4.7 Анализаторы спектра частот

Разложение в ряд Фурье сигнала сложной формы позволяет пред­ставить его в виде суммы гармоник, каждая из которых имеет свое максимальное значение, частоту и фазу. Совокупность этих гармо­ник определяет полный спектр сигнала. Наиболее полное представ­ление о спектральном составе сигнала дает распределение амплитуд или мощности по частотам (между амплитудой гармоник и ее мощ­ностью существует однозначная зависимость). Экспериментальный анализ спектра сигнала проводится с помощью анализаторов - высокочастотных и низкочастотных.

Различают два метода анализа спектров: одновременный (парал­лельный) и последовательный.

При одновременном, анализе спектра используют совокупность идентичных узкополосных фильтров, каждый из которых настроен на разные достаточно близкие частоты . При одновременном воздействии исследуемого сигнала на все фильтры каждый фильтр выделяет соответствующую его настройке составляющую спектра. Максимум каждой гармоники измеряют селективным пиковым вольт­метром (см. гл. 5), их частоту - по шкале настройки фильтра. Ана­лизаторы, работающие по методу одновременного анализа, гро­моздки, но обладают более высокой скоростью анализа и их можно применять для анализа спектра одиночных импульсов в области низ­ких частот.

При последовательном анализе спектра исследуемый сигнал воздействует на один узкополосной фильтр, который последовательно перестраивается в широкой полосе частот. При каждой настройке фильтр выделяет очередную гармонику и селективный пиковый вольтметр измеряет ее амплитуду. В качестве перестраивающихся фильтров обычно применяют Т-образные RC-мосты. На практике наибольшее распространение получили осциллографические анализаторы спектра, где вместо перестраиваемого фильтра использу­ется один узкополосный фильтр с фиксированной настройкой и гете­родинный принцип преобразования частоты. Гетеродин - маломощ­ный генератор перестраиваемой частоты - позволяет весь спектр частот исследуемого сигнала перемещать по отношению к фик­сированной частоте фильтра.

Схема анализатора спектра представлена на рис. 4.17, где осциллографический анализатор спектра представляет собой панорам­ное устройство, с помощью которого можно наблюдать спектр ча­стот исследуемого сигнала на экране ЭЛТ в прямоугольной системе координат в виде вертикальных линий. Абсциссы определяют ча­стоту гармоник, а высота вертикальных линий (ординат) соответ­ствует максимальным значениям напряжения или мощности.

Рисунок 4.17 – Схема анализатора спектра

Исследуемый периодический сигнал сложной формы через атте­нюатор, ограничивающий его амплитуду, поступает на смеситель, ко второму входу которого подводится напряжение генератора ка­чающей частоты (гетеродина). Средняя частота этого генератора близка к несущей частоте исследуемого сигнала. Линейное измене­ние частоты во времени (качание частоты) производится изменением напряжения генератора развертки, подаваемого одновременно на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ. Вследствие перемеще­ния электронного луча по горизонтали пропорционально частоте горизонтальная ось является осью частот.

В результате взаимодействия частоты исследуемого сигнала с частотой генератора качающей частоты исследуемый сигнал преобразуется в сигнал разностной промежуточной частоты . Узкополосный фильтр, настроенный на фиксированную промежуточную частоту , имеет узкую полосу пропускания . Гармоники, частота которых лежит в полосе пропускания узкопо­лосного фильтра , усиливаются и после детектирования в квадратичном детекторе (см. гл. 5) и усиления в видеоусилителе поступают на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Отклоне­ние луча по вертикали пропорционально амплитуде определенной узкой полосы спектра исследуемого сигнала от до .

Амплитуда каждой составляющей спектра пропорциональна ее мощности (при использовании квадратичного детектора) или напря­жению (при использовании линейного детектора).

Так как горизонтальная развертка луча происходит синхронно с изменением частоты гетеродина под действием одного и того же пилообразного напряжения, на экране ЭЛТ будет наблюдаться гра­фическое изображение спектра частот исследуемого сигнала.

Количество наблюдаемых полосок определяется числом сигналов, поступающих в анализатор за время одного периода развертки осциллографа (цикла качания частоты).

Анализатор содержит калибратор частоты, состоящий из генера­тора, идентичного генератору качающей частоты, и модулятора. Для создания калибровочных частотных меток калибровочный ге­теродин работает на частоте , близкой к средней частоте основ­ного гетеродина, его колебания модулируются по амплитуде коле­баниями частоты , создаваемыми модулятором и образующими спектр частот (где ), расстояние между кото­рыми равно частоте модулирующего напряжения. Колебания калибратора через собственный аттенюатор, позволяющий регулиро­вать амплитуду меток, воздействуют на смеситель. При совпадении частоты основного генератора качающей частоты с частотой калиб­ратора возникают нулевые биения, приводящие к появлению всплес­ков (меток) на кривой спектра через выбранные частотные интер­валы .

Основными характеристиками анализатора спектра являются:

рабочий диапазон частот - диапазон частот, в котором анали­зируются спектры сигналов. Рабочий диапазон частот определя­ется в основном диапазоном перестройки генератора качающей частоты;

разрешающая способность - минимальное расстояние по оси частот между двумя составляющими спектра, при котором могут быть выделены отдельные линии и измерены их уровни. Разрешаю­щая способность в основном определяется шириной полосы пропу­скания усилителя промежуточной частоты и диаметром светового пятна на экране. Чем меньше , тем большее число спектральных составляющих можно различать на экране; , где - длительность исследуемых импульсов. Фиксированную промежуточ­ную частоту выбирают таким образом, чтобы при минимальной длительности исследуемого импульса изображение спектра, получаемое по зеркальному каналу приемника, не накладывалось на спектрограмму основного канала;

время анализа — время, в течение которого получают изображе­ние исследуемого спектра на экране анализатора. За это время происходит изменение частоты напряжения гетеродина от минималь­ного до максимального значения. Время анализа обратно пропор­ционально квадрату разрешающей способности. Промышленностью выпускаются осциллографические анализаторы спектра СЧ-27, 28, предназначенные для исследования спектра повторяющихся радио­импульсов и непрерывных периодических сигналов с диапазоном рабочих частот от 0,01 до 39,6 ГГц; анализаторы спектра СЧ-30; СЧ-31; СЧ-32 — для исследования спектра повторяющихся ра­диоимпульсов непрерывных периодических колебаний с рабочей фиксированной частотой соответственно 30, 60, 26 МГц; анализатор спектра СЧ-46, предназначенный для визуального наблюдения и относительного измерения спектральных составляющих спектра непрерывных периодических сигналов и формы спектра стационар­ных шумов с рабочим диапазоном частот 0,1—270 МГц.