Анализаторы спектра

Исследование сигналов может осуществляться не только во временной, но и в частотной (спектральной) областях.

В основе спектральных методов анализа лежит преобразование Фурье для временной функции [9].

Периодическую функцию можно представить рядом Фурье в виде

(5.16)

где –амплитудный спектр (спектр амплитуд) сигнала;

–фазовый спектр сигнала.

Спектр периодического сигнала является дискретным, образующимся равноотстоящими спектральными линиями (гармониками) с частотным интервалом между соседними линиями. Форма огибающей спектра определяется формой сигнала и не зависит от периода сигнала.

Для представления непериодических функций используют формулу интеграла Фурье

(5.17)

где S (jω) – комплексный спектр непериодического сигнала.

Модуль величины S (jω) называется спектром. Для получения спектра необходимо бесконечное время анализа. Так как анализ спектра, как правило, ограничен во времени, получить истинный спектр сигнала невозможно. Можно определить только так называемый аппаратурный спектр, который является функцией частоты и времени анализа. Аппаратурный спектр получил название текущего спектра сигнала [9]. При длительном времени анализа текущий спектр может быть достаточно хорошим приближением к истинному спектру.

Приборы, предназначенные для экспериментального анализа спектра, называются анализаторами спектра.

Анализаторы спектра (АС) в зависимости от способа проведения анализа разделяются на анализаторы параллельного и последовательного действия, а также комбинированные анализаторы спектра.

В зависимости от метода анализа АС подразделяются на фильтровые, дисперсионные, рециркуляционные и цифровые.

В настоящее время наибольшее распространение получили фильтровые анализаторы спектра.

Основные характеристики анализаторов спектра

К основным характеристикам анализаторов спектра относятся: диапазон частот (полоса анализируемых частот); разрешающая способность; полоса обзора; время (скорость) анализа; чувствительность; погрешность по амплитуде и погрешность по частоте.

Полоса анализируемых частот – диапазон частот сигналов, в котором возможен анализ спектра.

Разрешающая способность – минимальный интервал по оси частот, при котором соседние составляющие спектра могут быть выделены как отдельные линии и измерены их уровни.

Так как АЧХ реальных фильтров отличается от идеальной АЧХ, в фильтровых анализаторах полное разделение соседних составляющих спектра практически невозможно. Для фильтровых АС разрешающая способность определяется полосой частот ∆f_Ф (рис. Рис. 5 .18), вырезаемой фильтром. В анализаторах спектра различают статическую и динамическую разрешающую способность.

Статическая разрешающая способность определяется только значением полосы частот ∆f_Ф.

Динамическая разрешающая способность зависит не только от ∆f_Ф, но и от скорости изменения частоты генератора качающейся частоты ГКЧ (в последовательных анализаторах).

При линейном изменении частоты ГКЧ АЧХ фильтра деформируется по сравнению со статической характеристикой (рис. Рис. 5 .19).

Рис. 5.18	Рис. 5.19

Полоса обзора ∆F – часть диапазона частот, в которой осуществляется анализ спектра. В параллельных анализаторах полоса обзора определяет число каналов n = ∆F/∆f_Ф, в последовательных – диапазон качания частоты ГКЧ [9].

Время анализа – время проведения анализа в определенном диапазоне частот.

Для АС параллельного действия время анализа Т_а определяется как

(5.18)

где ∆f_Ф – полоса пропускания самого низкочастотного фильтра анализатора;

t_С – время, необходимое для съема показаний с фильтров.

Для АС последовательного действия

(5.19)

где К > 1 – коэффициент, учитывающий динамическую разрешающую способность.

Для АС последовательного действия используется понятие скорости анализа, которая при линейном законе изменения частоты ГКЧ определяется как

(5.20)

Время последовательного анализа превосходит время параллельного более чем в n раз, где n – число фильтров.

Чувствительность – это способность анализатора регистрировать слабые сигналы.

Чувствительность ограничена шумами, которые генерируются внутри анализатора.

Погрешность по амплитуде определяется инструментальными погрешностями анализатора и зависит от спектра исследуемого сигнала.

Погрешность по частоте показывает, с какой точностью может быть определен интервал частот между составляющими спектра или действительное значение частоты этих составляющих [2].

К характеристикам АС можно отнести максимальный и минимальный уровни входного сигнала.

Динамический диапазон – это отношение максимального и минимального сигналов, которые могут одновременно наблюдаться на экране без заметных искажений [11].

Все сигналы подвергаются в анализаторе некоторым искажениям. Чтобы ограничить эти искажения на входе АС часто устанавливают входной аттенюатор, задающий оптимальный уровень входного сигнала анализатора – значение, которое при определенном положении аттенюатора обеспечивает поддержание внутренних искажений ниже заданного уровня.