книги из ГПНТБ / Найдеров, В. З. Специальные радиотехнические измерения

раметров не каждой составляющей спектра, а оценка той доли энергии сигнала, которую несут высшие (побочные) гармоники, т. е. определение коэффициента нелинейных искажений. Такие приборы называются измерителями нелинейных искажений. Они применяются, как правило, для исследования колебаний низких частот.

Согласно общесоюзной классификационной системе радиоизмерительных приборов анализаторы спектра обозначаются С4, анализаторы гармоник — С5, а измерители нелинейных искаже­ ний — С6.

Принципы работы анализаторов гармоник и анализаторов спектра практически одинаковы. Основное отличие состоит в том, что анализатор гармоник обеспечивает последовательное измере­ ние амплитуды каждой из гармоник (обычно с помощью стрелоч­ ного прибора), а анализатор спектра позволяет автоматически получать на индикаторе (чаще всего осциллографическом) визу­ альное изображение всего спектра. Применяются также анализа­ торы спектра с самописцами.

Простейшим анализатором гармоник (анализатором спектра) является резонансный волномер с высокой добротностью. После­ довательно настраивая волномер на отдельные гармонические со­ ставляющие исследуемого сигнала, можно определить их частоты и амплитуды, а затем по точкам построить изображение спектра этого сигнала. Однако такой прибор имеет низкую разрешающую способность и невысокую точность определения амплитуд.

Рассмотрим принципы построения современных анализаторов спектра и измерителей нелинейных искажений.

§ 10.2. АНАЛИЗАТОРЫ СПЕКТРА

Анализаторы спектра можно классифицировать по следующим признакам:

—по способу анализа: с одновременным, последовательным и комбинированным анализами;

—по диапазону частот: низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкодиапазонные;

—по типу индикаторного или регистрирующего устройства: осциллографические и с самописцем.

Наиболее распространены осциллографические анализаторы спектра, которые позволяют автоматически получать изображение спектра на экране электроннолучевой трубки. Работа анализаторов спектра основана на использовании явления резонанса. Основным элементом анализатора является узкополосный фильтр, который служит для выделения отдельных частотных составляющих или узких участков спектра.

Рассмотрим принципы построения анализаторов спектра, клас­ сифицируя их по способу анализа.

160

1. Одновременный (параллельный) анализ осуществляется с помощью совокупности идентичных узкополосных фильтров, каж­

ров, пропорциональное спектральной плотности сигнала на частоте настройки соответствующих фильтров, поступает на емкостные на­

Рис. 10.2.

ключаются к видеоусилителю вертикального отклонения луча электроннолучевой трубки. Блок управления обеспечивает син­ хронную работу коммутатора и генератора развертки луча. При этом на экране трубки поочередно возникают импульсы, расстоя­ ние между которыми пропорционально частотному интервалу на­ стройки фильтров, а их амплитуда пропорциональна спектральной плотности сигнала на соответствующей частоте, т. е. воспроизво­ дится спектр исследуемого сигнала.

Непосредственно измерительных устройств такой анализатор спектра не имеет, так как ширина интересующего участка спектра может быть найдена по частотам настройки фильтров, а относи­ тельное распределение энергии определяется по спектрограмме.

2. Последовательный анализ производится посредством одного ѵзконолосного фильтра, перестраиваемого в широкой полосе час­ тот. Фильтр последовательно настраивают на различные частоты.

rjPß, каждой новой настройке он выделяет очередную составляю­ щею. спектра (рис. 10.3).

Сравнивая два способа анализа, легко убедиться, что одновре­

водится мгновенно) требуется время nAt, так как при каждой но­ вой настройке фильтра необходимо, чтобы в нем установилась стационарная амплитуда колебаний.

Однако параллельный анализатор более сложен, чем последо­ вательный, так как, например, для одновременного выделения 50 составляющих спектра необходим 50-какальный прибор. Парал­ лельный анализ эффективен при исследовании быстропротекающих процессов, в частности, одиночных импульсов, а последователь­

ный — при исследовании периодических процессов. Последова­ тельные анализаторы применимы и для исследования спектров одиночных сигналов, которые в условиях эксперимента могут по­ вторяться через большие (по сравнению с длительностью сигнала) интервалы времени.

Иногда сочетают в одном приборе два способа анализа. Приме­ няя небольшое число каналов, разделяют исследуемый спектр на соответствующее число поддиапазонов, внутри которых ведется последовательный анализ. Так получается третий способ анализа— комбинированный.

На практике наиболее широко применяются приборы последо­ вательного анализа с автоматической перестройкой и осциллографическим индикатором. В подавляющем большинстве современных анализаторов спектра перестройка осуществляется видоизменен­ ным способом: вместо того чтобы перемещать среднюю частоту

узкополосного фильтра по шкале частот относительно неподвиж­ ного спектра, перемещают спектр относительно средней фиксиро­ ванной частоты фильтра. При этом получается последовательное

совпадение отдельных спектральных линий или участков спектра с полосой пропускания фильтра вследствие их относительного пе­ ремещения по шкале частот.

162

Такое видоизменение способа анализа достигается гетеродин­ ным преобразованием частоты подобно тому, как в супергетеро­ динном приемнике производится настройка на ту или иную стан­ цию при фиксированной частоте настройки усилителя промежуточ­ ной частоты. Рассмотрим этот вопрос более подробно. Пусть име­

дем медленно перестраивать гетеродин. Когда его частота примет

Теперь представим, что на вход приемника вместо сигналов ра­ диостанций поступает сигнал, в спектре которого имеется п состав­

Гетеродин приемника модулируется по частоте, причем девиа­ ция частоты охватывает весь спектр сигнала. Тогда по мере изме­ нения частоты гетеродина все составляющие спектра будут пере­ мещаться относительно фиксированной частоты / пр, последова­ тельно попадая в полосу усилителя промежуточной частоты.

Структурная схема такого анализатора спектра с осциллографическим индикатором приведена на рис. 10.4.

Принцип действия анализатора рассмотрим на примере анали­ за спектра периодической последовательности радиоимпульсов, (рис. 10.5,а), характеризуемой несущей частотой /0, длительностью

практических возможностей аппаратурного анализа спектра подоб­

Для выделения отдельных составляющих такого спектра нуж­ но иметь узкополосный фильтр с полосой пропускания, меньшей F. Например, для анализа отдельных составляющих спектра перио­

дической последовательности радиоимпульсов, частота повторения которых равна 100 Гц, необходимо, чтобы полоса фильтра была меньше 100 Гц. Получение таких узких полос пропускания в ана­ лизаторах спектра ВЧ и СВЧ представляет сложную задачу.

Так, у анализатора С4-9 (диапазон несущих частот анализируе­ мых сигналов 50—1400 МГц) полоса пропускания фильтра Д /~ ~ 2 кГц и в нее одновременно попадает большое число составляю­ щих (в нашем примере 20 составляющих спектра). Поэтому анализ дискретного спектра, преследующий цель выделения отдельных со­ ставляющих, при низких частотах повторения импульсов практи­ чески невозможен. В этих случаях анализ сводится к получению формы огибающей спектра, что обычно бывает достаточным в ра­ диотехнической практике. При таком анализе, например, можно проверить, соответствует ли форма спектра (форма огибающей), наблюдаемого на выходе исследуемого устройства, теоретической, т. е. выяснить степень искажения спектра. В частности, при иссле­ довании спектра импульсов магнетронного генератора по искаже­ ниям его формы можно судить о ненормальной работе генератора и о причинах, вызвавших эти искажения.

Зная огибающую спектра периодических сигналов и частоту их повторения, можно в случае необходимости определить и истин­ ный спектр этих сигналов.

При аппаратурном анализе спектра последовательности радио­ импульсов колебания, возбужденные в анализаторе данным им­ пульсом, практически затухают к началу каждого последующего импульса. Это дает основание воздействие периодической после­ довательности импульсов на избирательную систему рассматри­ вать как периодическое воздействие одиночных импульсов, имею­ щих сплошной спектр. Иначе говоря, можно считать, что исследу­ ется сплошной спектр короткого импульса длительностью т, кото

164

рый периодически повторяется на входе прибора через большие ин­

спектр вырождается в сплошной с огибающей такой же формы). На рис. 10.5,6 тонкими линиями показаны шесть сплошных спектров, каждый из которых соответствует импульсу (с тем же

номером) последовательности, изображенной на рис. 10.5,а. Рассмотрим теперь принцип получения изображения спектра

па экране электроннолучевой трубки с помощью схемы, показан­ ной на рис. 10.4. Исследуемый сигнал через входное устройство по­ дается на один вход смесителя. На второй вход смесителя подво­ дятся колебания частотно-модулироЕанного гетеродина (генерато­ ра качающейся частоты). Гетеродин настраивается по частоте так, чтобы его средняя частота была близка к несущей исследуемого

линейной развертки, подаваемого одновременно на горизонтально отклоняющие пластины. При этом текущее отклонение лѵча по горизонтали пропорционально частоте, и горизонтальная ось слу­ жит осью частот.

Отклонение луча по вертикали определяется сигналом, посту­ пающим на вертикально отклоняющие пластины электроннолуче­ вой трубки с выхода приемника. Если бы полоса пропускания уси­ лителя промежуточной частоты приемника была бесконечно ѵзкок

Но так как усилитель промежуточной частоты обладает очень узкой по сравнению с шириной спектра, но конечной полосой про­

Напряжение промежуточной частоты в результате детектирова­ ния преобразуется в видеоимпульс, который после усиления пода­ ется на вертикально отклоняющие пластины электроннолучевой

165

Ii

166

Диапазон, в котором изменяется частота гетеродина относи­ тельно средней его частоты (диапазон качания частоты) выбирает­ ся, исходя из ширины анализируемого спектра. Если, например, нужно получить изображение спектра прямоугольного радиоим­ пульса, состоящее из основного лепестка и трех боковых с каждой стороны, диапазон качания (т. е. удвоенную девиацию частоты) следует выбрать примерно равным

/ г м а к с / г м и н ' ’ у .

так «ак ширина основного лепестка равна 2/т, а ширина каждого из боковых лепестков равна 1/т.

Промежуточная частота усилителя промежуточной частоты вы­

спектра, получаемое по зеркальному каналу приемника, не накла­ дывалось на спектрограмму основного канала (рис. 10.R), т е.

Например, для наблюдения трех боковых лепестков без пере­ крытия (/макс — /мин = 8/4) необходимо ВЫПОЛНИТЬ условие /пр > > 4/тмгшТак, при Тмин= 1 мкс требуется / пр > 4 МГц.

Для обеспечения возможности анализа спектра сигналов в ши­ роком диапазоне несущих частот применяются гетеродины с ши­ рокодиапазонной перестройкой средней частоты (средняя частота гетеродина близка к несущей частоте анализируемого сигнала).

Определение разности частот между характерными точками спектра производится с помощью калибратора (генератора калиб­ ровочных частотных меток) (рис. 10.4), в состав которого входят генератор, подобный гетеродину, и модулятор. Модулятор выраба­ тывает синусоидальное напряжение, модулирующее генератор по частоте.

Спектр сигнала калибратора содержит составляющие, отстоя­ щие друг от друга на расстояниях, равных частоте модулирующего напряжения (рис. 10.7,я). Колебания калибратора смешивают-

168

ся в смесителе с колебаниями гетеродина, при этом изменяющаяся частота гетеродина образует последовательно с каждой составляю­ щей спектра, попадающей в полосу ка­ чания частоты гетеродина, промежу­ точную частоту / пр. В момент, когда данная составляющая спектра отлича­ ется от частоты гетеродина на / пр, она попадает в полосу усилителя про межуточной частоты и создает на эк­

стояние между метками равно частоте модулирующего напряже­ ния Fм. Возможность выделения отдельных составляющих спект­ ра .колебаний калибратора обусловлена тем, что ширина полосы пропускания усилителя промежуточной частоты обычно во много паз меньше разности частот соседних составляющих этого спект­ ра, т. е. Д /п« / ѵ

§ 10.3. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АНАЛИЗАТОРОВ СПЕКТРА

1. Полный диапазон частот характеризует граничные значения частотного интервала, в котором возможен анализ спектров сигна­ лов. В случае анализа спектра радиоимпульсов эта характеристи­ ка дает представление о диапазоне несущих частот сигналов, спект­ ры которых могут быть исследованы анализатором. Диапазон час­ тот определяется диапазоном перестройки средней частоты гетеро­ дина и может быть разделен на поддиапазоны как у любого при­ емника.

2.Диапазон качания частоты гетеродина (диапазон одновре­ менно анализируемых частот, полоса обзора) определяет ширину анализируемых спектров. Как правило, диапазон качания можно регулировать вручную (путем регулировки амплитуды пилооб­ разного напряжения, подаваемого на гетеродин для его модуляции по частоте), что позволяет выбирать удобный масштаб и размер изображения на экране электроннолучевой трубки.

3.Разрешающая способность характеризует минимальный час­

тотный интервал между двумя составляющими спектра, при кото­ ром их можно раздельно наблюдать и измерить уровни. В случае анализа сплошных спектров от разрешающей способности зависит ширина «вырезаемого» участка спектра. Разрешающая способность

169