3.1.3. Измерение спектров сигналов

Физически измерение спектров сигналов осуществляется устройствами (приборами), называемыми анализаторами спектра.

Существует 2 основные разновидности анализаторов спектра:

• анализаторы с разверткой частоты;

• анализаторы в реальном масштабе времени.

Анализаторы спектра с разверткой частоты имеют более простую структуру, схожую со структурой супергетеродинного приемника. Схема простейшего варианта такого анализатора представлена на рис. 3.7. Входной сигнал s(t) смешивается с сигналом управляемого местного генератора (МГ) s_Г(t), для развертки которого используется пилообразное колебание, генерируемое внутри схемы. По мере того, как производится развертка частоты МГ, результаты смешения сигнала s_Г(t) с различными спектральными составляющими входного сигнала s(t) поступают последовательно на усилитель промежуточной частоты (УПЧ), полосовой фильтр ПФ, затем детектируются и подаются на экран в качестве вертикальной координаты (обычно используется логарифмический масштаб, т.е. децибелы).

Рис. 3.7. Схема анализатор спектра с разверткой частоты

Пусть, например, частоту местного генератора можно изменять (“линейно разворачивать”) в диапазоне f_Г = 200 … 300 кГц, а значение промежуточной частоты равно f_ПЧ = 200 кГц. Тогда, при частоте генератора f_Г = 200 кГц спектральные составляющие входного сигнала, близкие к значению 10 кГц, будут проходить на детектор. С другой стороны, спектральные составляющие вблизи 410 кГц также могут попасть на детектор по “зеркальному” каналу, поэтому на входе необходимо установить фильтр нижних частот ФНЧ, например, на 100 кГц.

Реальные анализаторы спектра, построенные по принципу развертки частоты, обладают большой гибкостью в отношении частоты развертки, полосы пропускания фильтра, масштаба изображения и т.д. Диапазон входных частот обычно простирается от единиц килогерц до десятков гигагерц, а полоса избирательности, т.е. анализируемый участок спектральных составляющих, может иметь ширину от мегагерц до единиц и даже долей герц. Кроме того, предусмотрены такие возможности, как калибровка амплитуды, запоминание изображения для предотвращения мерцания при развертке, усреднение сигнала, дополнительная память для отображения на экране различной дополнительной информации, выполнение прецизионных измерений, генерирование специальных сигналов для возбуждения исследуемых систем и т.д.

Однако, несмотря на указанные преимущества, прежде всего, простоту реализации, рассмотренные устройства имеет ряд недостатков. В каждый момент времени рассматривается только одна частота (точнее, только один узкий частотный интервал), а полный спектр отображается временной разверткой. При таком подходе создаются большие неудобства, связанные с необходимостью иметь малую скорость развертки. Особенно такие неудобства проявляются при исследовании переходных процессов. Наконец, следует обратить внимание на то, что в каждый момент времени используется только небольшая часть сигнала.

Указанные недостатки частично или даже полностью могут быть устранены в анализаторах спектра, работающих в реальном масштабе времени. Принципиальным решением является установка большого числа узкополосных фильтров, перекрывающие весь частотный диапазон и позволяющие одновременно выделять различные спектральные составляющие входного сигнала. Однако такой подход является громоздким и дорогим, поэтому практически анализаторы в реальном масштабе времени реализуются на основе методов цифровой обработки сигналов, в частности, цифрового анализа Фурье (так называемый, алгоритм БПФ – быстрого преобразования Фурье) [3]. Аналоговый сигнал посредством аналого-цифрового преобразования преобразуется в цифровой вид, затем специализированный вычислитель (реализованный программно или аппаратно) осуществляет необходимые операции и формирует цифровой вид спектра.

При описанном методе все спектральные составляющие сигнала обрабатываются одновременно, в связи с чем он обладает большим быстродействием и высокой чувствительностью, его можно использовать при анализе переходных процессов. Кроме того, поскольку результаты обработки представляются в цифровом виде, нет проблем осуществить сопряжение измерительной установки с другими устройствами, находящимися, например, в телекоммуникационной сети.