3. Аналоговые фильтровые анализаторы спектра

Всю совокупность (приборов, применяемых для анализа спектра сигналов, можно условно разделить на аналоговые и цифровые. Они различаются как 'принципами построения, так и характерис­тиками. Несмотря на многие достоинства, возможности цифровых анализаторов, возросшие вследствие введения в состав прибора микропроцессоров, аналоговые анализаторы широко применяются. Они сохраняют свои позиции особенно в верхней части высоко­частотного диапазона и СВЧ диапазона. Но такие анализаторы в современном исполнении, как правило, содержат и цифровые уст­ройства. Значительное место, отведенное рассмотрению аналого­вых анализаторов, объясняется не только и не столько этой при­чиной, сколько тем, что по его ходу освещается ряд общих воп­росов аппаратурного спектрального анализа.

Экспериментальный анализ спектров осуществляется различ­ными методами. В аналоговых анализаторах преимущественно воплощен один из трех методов: фильтрации, дисперсионный или рециркуляционный. Настоящий параграф посвящен первому из них.

Метод фильтрации, способы анализа. Этот метод наиболее ши­роко используется в аналоговых анализаторах. Основной элемент таких приборов — полосовой фильтр с узкой полосой пропуска­ния, служащий для выделения отдельных частотных составляющих или узких участков исследуемого спектра.

Возможны два основных способа анализа методом фильтра­ции: одновременный (параллельный) и последовательный.

Одновременный анализ осуществляется с помощью совокупнос­ти узкополосных фильтров ( высокодобротных резонаторов) с иден­тичными АЧХ, каждый из которых настроен на определенную частоту. При одновременном воздействии исследуемого сигнала на все фильтры (резонаторы) каждый из них выделяет соответ­ствующую его настройке составляющую спектра (рис. 7.1,а).

Последовательный анализ производится посредством одного узкополосного фильтра, перестраиваемого в широкой полосе частот.

Фильтр последовательно настраивают на (различные частоты. При каждой новой настройке он выделяет очередную составляю­щую спектра (рис. 7.1,6).

Сравнивая одновременный и последовательный способы ана­лиза, сразу можно заключить, что первый имеет намного более высокую скорость анализа, чем второй. Важно отчетливо предста­вить, что главная причина ограничения скорости анализа при по­следовательном способе кроется не столько в необходимости пере­стройки фильтра, требующей времени, сколько в продолжитель­ности переходных процессов, возникающих в фильтре при его возбуждении. Чем уже полоса пропускания фильтра, тем медлен­нее устанавливаются процессы в нем.

При быстрой перестройке данная спектральная составляющая не успевает в должной мере «раскачать» фильтр, и еще до окончания переходного процесса при данной частоте фильтр уже оказывается настроенным на час­тоту другой составляющей спектра. Это, разумеется, искажает результаты анализа.

Последовательный анализ эффективен при исследовании перио­дических процессов, медленно меняющихся по сравнению с про­должительностью анализа. Для исследования быстро протекаю­щих процессов и, в частности, одиночных, неповторяющихся им­пульсов этот способ анализа непосредственно использован быть не может.

Продолжая сравнивать два способа анализа, легко установить, что аппаратура, .необходимая для одновременного анализа, слож­на. Очевидно, что одновременный анализ требует применения многоканальных анализаторов с большим числом каналов (напри­мер, для одновременного выделения 50 составляющих спектра не­обходим пятидесятиканальный прибор). Аппаратура для последо­вательного анализа намного проще. Именно поэтому последовательный анализ стремятся распространить на возможно большее число случаев исследования спектра, применяя различные приемы Для ускорения анализа. Например, оказывается, что этот способ анализа вполне применим для исследования спектров одиночных сигналов, которые по условиям эксперимента повторяют через большие (по сравнению с длительностью сигнала) интервалы вре­мени. Известны и методы, позволяющие 'Строить аппаратуру для последовательного анализа спектра одиночного импульса.

Принцип получения изображения спектра. Конкретные схемы и конструкции приборов, осуществляющих анализ спектров мето­дом фильтрации, разнообразны, но характерным, принципиальным узлом является узкополосная система, выделяющая спектральные составляющие или участии спектра. В осциллографических анали­заторах с последовательным анализом предусматривают электрон­ную перестройку в весьма широком диапазоне частот. Перестройка достилается в результате видоизменения способа анализа: вместо того чтобы передвигать среднюю частоту полосового фильтра по шкале частот относительно неподвижного спектра, перемещают спектр относительно фиксированной средней частоты фильтра. При этом отдельные спектральные линии или участи спектра после­довательно совпадают с полосой пропускания фильтра вследствие относительного их перемещения по шкале частот.

Подобное видоизменение способа последовательного анализа достигается гетеродинным преобразованием частоты. Поясним его сущность.

На рис. 7.2 показана схема приемника сигналов с гетеродин­ным преобразователем. Включение в схему оконечного показы­вающего прибора превращает приемник в селективный (избира­тельный) вольтметр.

Усилитель промежуточной частоты — это, как известно, резо­нансный усилитель, настроенный на частоту и имеющий узкую полосу пропускания избирательного элемента: . Он выпол­няет роль избирательного устройства — полосового фильтра.

Если на вход l смесителя поступает от внешнего источника синусоидальный сигнал частотой , а на вход 2 синусоидальный сигнал гетеродина частотой , то на выходе смесителя, представляющего собой нелинейный элемент,

образуется совокупность сигналов комбинационных частот и в том числе разностной, проме­жуточной частоты

Этот сигнал выделяется УПЧ, так как только он попадает в по­лосу пропускания.

Предположим, что на вход при­бора подан периодический сигнал

в спектре которого содержатся п существенных составляющих, т. е. линии частот (рис. 7.3). Для того чтобы выделить составляющую спектра частотой і, необходимо настроить гетеродин на частоту такую, что . Тогда эта составляющая попадет в полосу про­пускания УПЧ. Его выходное напряжение после детектирования будет зафиксировано показывающим прибором. Параметр напря­жения зависит от вида детектора: при квадратичном фиксируется среднеквадратическое значение, при пиковом — пиковое. Если за­тем перестроить ігетеродин, установив частоту , при которой раз­ность (та рис. 7.3 это показано штриховой линией), то будет выделена составляющая чистотой fi. Аналогично можно вы­делить каждую из п составляющих спектра сигнала. Условие вы­деления только одной составляющей спектра (а не группы состав­ляющих) заключается в выполнении неравенства .

Установив в схеме, изображенной на рис. 7.2, автоматически перестраиваемый гетеродин и осциллографический индикатор, по­лучим анализатор спектра. Упрощенная схема такого прибора по­мазана на рис. 7.4. Ее работу поясняет рис. 7.5.

Исследуемый сигнал поступает через входной блок на вход 1 смесителя, к входу 2 которого подводится напряжение линейно- частотно-модулированного (ЛЧМ) гетеродина, представляющего собой генератор качающейся частоты (рис. 7.5). Гетеродин наст­раивается по частоте так, чтобы средняя частота полосы качания была близка к значению частоты, соответствующему середине по­лосы частот, занимаемой спектром исследуемого сигнала. Линей­ная частотная модуляция (качание частоты) достигается в ре­зультате воздействия на гетеродин линейно-изменяющегося напря­жения генератора развертки, которое подается одновременно на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. Таким образом, перемещение электронного луча трубки по гори­зонтали пропорционально частоте, и горизонтальная ось служит осью частот.

Отклонение луча по вертикали определяется сигналом, посту­пающим на вертикально отклоняющие пластины трубки с выхода приемника, содержащего узкополосный УПЧ. Напряжение проме­жуточной частоты в результате детектирования преобразуется в видеоимпульс, поступающий после усиления на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.

При этом на экране наблюдается вер­тикальная светящаяся линия, высота которой пропорциональна значению напряжения выделенной составляющей спектра.

К ак видно из .рис. 7.5, частота ЛЧМ гетеродина , изменяясь во времени по линейному закону, принимает множество значений от . В момент времени , когда значение частоты гетеродина отличается от значения частоты первой состав­ляющей спектра сигнала на значение промежуточной частоты

т. е. , в полосу про­пускания УПЧ попадает напря­жение первой составляющей Луч ЭЛТ в момент находит­ся в точке, близкой к крайнему левому положению, и в этой точке наблюдается вертикаль­ная светящаяся линия, соот­ветствующая составляющей . Когда значение частоты гете­родина станет таким, что (момент времени ), выделится составляющая , и так как за время луч пе­реместится вправо, то правее первой светящейся линии рас­положится вторая вертикаль­ная светящаяся линия, соот­ветствующая составляющей .

Аналогично рассуждая, найдем, что в момент времени будет выделена составляющая и в момент времени — составляю­щая . Таким образом, за цикл качания частоты гетеродина, рав­ный длительности (периоду) развертывающего напряжения, будут выделены п составляющих спектра. Циклы качания много­кратно и синхронно повторяются. На экране наблюдается изобра­жение спектра исследуемого сигнала, состоящее из совокупности светящихся линий.

Отдельные составляющие, как уже отмечалось, можно выде­лить только тогда, когда полоса пропускания УПЧ много меньше расстояния по оси частот между двумя соседними составляющими спектра сигналя. Если это условие не выполняется, то выделяет­ся сразу группа спектральных составляющих — участок спектра.

Далее остановимся на особенностях анализа спектра перио­дической последовательности прямоугольных радиоимпульсов с большой скважностью (рис. 7.6). При использовании прибора с полосой пропускания , большей частоты следования импуль­сов, аппаратурный анализ сводится к получению формы огиба­ющей спектра. Так как огибающая оплошного спектра оди­ночного короткого импульса длительностью аналогична огибаю­щей дискретного спектра -периодической последовательности по­добных импульсов, а к началу каждого последующего импульса ко­лебания, возбужденные предыдущим импульсом, практически зату­хают, то можно считать, что исследуется сплошной спектр корот­кого импульса длительностью , периодически повторяющийся на входе (прибора через значительные промежутки времени ( — период следования импульсов). На рис. 7.7,а показа­ны шесть сплошных спектров, каждый из которых соответствует импульсу (с тем же номером) последовательности, изображенной на рис. 7.6.

В радиотехнической практике определение формы огибающей часто является основной целью аппаратурного анализа спектра. Принцип получения изображения спектра на экране ЭЛТ анали­затора, изображенного на рис. 7.4, щ общем аналогичен рассмот­ренному принципу отображения 'Спектрограммы, но отмеченное ус­ловие определяет отличия.

При анализе спектра радиоимпульсов гетеродин настраивается по частоте так, чтобы его средняя частота была близка к несу­щей исследуемого сигнала. Приемник (УПЧ) выделяет не отдель­ную частотную составляющую, а узкий участок спектра, частота средней составляющей которого отличается в

данный момент от частоты гетеродина на промежуточную частоту (рис. 7.7).

Выходной сигнал УПЧ определяется напряжением, нарастаю­щим :в УПЧ к концу действия импульса, поступающего на вход приемника. Напряжение промежуточной частоты в результате детектирования преобразуется в видеоимпульс, подаваемый после усиления на вертикально отклоняющие пластины. При этом на экране осциллографа (рис. 7.8) наблюдается вертикальная светя­щаяся полоска, высота которой пропорциональна среднему зна­чению мощности соответствующего участка спектра в полосе час­тот (детектор квадратичный).

С приходом на смеситель в момент первого радиоимпульса УПЧ выделяет узкий участок 1 спектра, средняя частота которо­го отличается от частоты гетеродина в данный момент на (рис. 7.7,а и б). На экране появляется светящаяся полоска 1, вы­сота которой при квадратичном детекторе пропорциональна сред­нему значению мощности участка 1 спектра (рис. 7.7 и 7.8), а положение на оси частот определяется частотой гетеродина . В момент t₂, отличающийся от момента t_{ на период повторения исследуемых импульсов Тс (рис. 7.6 и 7.7), на вход анализатора поступает второй импульс. УПЧ выделяет из спектра узкий учас­ток 2, средняя частота которого ниже частоты гетеродина на (рис. 7.7,а и б). На экране возникает соответствующая это­му участку светящаяся полоска 2 (рис. 7.7,а и 7.8) и т. д. Каждому новому повторению импульса на входе прибора в течение цикла качания частоты гетеродина соответствует »новая светящаяся полоска на экране трубки.

Число наблюдаемых полосок определяется числом импульсов, поступающих в анализатор за время одного периода развертки осциллографа (цикла качания частоты гетеродина). В случае крат­ности частоты следования импульсов частоте развертки при каждом новом цикле развертки полоски, соответствующие одному и тому же участку спектра, будут появляться в одном и том же месте.

Таким образом, на экране будет наблюдаться изображение спектра, состоящее из совокупности светящихся полосок, число которых тем больше, чем больше отношение Оги­бающая полосок соответствует огибающей спектра мощности ис­следуемого сигнала.

Чтоб анализатор спектра работал в широком диапазоне частот, применяют гетеродин с широкодиапазонной перестройкой. В этих условиях возможен анализ сигналов, образующих проме­жуточную частоту при смешении с гармониками гетеродина.

Для определения разности частот между характерными точ­ками спектра (ширины полосы основного лепестка спектра, огра­ниченного точками пересечения с осью частот) в анализаторе спек­тра предусмотрена возможность получения калибровочных частот­ных меток. Во многих приборах их получают с помощью специ­ального калибратора (рис. 7.4), состоящего из генератора, иден­тичного гетеродину, и модулятора. На экране наблюдается час­тотный спектр .калибровочного генератора (рис. 7.9,а). Этот спектр используется в качестве частотных меток (рис. 7.9,б).

Структурная схема анализатора с многократным преобразова­нием частоты. При изложении принципа получения изображения линейчатого спектра было подчеркнуто принципиальное положе­ние: чтобы различать соседние составляющие спектра сигнала, по­лоса пропускания УПЧ должна быть очень узкой по сравнению с расстоянием по оси частот между соседними составляющими спектра. Однако попытка решить эту задачу в рамках структурной схемы, изображенной на рис. 7.4, не привела к успеху, так как трудно избежать наложения спектрограмм, образуемых по пря­мому и по зеркальному каналам приемника. Поясним смазанное более подробно.

Напряжение промежуточной частоты на выходе УПЧ можно получить в двух случаях: когда частота гетеродина выше час­тоты сигнала и когда частота гетеродина ниже частоты сигнала (в этом случае рис. 7.10,а). Следовательно, если не приняты меры, то приемник анализатора после установки частоты гетеродина с одинаковой возможно­стью принимает сигналы частот и — по прямому и по зер­кальному каналам (частоту называют основной, а — зер­кальной частотой).

Очевидно, что чем ниже , тем сложнее отличать сигнал, при­нятый по прямому каналу, от сигнала, принятого по зеркальному каналу. Поэтому следует стремиться ік высокому значению . Однако при очень узкой полосе пропускания УПЧ значение промежуточной частоты , определяемое добротностью полосо­вого фильтра УПЧ , получается низким. Так, если выб­рать , то при промежуточная частота имеет зна­чение .

Выполнить эти два противоречивых требования (высокая при узкой полосе пропускания ) удается їв анализаторе с мно­гократным гетеродинным преобразованием частоты, пример струк­турной схемы которого показан на рис. 7.10,6. Рассмотрим его схемные особенности.

В составе входного бока предусмотрен ФНЧ, частота среза которого равна или чуть выше верхней граничной частоты диа­пазона прибора. Таким образом, сигналы частотой выше на смеситель I не поступают.

Гетеродин I — ЛЧМ генератор, т. е. генератор, управляемый по частоте линейно-изменяющимся развертывающим напряжением, поступающим из дисплея. Гетеродины II и III имеют фиксиро­ванную настройку.

Первая промежуточная частота выбрана более высокой, чем верхнее граничное значение частоты рабочего диапазона

анализатора. Соответственно, частота гетеродина I долж­на изменяется от

Выходное напряжение УПЧ1 служит входным сигналом для смесителя II, где смешивается с напряжением гетеродина II, зна­чение частоты которого фиксировано. Вторая промежуточная частота значительно ниже Это позволяет иметь полосу пропускания заметно уже полосы . Напря­жение второй промежуточной частоты подается на вход сме­сителя III и смешивается в нем с напряжением гетеродина III, настроенного на фиксированное значение частоты . Третья промежуточная частота Третий УПЧ состоит из кварцевого полосового фильтра с очень узкой полосой пропуска­ния и усилителя. Выходное напряжение последнего детектируется (квадратичным детектором) и поступает на вертикально откло­няющие пластины ЭЛТ дисплея.

Основные характеристики фильтровых анализаторов. При выборе анализа­тора необходимо следить за тем, чтобы его характеристики сочетались с пара­метрами и характеристиками исследуемого сигнала. Поэтому необходимо четко представлять сущность основных характеристик фильтрового анализатора спект­ра.

Диапазон частот характеризует граничные значения частотного интервала, в котором анализируются спектры сигналов.

Разрешающая способность определяет минимальное расстояние по оси час­тот между двумя составляющими спектра, при котором могут быть выделены отдельные линии и измерены их уровни. Когда проводится анализ сплошных спектров, от разрешающей способности зависит ширина «вырезаемого» участка спектра.

Мерой разрешающей способности анализатора является полоса пропускания его избирательного элемента. Если в полосу попадает несколько линий иссле­дуемого спектра, то анализатор их не разделяет. Разрешающую способность, яв­ляющуюся функцией лишь параметров полосового фильтра, называют стати­ческой. От нее отличают динамическую разрешающую способность, ко­торая зависит как от параметров избирательной системы, так и от скорости из­менения сигнала. Динамическая разрешающая способность, являющаяся истин­ной разрешающей способностью анализатора, определяется динамической харак­теристикой (резонансной кривой) избирательной системы прибора.

Поясним эту характеристику более подробно. Обычная, статическая, резо­нансная кривая характеризует свойства резонатора в установившемся режиме, который наступает по окончании переходных процессов, возникающих в начале возбуждения. Теоретически переходные процессы заканчиваются через интервал после момента включения.

Практически время установления конечно и, как известно, прямо пропорционально добротности избирательной системы или обратно пропорционально ее полосе пропускания (А—коэффи­циент, зависящий от типа избирательной системы). Так как системы, применяе­мые в анализаторах, принципиально имеют высокую добротность (узкую полосу пропускания), то (время установления в них значительно и нередко может пре­вышать время действия сигнала или интервал, на который полосовой фильтр «останавливается» у данной составляющей. Отсюда следует, что резонансная кривая фильтра неодинакова в различные моменты времени: она тем острее, чем больше время действия или продолжительнее «остановка». Поэтому вводят понятие динамической резонансной кривой, характеризующей зависимость модуля ко­эффициента передачи системы при воздействии на нее сигнала, частота которого изменяется линейно с некоторой конечной скоростью. Иначе говоря, при анализе спектра необходимо иметь в виду динамическую погрешность.

Продолжительность одновременного анализа обусловлена временем установ­ления колебаний. Она обратно пропорциональна полосе пропускания одиноч­ного полосового фильтра, т. е. Если применяются фильтры с одина­ковыми относительными полосами пропускания

Продолжительность последовательного анализа прямо пропорциональна ши­рине исследуемого спектра F и обратно пропорциональна квадрату полосы про­пускания избирательной системы:

(7.23)

Чувствительность низкочастотных осциллографических анализаторов выра­жают в милливольтах или микровольтах (причем предполагается, что изображе­ние занимает весь экран). Чувствительность анализаторов СВЧ характеризуют такими же параметрами, как чувствительность приемников СВЧ. У различных анализаторов она составляет 10^-7... 10~¹⁴ Вт. В паспорте обычно указывают чув­ствительность по отношению к монохроматическим сигналам. При исследовании спектров импульсных сигналов чувствительность значительно ниже и при неиз­менной полосе пропускания уменьшается с укорочением длительности импуль­са .

Диапазон качания частоты гетеродина определяется шириной анализируемо­го спектра. Для получения изображения спектра прямоугольного радиоимпульса, которое содержит основной лепесток и по три боковых лепестка с каждой сто­роны, требуется диапазон качания (удвоенная девиация частоты)

Частота развертки характеризует число циклов качания частоты гетеродина в секунду. Ее выбирают так, чтобы обеспечить достаточно большое число m светящихся полосок в изображении спектра. Частота развертки F_p , число поло­сок m и частота следования импульсов F_с связаны соотношением F_p = F_c / m. Изображение удобно для наблюдения, если в его основном лепестке и двух боковых с каждой стороны содержится примерно 40... 60 полосок. Иногда для получения такого числа полосок приходится применять низкие частоты разверт­ки, что приводит к мерцанию изображения. В подобных случаях прибегают к фоторегистрации спектрограмм.