материалы за 2021г / литературные источники / [lect] Данилин А.А. - Измерения в радиоэлектронике

Рассмотрим работу последовательного АС на примере анализа спектра синусоидального сигнала (одной гармоники с частотой fc). Гетеродин

является генератором, управляемым напряжением. Поскольку закон измерения частоты в АС периодический (обычно пилообразный), его при-

нято называть генератором качающейся частоты. ГКЧ вырабатывает гармонический сигнал с постоянной амплитудой Up и меняющейся по

линейному закону частотой fг(t). Обычно частоту гетеродина делают вы-

ше верхней рабочей частоты АС. Частота ГКЧ связана с управляющим напряжением развертки up(t) линейным законом:

fг (t) = fгmin + ( fгmax − fгmin ) up (t) . (7.1)

Uр

На выходе смесителя возникают сигналы с комбинационными частотами, в том числе и с разностной частотой fг(t) − fс . Этот сигнал u2 про-

ходит через усилитель промежуточной частоты в какой-то момент времени t0, когда разностная частота совпадает с частотой настройки филь-

тра УПЧ:

fПЧ = fг (t0 ) − fс .

Форма сигнала u3 определяется АЧХ радиофильтра, что поясняется на рис. 7.8. На выходе детектора получают видеоимпульс u4. Он является

откликом (реакцией) последовательного АС на гармоническое воздействие. Этот импульс подают на осциллографический индикатор прибора. Форма отклика повторяет формуАЧХ УПЧ и для узкополосного фильтра может выглядеть как тонкая вертикальная линия. Момент времени t0,

когда импульс появляется на экране, зависит от частоты гармоники. Величина отклика пропорциональна амплитуде входного сигнала. Реакция АС на гармоническое воздействие представляет собой аппаратную функцию анализатора. Ее можно рассматривать как частотный аналог импульсной характеристики, являющейся характеристикой устройства во временной области.

Частотный диапазон анализа спектра (полоса обзора или полоса анализа fа) определяется модуляционной характеристикой гетеродина (7.1).

Нижнюю и верхнюю частоты полосы обзора устанавливают дискретной или плавной регулировкой соответствующих границ перестройки гетеродина. Поскольку управление частотой гетеродина производят пилообразным напряжением u1, то длительность прямого хода этого напряжения

равна времени анализа Tа. Это время, за которое анализатор сканирует

заданный диапазон частот спектра (полосуанализа). Этим же напряжением u1 производят горизонтальное отклонение луча осциллографического

индикатора. При линейности закона управления частотой гетеродина координата Х осциллографического индикатора представляет собой ось

174

частот входного сигнала. Отметим, что линейность напряжения развертки во времени большого значения не имеет, так как выражение (7.1) устанавливает однозначное соответствие между частотой и координатой X, а время является промежуточной переменной.

При наличии в составе спектра сигнала других гармоник процесс образования откликов происходит аналогично, но в другие моменты времени. Соответственно, их изображения (отклики спектроанализатора на гармонические составляющие сигнала) появляются в разных точках оси Х. Совокупность откликов на экране образуют спектрограмму последовательного АС. Высоты откликов пропорциональны амплитудам входных гармоник, расположение откликов на оси Х соответствует значениям частот гармонических составляющих входного сигнала.

Рассмотрим условия неискаженного воспроизведения спектрограм-

мы. Отклики повторяют форму АЧХ радиофильтра УПЧ только в статическом режиме, когда изменение частоты происходит медленно по сравнению со скоростью переходных процессов в фильтре. На практике приходится учитывать искажение формы откликов из-за инерционности радиофильтра (динамические искажения выходного напряжения фильтра). Степень искажений обычно определяют коэффициентом динамических

искажений μ. Он равен отношению постоянной времени фильтра τПФ к времени τ0 пребывания частоты в пределах полосы пропускания фильтра μ = τПФ τ0 . Постоянную времени можно оценить через полосу пропускания fУПЧ фильтра:

гдеA = 1…2 – коэффициент, зависящийотформыАЧХрадиофильтра. Время пребывания τ0 рассчитывают через скорость изменения часто-

ты ГКЧ vf = fа Tа и полосу пропускания радиофильтра УПЧ:

Отсюда коэффициент динамическихискаженийможнозаписать ввиде:

μ = A( f fа )2 T . (7.2)

УПЧ а

Примерная форма отклика спектроанализатора при различных μ пока-

зана на рис. 7.9. Условие статического режима μ < 1 (динамические искажения практически отсуствуют) для анализатора спектра является слишком жестким. Допустимо небольшое отклонение формы откликов при μ ~ 1. при этом из выражения (7.2) вытекает важное условие неиска-

175

женной спектрограммы, устанавливающее связь между временем анализа, полосой анализа и полосой пропускания УПЧ:

<<1

1

>>1

Рис. 7.9. Динамические искажения спектрограммы

Расчеты по формуле показывают, что при широкой полосе анализа и узкой полосе пропускания требуемое время анализа может быть весьма велико (десятки и даже сотни секунд). Например, при исследовании спектров в полосе анализа 1 ГГц и установленной полосе пропускания фильтра 1 кГц время анализа должно быть более 1000 с. Поэтому при настройке спектроанализатора приходится выбирать оптимальныеполосу обзора, время анализа и полосу пропускания УПЧ путем компромисса. Для большого времени анализа применяют запоминающие осциллографические трубки, а также цифровые осциллографические индикаторы с жидкокристаллическим дисплеем.

Кроме инерционности радиофильтра УПЧ, на форму отклика также влияет постоянная времени детектора. Ее определяет полоса пропускания видеофильтра детектора. Оптимальную полосу видеофильтра подбирают для сглаживания шумов и помех, присутствующих в сигнале. Узкую полосу пропускания видофильтра устанавливают при исследованияя шумовых спектров. Однако слишком узкая полоса видеофильтра вызывает динамические искажения спектрограммы, аналогичные показанным на рис. 7.9. Во многих случаях полосы пропускания радиофильтра УПЧ и видеофильтра детектора устанавливают одинаковыми.

Отметим, что на низких частотах нашли ограниченное применение приборы с ручной перестройкой частоты и индикаторами в виде стрелочного вольтметра – анализаторы гармоник. Они измеряют гармоники входного сигнала при ручной (медленной) перестройке частоты, что позволяет

176

избежать динамических искажений спектрограмм. В настоящее время анализаторыгармоникзаменены цифровымианализаторамиспектра.

Другое условие неискаженной спектрограммы – неизменность спектра сигнала за время анализа. Иными словами, в процессе сканирования полосы обзора спектр сигнала не должен меняться. Это соответствует условию, когда период сигнала T < Tа. При увеличении периода повторения интервал

между гармониками уменьшается, и с какого-то момента они сливаются вместе. Разрешение гармоник по частоте отсутствует. На экране можно наблюдать только огибающую спектра. При дальнейшем увеличении периода он становится соизмерим со временем анализа. Условие нескаженной спектрограммы T < Tа будет нарушено. В этом случае на экране спек-

троанализатора получим совокупность отдельных откликов АС на каждый входной сигнал. Поскольку период развертки и период входного сигнала в АС не синхронизируют, эти отклики будут перемещаться по экрану («бегущее» изображение). Получить спектр сигнала в этом случае не удается, однако такой вариант использования АС можно использовать для наблюдения огибающей спектральной плотности импульсных сигналов.

Рассмотрим задачу исследования спектра широкополосных импульсных сигналов малой длительности и большой скважности (τи < T). При

большом периоде повторения импульсов он становится соизмеримым с временем анализа Tа. Если постоянная времени фильтра УПЧ меньше

периода сигнала, то выходной сигнал УПЧ можно рассматривать как его реакцию на последовательность одиночных импульсов (рис. 7.10).

t

S(f)

fг(t) – fПЧ

Рис. 7.10. Спектральный анализ импульсов с большой скважностью

177

Каждому входному импульсу соответствует одиночный отклик спектроанализатора, причем эти отклики во времени не перекрываются. Общее число импульсов на экране равно Tа/T. Например, если Tа = 10T, то

на экране будут наблюдаться 10 откликов, соответствующих 10 входным импульсам. Поскольку в пределах узкой полосы пропускания УПЧ спектральную функцию импульса S( f ) можно считать постоянной, то воздей-

ствие импульса на фильтр аналогично воздействию δ-функции. Однако в момент прихода каждого импульса частота настройки АС разная. Поэтому амплитуда импульсного отклика АС будет пропорциональна значе-

нию спектральной функции на частоте fс = fг(tи) − fПЧ , где tи – момент

прихода импульса (см. рис. 7.10). Таким образом, огибающая откликов повторяет форму огибающей спектральной функции импульса. Поскольку частота входного сигнала не синхронизирована с частотой развертки, отклики будут перемещаться по экрану, создавая изображение спектральной плотности одиночного импульса. Спектральную функцию можно наблюдать и в случае непериодически повторяющихся импульсов.

Рассмотрим искажения спектрограмм, вызванные помехами, которые проходят на выход анализатора по зеркальному каналу приема. Этот канал характерен для супергетеродинного способа преобразования частоты, при котором в полосу пропускания УПЧ попадает как полез-

ный сигнал с разностной частотой fс = fг (t) − fПЧ , так и сигнал помехи с частотой fп = fг (t) + fПЧ , который выше частоты сигнала на удвоенную fПЧ. Помеха, имеющая эту частоту, будет преобразована на fПЧ и

создаст паразитный отклик, накладывающийся на полезный. Возникнет искажение спектрограммы.

Для исключения помех зеркального канала используют фильтрацию сигнала на входе анализатора. Это можно сделать, как в обычном радиоприемнике, перестраиваемым фильтром-преселектором, настроенным на частотуполезногосигнала. Однакореализовать электрически управляемый преселектор, обеспечивающий синхронность перестройки с гетеродином и постоянство коэффициента передачи, достаточно сложно. Поэтому в анализаторах спектра чаще используют входной неперестраиваемый фильтр, пропускающий весь рабочий диапазон частот АС и подавляющий сигналы с частотой зеркального канала. Для снижения требований к крутизне склонов АЧХ фильтра выбирают высокое значение ПЧ, раздвигая тем самым рабочую и зеркальную частоты. Однако на высокой промежуточной частоте трудно получить узкие полосы пропускания фильтра УПЧ. Выход из этого противоречия – в использовании двойного или тройного преобразования частоты в АС. Частоту первой ПЧ выбирают, исходя из условий эффективного подавления зеркального канала, частоту второй (или третьей) ПЧ – с точки зрения простоты реализации узкополосного фильтра. При этом только у первого гетеродина частота перестраивается в процессе анализа. Второй (и третий) гетеродины имеют фиксированную частоту.

178

Измерение параметров спектральных составляющих производят по спектрограмме. Амплитуды (уровни) спектральных составляющих измеряют, как правило, методом калиброванных шкал (аналогично осциллографу). Вертикальная шкала перед измерениями калибруется в единицах напряжения по образцовому гармоническому сигналу, подаваемому на вход прибора. Часто в спектроанализаторах применяют логарифмический масштаб по вертикали. Делают это с помощью логарифмирующего функционального преобразователя в канале Y индикатора. В этом случае шкалу градуируют в логарифмических уровнях мощности относительно 1 мВт (дБм).

Метод калиброванных шкал применяют и для измерений частоты. Предварительно горизонтальную ось калибруют по сигналу встроенного калибратора АС. Для этой цели применяют кварцевые генераторы гармоник – образцовый генератор коротких видеоили радиоимпульсов. Частоту повторения импульсов обычно делают 1, 10 или 100 МГц, что определяют цену деления шкалы частот. Сигнал калибратора подают на вход АС вместе с исследуемым сигналом. Спектр калибрационных импульсов достаточно широк и содержит гармоники высших порядков. Расстояние между откликами гармоник равно частоте повторения сигнала калибратора. Меняя частоту несущей радиоимпульсов, перемещают спектр калибратора в область полосы обзора анализатора. Сравнивая исследуемый и образцовый сигналы, по масштабной сетке проводят измерение частот гармоник сигнала.

Для точных измерений частоты метод калиброванных шкал не всегда подходит из-за низкой стабильности установки частотного диапазона спектроанализатора. Поэтому в АС часто используют метод сравнения с эталоном. На вход прибора вместе с исследуемым подают гармонический сигнал с точно известной частотой. На экране появится отклик, фактически являющийся перемещаемой частотной меткой. Плавно меняя частоту сигнала, перемещают метку по спектрограмме. Совмещая ее с откликами гармоник сигнала, фиксируют частотугармоник.

Наиболее точным способом измерения частоты на экране АС является метод стоп-метки. На пилообразном напряжении генератора развертки создают плоскую ступеньку длительностью tм (рис. 7.11).

179

В момент появления ступеньки перестает меняться частота ГКЧ. Не происходит и перемещения луча по оси X, поэтому на экране образуется яркая точка – стоп-метка. В момент остановки частоты вырабатывается импульс запуска внутреннего или внешнего электронно-счетного частотомера (ЭСЧ), который измеряет частоту гетеродина. Время измерения должно укладываться в длительность ступеньки (обычно достаточно 0.1 с). Зная частоту УПЧ, можно рассчитать частоту входного сигнала, соответствующую моменту остановки частоты.

Для исключения расчетов и прямого измерения частоты методом стоп-метки в современных спектроанализаторах предусматривают канал следящего генератора (tracking generator). Канал содержит кварцевый генератор с частотой fкв, равной частоте настройки УПЧ, и смеситель,

идентичный тому, который установлен в канале сигнала (рис. 7.12).

fг(t) – fПЧ

Г

Рис. 7.12. Канал следящего генератора

На выходе смесителя выделяется сигнал с частотой fг (t) − fкв = fг(t) − fПЧ , который подается на ЭСЧ и измеряется. Частота

этого сигнала равна частоте входного сигнала в момент образования ступеньки стоп-метки. Преимуществом метода стоп-метки является высокая точность измерения частоты. В момент остановки частоты исчезают динамические искажения отклика, что может быть использовано для уточнения амплитуды и частоты гармоники. К недостаткам следует отнести увеличение времени анализа и необходимость ручного управления положением стоп-метки.

180

Основные параметры анализаторов спектра последовательного типа и области их применения

Рабочий диапазон частот – это тот частотный диапазон, в котором возможен анализ спектра данным прибором. Рабочий диапазон может быть разбит на поддиапазоны.

Полоса обзора (полоса анализа) – это диапазон частот, в котором производится обзор спектра сигнала за один ход развертки. Полоса обзора может регулироваться от максимального значения до нуля. В последнем случае спектроанализатор превращается в измерительный приемник с ручной перестройкой частоты.

Время анализа (время обзора) – это время, за которое спектроанализатор перестраивается в пределах полосы обзора. Оно равно длительности прямого хода развертки и может регулироваться в широких пределах (от единиц миллисекунд до десятков секунд и более). Если в АС предусмотрен ручной режим перестройки по частоте, то время анализа не ограничено. Этот режим используют при работе с особо узкими полосами УПЧ.

Разрешающая способность – минимальная разность частот двух спектральных составляющих, при которой они на экране фиксируются раздельно и могут быть измерены. Численно разрешающая способность задается разностью частот двух гармоник U1 и U2, которые создают изоб-

ражение откликов, пересекающихся на определенном уровне. Обычно используют пересечение на уровне 0.707 (–3 дБ) от амплитуд откликов или на уровне 0.5 (–6 дБ) (рис. 7.13). Отметим, что разрешающая способность показывает лишь возможность визуально различить отклики. На точности измерения амплитуд и частот гармоник она сказывается только при большой ширине откликов.

Un

f

fp. c

Рис. 7.13. Спектрограмма, соответствующая разрешающей способности АС последовательного типа

181

Различают статическую и динамическую разрешающие способности последовательного АС. Статическая определяется шириной полосы пропускания УПЧ. Для типовой формы АЧХ УПЧ используют эмпирическую оценку статической разрешающей способности:

fp.с 3 fУПЧ .

Динамическая разрешающая способность определяется степенью расширения отклика из-за динамических искажений в фильтре УПЧ. Форма огибающей на выходе радиофильтра и, соответственно, ширина отклика на экране будут отличаться от статической. Поэтому разрешающая способность АС зависит от времени анализа и полосы обзора (анализа) fа. Из условия (7.3) следует, что при очень узких полосах пропуска-

ния время анализа должно быть достаточно велико – единицы и десятки секунд. При невыполнении условия на экране наблюдается расширение отклика и искажение спектрограммы. Последнее приводит к снижению разрешающей способности, поэтому динамическая разрешающая способность всегда хуже статической.

Методы улучшения динамической разрешающей способности:

•увеличение времени анализа. При исследовании сигналов с близкими гармониками используют большое время анализа при минимально возможной полосе пропускания радиофильтра. В наиболее сложных случаях переходят к ручной перестройке частоты;

•расширение полосы пропускания радиофильтраУПЧ. При этом некоторое снижение статической разрешающей способности компенсируется уменьшением динамических искажений;

•использование стоп-метки. В точке остановки частоты динамических искажений нет. Частотная метка всегда располагается на контуре статического отклика и искажения в этой точке отсутствуют.

Чувствительность АС – это минимальный уровень входного гармонического сигнала, который может быть измерен с заданной точностью. Чувствительность ограничена, как правило, внутренними шумами прибора. Количественно она оценивается как минимальное значение синусоидального сигнала, при котором его отклик превышает уровень шумов на экране прибора в заданное число раз (например на 20 дБ). В технических параметрах АС часто указывают уровень собственных шумов прибора, который позволяет оценить чувствительность по любому отношению сигнал/шум.

Максимальный уровень входного сигнала определяется уровнем допу-

стимых искажений исследуемого спектра при воздействии сигнала на входные активные блоки прибора. При перегрузках большим сигналом в спектрограмме появляются дополнительные паразитные составляющие, а амплитуды существующих откликов могут измениться.

182