2. Методы анализа спектра сигналов

Измерительные приборы, предназначенные для анализа спектров и измерения его параметров, называются спектроанализаторами (СА). Известны два основных метода измерения характеристик спектра сигналов [2]:

– аналоговый метод – метод фильтрации;

– цифровой метод – вычисление преобразования Фурье (ПФ) цифровыми средствами.

2.1. Анализ спектра методом фильтрации

Все анализаторы в зависимости от способа измерения разделяют на приборы последовательного и одновременного (параллельного) анализа.

Структурная схема параллельного анализатора спектра приведена на рис. 1.8. Исследуемый электрический сигнал подводится к ряду параллельно включенных электрических фильтров , каждый из которых выделяет из спектра сигнала только одну гармонику. На выходе фильтров включены индикаторы амплитуды гармоник , на которых можно увидеть значения амплитуд отдельных гармоник. Точность измерения частот спектральных составляющих определяется полосой пропускания каждого фильтра. Практически полосы пропускания соседних фильтров несколько перекрываются, поэтому при измерении спектра при помощи фильтров можно определять амплитуды сигналов в некоторой полосе частот, совпадающей с полосой пропускания фильтра. Для повышения точности анализа полосу пропускания фильтров делают возможно более узкой, однако при этом резко увеличивается необходимое количество фильтров, что существенно усложняет аппаратуру.

Рис. 1.8. Структурная схема параллельного анализатора спектра

Приборы второго типа воспроизводят спектр почти одновременно с исследуемым процессом. Поэтому говорят, что они работают в реальном масштабе времени. Структурная схема последовательного спектроанализатора приведена на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Структурная схема последовательного анализатора спектра

Исследуемый электрический сигнал x(t) подводится к смесителю СМ, в котором осуществляется перемножение сигнала x(t) с гармоническим сигналом , поступающим от гетеродина Г ( частота гетеродина). Полосовой фильтр ПФ выделяет из спектра на выходе смесителя сигнал, частота которого равна разности частоты гармоники входного сигнала и частоты гетеродина. Изменяя частоту гетеродина, можно измерить амплитуды всех гармоник сигнала x(t). После детектирования и усиления амплитуды гармоник подаются на Y-пластины ЭЛТ. На Х-пластины подается линейное напряжение генератора развертки, которым управляется частота гетеродина. На экране ЭЛТ составляющие спектра будут представляться как выбросы, имеющие конечную ширину, определяемую формой АЧХ усилителя промежуточной частоты. Амплитуда выбросов на экране будет пропорциональна спектральной плотности импульсов разностной частоты, а их огибающая представляет собой искомую спектральную характеристику.

Разрешающая способность при последовательном анализе такая же, как при параллельном. Время анализа зависит от ширины исследуемой области частот и избирательности анализирующего фильтра и значительно больше чем в схемах параллельного типа.