3.3 Анализаторы спектра

Анализаторы спектра – это приборы, предназначенные для автоматического представления спектра сигналов. Для спектрального анализа используется математически аппарат интегрального преобразования Фурье. Спектральная плотность непериодического (импульсного) сигнала определяется выраже- нием [6]

,

где x(t) – временная форма сигнала.

В реальных условиях функция измеряется в течение конечного интер­вала времени Т, поэтому измеряемый спектр определяется выражением

.

Функция называется текущим спектром сигнала. Она имеет большое значение при разработке методики измерения.

Практически все приборы, применяемые для анализа спектра сигналов, можно условно разделить на аналоговые и цифровые. Несмотря на многие достоинства и возможности цифровых анализаторов, аналоговые анализато­ры до сих пор применяются очень широко (особенно в верхней части высокочастотного и СВЧ диапазонов). Многие современные аналоговые анализаторы спек­тров содержат в своей структуре цифровые устройства.

Практически во всех аналоговых анализаторах выделение гармонических составляющих сигнала производится узкополосными фильтрами. Этот метод реализуется двумя способами: параллельного и последовательного анализа сигнала. Основной элемент таких приборов – полосовой фильтр (высоко­добротный резонатор) с узкой полосой пропускания. Он служит для выделения отдельных составляющих или узких диапазонов исследуемого спектра.

В анализаторах спектра последовательного анализа сигнала используются узкополосные перестраиваемые фильтры, либо гетеродины.

Рассмотрим принцип работы анализатора последовательного действия на основе перестраиваемого фильтра. Структурная схема последовательного анализатора с перестраиваемым фильтром приведена на рис. 3.12.

Рис. 3.12

В качестве перестраивающихся фильтров ис­пользуются двойные Т-образные RС-мосты, включенные в цепь отрицательной обратной связи усилителя. Перестройка центральной частоты f фильтра осуществляется плавным изменением емкости конденсаторов и сопротивлений резисторов. На выходе фильтра получа­ются составляющие спектра (f-Δf)...(f+Δf), которые по мере изменения резо­нансной частоты f фильтра будут проходить рабочий диапазон изменения спектра. В результате детектирования в квадратичном детекторе выходное на­пряжение перестраивающегося фильтра преобразуется в видеоимпульс, на­пряжение которого пропорционально средней мощности Р_Δ соответствующего участка спектра в полосе 2Δf. Значение 2Δf определяется разрешающей способностью анализатора, равной минимальному расстоянию по оси частот между составляющими частот. Такие анализаторы в основном используются для анализа спектра сигналов низких частот.

Наиболее широкое распространение получили гетеродинные анализаторы. Гетеродинные анализаторы отличаются тщательно отградуированной шкалой гетеродина, обеспечивающей заданную погрешность определения частоты из­меряемой гармоники, обычно ±10^-6...10^-3. Структурная схема гетеродинного анализатора показана на рис. 3.13.

Рис. 3.13

На данной схеме ВУ – входное устройство; СМ – смеситель; Г – пере­страивающийся гетеродин; УПЧ – усилитель промежуточных частот; КД – квадратичный детектор.

Принцип работы таких анализаторов заключается в следующем. Пусть гете­родин имеет диапазон рабочих частот от до . Резонатор и УПЧ настроены на частоту f_ПР и необходимо опреде­лить спектральную мощность выходного сигнала на частотах гармонических составляющих:

f₁, f₂, …, f_v, …, f_n.

По мере перестройки частоты гетеродина разность между его текущей час­тотой и частотой v-й составляющей спектра будет рано f_ПР±Δf. При этом получается следующее соотношение частот гетеродина и v-й гармоники:

f_ПР-Δf < f_г -f_v < f_ПР+Δf.

После квадратичного детектора сигнал преобразуется в видеоимпульс, на­пряжение которого пропорционально средней мощности Р_Δ соответствующего участка спектра в полосе 2Δf.

Основным недостатком анализаторов последовательного действия является большая продолжительность анализа.

При параллельном анализе спектра применяется набор фильтров (резонансных устройств), настроенных на разные частоты. На рис. 3.14 показана структурная схема анализатора спектра параллельного действия.

Рис. 3.14

Анализатор спектра параллельного действия состоит из входного устройства, набора фильтров Ф, набора квадратичных детекторов КД, коммутатора К, выходного усилителя У.

Анализаторы подобного типа предназначаются для работы в области низких частот, обычно не свыше 100 кГц. Промышленностью выпускается анализато­ры с числом каналов от 8 до 80.

Анализаторы спектра имеют следующие основные параметры: диапазон рабочих частот; чувствитель­ность; погрешности измерения по амплитуде и частоте; разрешающая способ­ность; время анализа.

Выпускаемые промышленностью анализаторы последовательного действия работают в диапазоне от инфранизких до сверхвысоких частот.

Порог чувстви­тельности низкочастотных анализаторов находится в пределах 10^-4-10^-3 В, сверхвысокочастотных – в пределах 10^-7-10^-12 Вт. Погрешность измерения по амплитуде составляет ±(5 - 10)%, по частоте ±(2 - 3)%.

Важнейшей характеристикой АС является разрешающая способность –способность выделить две соседние спектральные линии. Количественной мерой разрешающей способности, является наименьший интервал частот между двумя спектральными ли­ниями, при котором они различаются анализатором. Мерой разрешающей способности является ширина полосы пропускания фильтра 2Δf. Одной из основных характеристик анализатора спектра является время анализа.