10.3 Анализ частотного спектра

10.3.1 Общие сведения.

Исследование сигналов может осуществляться не только во временной, но и в частотной (спектральной) областях. При этом анализ спектра сигналов может быть теоретическим (математическим) и экспериментальным (аппаратурным). В основе спектральных методов анализа лежит, как известно, преобразование Фурье для временной функции, описывающей исследуемый сигнал. Если сигнал является периодическим, он может быть представлен суммой гармонических составляющих.

В практике электрорадиоизмерений интересуются, как правило, только амплитудным спектром и при экспериментальном анализе воспроизводят в координатах - энергетический спектр. Спектры периодических сигналов являются дискретными и образуются равностоящими спектральными линиями (гармониками) с частотным интервалом между соседними линиями, определяемыми периодом повторения сигнала. При увеличенииспектральные линии сближаются и в предельном случае () образуют сплошной спектр. Этот случай соответствует непериодическому сигналу. В качестве примеров приведены амплитудные спектры одиночных видеоимпульса (рис. 10.3,а) и радиоимпульса (рис. 10.3,б) прямоугольной формы.

В силу бесконечности спектров периодических и периодических сигналов при экспериментальном анализе их ограничивают определением ширины спектра, под которой понимают интервал частот, где сосредоточена основная часть энергии сигнала. Как видно из рис.10.3 для видео и радиоимпульсов прямоугольной формы основная часть энергии сосредоточена в главном лепестке.

Качество любого измерительного прибора оценивается его основными метрологическими характеристиками. Для анализаторов спектра – это разрешающая способность , время анализа, погрешности измерений частотыи амплитуды,чувствительность; диапазон рабочих частот.

Разрешающая способность – способность анализатора спектра выделить (разрешить) две соседние спектральные линии. Количественной мерой разрешающей способности является наименьший интервал частот между двумя спектральными линиями, при котором они ещё различаются анализатором.

Время анализа () – это скорость анализа в заданном диапазоне частот с допустимыми погрешностямии.

Чувствительность определяется минимальным входным напряжением, при котором обеспечиваются нормальные условия работы прибора.

Диапазон рабочих частот определяет граничные частоты диапазона, в пределах которого работает данный прибор.

Рисунок. 10.3. Спектры одиночных импульсов

Анализаторы спектра принято классифицировать в соответствии с методом анализа спектра и способом проведения анализа. По способу проведения анализа спектра различают анализаторы спектра параллельного и последовательного действия.

10.3.2. Анализаторы спектра параллельного действия.

Принцип работы такого анализатора заключается в одновременном выявлении и анализе всех составляющих спектра исследуемого сигнала (рис. 10.4.). Исследуемый сигнал через ВУ одновременно подается на группу полосовых фильтров Z, настроенных на разные частоты.

После каждого фильтра включен квадратичный детектор. Напряжение с выхода каждого из каналов снимается с помощью коммутатора, работающего синхронно с разверткой осциллографа, что в конечном итоге позволяет формировать на экране ЭЛТ линейчатый спектр исследуемого сигнала. Время анализа в таком анализаторе обусловлено установлением колебаний в самом узкополосном фильтре и временем, необходимым для съема показаний на ЭЛТ. Число фильтров «n» зависит от диапазона анализируемых частот и разрешающей способности фильтров.

Рисунок. 10.4 Структурная схема фильтрового анализатора параллельного действия

Анализ спектра в широкой полосе частот указанным анализатором требует слишком большого числа фильтров, детекторов, что в свою очередь усложняет прибор, поэтому анализаторы параллельного действия не нашли широкого распространения.