра реализуют по двум схе­мам: параллельного и последовательного действия.

Метод параллельного анализа спектра

Метод параллельного анализа чаще применяют для исследования спектров одиночных импульсных сигналов. Структурная схема анали­затора параллельного типа содержит п полосовых фильтров Ф, каждый из которых настроен на определенную частоту (рис. 13.1, а).

Рисунок 13.1. Метод параллельного анализа спектра

а – структурная схема анализатора; б – исследуемый спектр; в - АЧХ фильтров;

г – спектр на выходе анализатора

Исследуемый сигнал u(t), спектр которого расположен в полосе частот u(t) (рис. 13.1, б), подают на все фильтры одновременно. Фильтры имеют похожие АЧХ с одинаковыми полосами пропускания Δƒn и на­строены на определенные частоты (рис. 13.1, в). Сигналы на выходе фильтров определяют составляющие спектра анализируемого про­цесса (рис. 13.1, г). После детектирования в детекторах Д спектраль­ные составляющие поступают на регистрирующие устройства РУ.

Метод последовательного анализа спектра.

Метод последовательного анализа чаще всего применяют для исследования спектров многократно или периодически повторяю­щихся временных процессов.

На рис. 13.2 показана упрощенная структурная схема анализатора спектра последовательного типа, которая содержит супергетеродинный приемник, индикаторное (чаще осциллографическое) устройство и ка­либратор. Основной блок супергетеродинного приемника — преобра­зователь частоты, состоящий из смесителя, генератора качающейся частоты ГКЧ и усилителя промежуточной частоты. К приемнику также относятся входное устройство, детектор (в данном случае амплитуд­ный) и выходной усилитель.

Рисунок 13.2. Структурная схема анализатора спектра последовательного типа

В супергетеродинном приемнике спектр анализируемого сигнала u(t) с помощью преобразователя частоты переносится с несущей час­тоты/) на (как правило, более низкую) промежуточную (на которой работает усилитель промежуточной частоты):

                                                           (13.3)

где ƒг  — центральная частота ГКЧ.

На один вход смесителя через входное устройство подается вход­ной сигнал u{t), а на другой его вход поступает напряжение с ГКЧ. Настройку приемника на разные частоты производят напряжением, поступающим на ГКЧ с выхода генератора развертки. С помощью индикаторного устройства наблюдают спектр исследуемого процесса. Калибратор используют для измерения характерных параметров спек­тра: частот, соответствующих максимумам или нулевым значениям огибающей спектра и т. д.

Основные характеристики анализаторов спектра.

Основные характеристики анализаторов — чувствительность, рабочий диапазон частот, разрешающая способность и время анализа.

Чувствительность отражает отношение изменения сигнала на выходе анализатора к вызвавшему его изменению анализируемой ве­личины. Наличие в анализаторах спектра преобразователей частоты с УПЧ ставит их в ряд приборов с высокой чувствительностью, и по­этому они могут применяться для анализа слабых сигналов. В диапазоне радиочастот чувствительность обычно выражается в милливоль­тах или микровольтах. В диапазоне СВЧ чувствительность выражает­ся в ваттах и составляет обычно от 10-7до 10-14
Вт.

Рабочий диапазон частот — диапазон, в пределах которого по­грешность анализатора, полученная при изменении частоты сигнала, не превышает допускаемого предела. Он определяется максимальной и минимальной частотами настройки узлов анализатора и вспомога­тельных устройств (генератора частотных меток, частотомера). Важ­ной частотной характеристикой анализатора спектра является также максимальная полоса частот, в которой можно одновременно наблю­дать составляющие спектра на экране анализатора. Эта величина оп­ределяется максимальной полосой качания частоты ГКЧ.

Время анализа — интервал времени Та, в течение которого полу­чают полное изображение исследуемого спектра на экране анализа­тора. За это время происходит изменение частоты напряжения ГКЧ от минимального до максимального значений.

Разрешающая способность характеризует минимальное рас­стояние по частоте между двумя соседними составляющими в спек­тре сигнала с равными амплитудами, при котором соответствующие им выбросы на экране анализатора спектра наблюдаются раздельно.

Анализаторы спектра характеризуются статической и динамиче­ской разрешающими способностями. Первая соответствует случаю, когда переходные процессы в УПЧ не искажают формы выбросов на экране анализатора, вторую определяют с учетом переходных про­цессов в избирательном устройстве анализатора.

Статическая разрешающая способность зависит только от ши­рины полосы пропускания УПЧ ΔfУПЧ. Для анализатора спектра по­следовательного типа статическая разрешающая способность

                                                              (13.4)

Динамическая разрешающая способность анализатора спектра зависит от скорости перестройки частоты ГКЧ. Дело в том, что при увеличении скорости изменения частоты ГКЧ напряжение на выходе УПЧ не успевает изменяться в соответствии с изменением напряже­ния на его входе, так как энергия, запасенная в колебательной систе­ме этого усилителя, не может измениться мгновенно. В результате и появляются динамические искажения АЧХ УПЧ и соответственно искажения формы эпюр на экране анализатора спектра. Подобное явление возникает в том случае, если время переходного процесса в УПЧ соизмеримо с временем изменения частоты колебаний на входе УПЧ в пределах его полосы пропускания. Отсюда время анализа опре­деляется неравенством (для упрощения формула приведена без вывода):

                                                                       (13.5.)

где ΔfГКЧ  ≈
f max — fmin;

A — коэффициент, определяемый схемой УПЧ и допустимыми динамическими погрешностями.

Из отмеченного следует, что время анализа спектра обратно про­порционально квадрату разрешающей способности анализатора. Чем выше разрешающая способность (меньше Δfp), тем больше должно быть время анализа. Для повышения разрешающей способности (уменьшения Δfp) применяют схемы с двойным или тройным преоб­разованием частоты, которые здесь не рассматриваются.

Между разрешающей способностью и временем анализа анали­затора спектра существует определенная связь. Время анализа обрат­но пропорционально квадрату разрешающей способности. Чем выше разрешающая способность, тем больше должно быть время анализа.

Необходимое время анализа для достаточно точного воспроизве­дения спектра сигнала при параллельном исследовании может быть принято равным τу — времени установления неизменного уровня на­пряжения на выходе фильтра с прямоугольной АЧХ и рабочей поло­сой ΔfΦ
(от уровня 0,1 до уровня 0,9 от установившегося значения). Из теории электрических фильтров известно, что время установления τу
≈ 0,86 (ΔfΦ), следовательно, Та ≈ τу = 1/(ΔfΦ). Тогда скорость парал­лельного анализа

                                                       (13.6)

В параллельных анализаторах при сужении полосы пропускания фильтра скорость анализа снижается. На погрешность при параллель­ном анализе влияют: конечность времени установления колебаний на выходе фильтра и зависимость ее от полосы пропускания, различие ха­рактеристик фильтров, настроенных на разные частоты.

Измеряют параметры составляющих спектра вспомогательными устройствами. Положение на оси частот отдельных спектральных со­ставляющих и характерных участков спектра определяют с помощью частотных меток. Одну частотную метку создают подачей на анализа­тор спектра вместе с исследуемым сигналом напряжения от измери­тельного генератора гармонических колебаний. При этом на экране анализатора спектра появится частотная метка — риска, соответст­вующая частоте сигнала измерительного генератора. Изменяя частоту этого генератора, добиваются совпадения метки с определяемой точ­кой спектра. Частоту спектральной составляющей анализируемого сигнала затем считывают со шкалы измерительного генератора.

Чтобы создать набор равноотстоящих друг от друга меток, в ана­лизаторах спектра применяют специальные генераторы (например, ге­нераторы частотно-модулированного сигнала). Из радиотехники из­вестно, что спектр частотно-модулированного сигнала состоит из ряда гармонических составляющих, отстоящих друг от друга на частоту мо­дуляции Fм. Предусматривают возможность изменять среднюю часто­ту колебаний fср и частоту модуляции Fм. При изменении частоты мо­дуляции меняют интервал между метками; при изменении средней частоты колебаний все метки сдвигают по оси частот. Напряжение от генератора частотно-модулированных колебаний вместе с исследуемым сигналом подают на вход анализатора спектра. При этом на эк­ране наблюдают картину наложения двух спектров. Изменяя парамет­ры напряжения калибровки (среднюю частоту и частоту модуляции), совмещают метки с характерными точками исследуемого спектра.

Современные анализаторы спектра могут обеспечить работу в диапазоне частот от 10 Гц до 40 ГГц с полосой пропускания 0,001...300 кГц и разрешающей способностью 1 кГц на высоких час­тотах. Погрешность измерения уровней напряжений достигает 5 %.