Анализаторы спектра – это приборы, предназначенные для измерения и визуализации амплитуды фазы гармонических колебаний в полосе частот. Главное отличие таких приборов от осциллографов – измерение спектральных компонентов в полосе частот, тогда как осциллографы позволяют исследовать сигналы во временной области.

Анализатор спектра для чего нужен

Любой электрический или электромагнитный сигнал состоит из одного или нескольких компонентов, каждый из которых имеет свою частоту, амплитуду и фазу. Анализатор спектра позволяет определить параметры составляющих в каждой конкретной частоте.

Приборы применяют:

• Для разработки беспроводных систем связи, теле- радиовещания, радиолокации. Устройства позволяют оценить качество сигнала: наличие внеполосных и паразитных составляющих, отношение полезный сигнал/шум, определить параметры модуляторов сложных сигналов и так далее.
• Для настройки звуковой аппаратуры и обработки звукозаписей. Анализ компонентов сигнала в частотной области позволяет убрать лишние шумы и получить высококачественный звук.
• Для наладки волоконно-оптических систем обмена информацией. Анализаторы спектра позволяют оценить уровень искажения, скорость передачи данных в ВОЛС и настроить параметры сети.
• Для калибровки генераторов частотных сигналов. Приборы для анализа спектра широко применяют для оценки спектральных составляющих сигналов на выходе генераторов, это необходимо для калибровки оборудования.

Спектрограмма сигнала существенно упрощает задачи построения оптимальных амплитудно-частотных характеристик сигналов оптического и радиодиапазона, включая СВЧ, а также низкочастотных передающих и приемных устройств.

Как работает анализатор спектра

По принципу действия различают последовательные и параллельные анализаторы составляющих сигналов. Для разного диапазона частот используют следующие функциональные схемы приборов последовательного действия:

Для анализа спектра низкочастотных сигналов используют приборы схемы на базе избирательного контура. Функциональный блок представляет собой узкополосный фильтр, пропускающий составляющие определенной частоты. Далее исследуемый сигнал поступает на квадратичный детектор, где преобразуется в напряжение, значение которого пропорционально квадрату входного сигнала. Величина сигнала с выхода детектора отображается на дисплее. Приборы, построенные на базе такой схемы, применяют для измерения амплитуды спектра, квадратичное детектирование искажает форму сигнала и не позволяет определить фазы составляющих.

Для измерений спектра сигналов высокой частоты используют схемы на базе гетеродина – генератора колебаний вспомогательных частот, которые поступают на смеситель вместе с исследуемым сигналом. При этом разностная частота используется как промежуточная. Далее сигнал поступает на усилитель и детектор и отображается на отчетном устройстве. Каждый компонент спектра последовательно отображается на экране.

К преимуществам последовательного анализатора спектра относятся простота конструкции и низкая стоимость. К недостаткам – небольшая скорость измерений, каждая составляющая измеряется и выводится последовательно.

Анализаторы параллельного действия выполнены на базе фильтров, настроенных на определенную частоту.

Современные анализаторы спектра

С появлением и развитием беспроводных и оптических сетей обмена данными, локации, сотовой связи произошел резкий рост полосы частот, занимаемой сигналами. Это существенно затруднило анализ спектральных составляющих: стало необходимым определять характеристики широкополосных сигналов, спектральную плотность или прирост спектра, другие параметры.

Современные приборы выполнены по комбинированной схеме, сочетающей достоинства параллельной и последовательной архитектуры.

Для анализа сигнала с цифровой модуляцией используют векторные анализаторы спектра, средства измерения позволяют определять фазы и фазовые отношения спектральных компонентов.

В функциональную схему добавлены: понижающий частоту преобразователь, аналогово-цифровой преобразователь, встроенная память и микропроцессор. Сигнал, проходя через аттенюатор, ослабляется. Это необходимо для увеличения отношения сигнал/шум.

Далее, проходя через параллельные фильтры, поступает на смеситель и накладывается на вспомогательную частоту. Проходя через усилитель и фильтр преобразователя частоты, сигнал поступает на АЦП. Аналогово-цифровой преобразователь отцифровывает сигнал, дальнейшая его обработка осуществляется в цифровой форме. Память прибора записывает значения амплитуды спектральных составляющих, данные о фазе и фазовых соотношениях компонентов. Микропроцессор осуществляет демодуляцию, обработку сигналов и отправку информации в удобной для восприятия форме на экран прибора.

Векторные анализаторы спектра способны определять:

• Характеристики модуляции (амплитуду вектора ошибки, девиацию частоты, мощность сигнала в кодовой области и другие).
• Мощность канала, ее величину во времени.
• Фазовые отношения спектральных составляющих.

Несмотря на свои достоинства, векторные приборы малопригодны для анализа кратковременных переходных процессов, обнаружения одиночных или редких импульсов. Такие анализаторы не реагируют на изменение между моментами регистрации данных.

Для анализа высокодинамичных сигналов и кратковременных процессов применяют анализаторы реального времени или RTSA . Такие приборы обладают достаточной скоростью для обработки всех спектральных компонентов в заданной полосе частот.

Главное отличие анализаторов спектра реального времени – цифровое преобразование и обработка сигнала процессором перед записью данных во встроенную память. Это позволяет обнаруживать и анализировать кратковременные процессы и избирательно сохранять записи об их протекании в памяти.

Работа с анализатором частоты реального времени позволяет осуществлять анализ:

• Информационных сигналов с изменяющейся несколько раз в секунду несущей частотой. Такие сигналы применяют в военных и гражданских системах с множественным доступом.
• Краткосрочных переходных процессов. Анализаторы спектра реального времени применяют для поиска неисправностей передающих устройств, выбора трактов сигналов.
• Импульсных сигналов. Приборы позволяют определять параметры краткосрочных сигналов со скачкообразной перестройкой частоты, применяющихся в радиолокационной технике.

Кроме типа действия, анализаторы спектра делятся по диапазону частот исследуемых сигналов и сфере применения. По этому параметру выделяют:

• Низкочастотные приборы от нескольких Гц до сотен кГц (для аудиоаппаратуры, определения амплитуды и фазы гармоник напряжения и тока электросети).
• Анализаторы радиочастотного диапазона для тестирования радио- телевещания, настройки и калибровки оборудования СВЧ, систем связи, локации и т.д.

Выпускают также анализаторы спектра излучения оптического диапазона. Приборы применяют для разработки и тестирования оптоволоконных сетей.

Как выбрать анализатор спектра

Анализаторы спектра выбирают в зависимости от назначения и параметров прибора:

• Интервал частот исследуемых сигналов – одна из основных характеристик, определяет частоты спектральных компонентов исследуемых сигналов.
• Относительная и абсолютная погрешность – параметр, характеризующий точность анализатора.
• Разрешение – фазовая или скалярная разность двух составляющих сигнала, при которой может быть определена величина их амплитуды и отображены фазы.
• Время измерений – параметр, определяющий скорость анализа. Наименьшее время измерений у анализаторов реального времени. Цифровая микропроцессорная обработка позволяет записывать данные о быстропротекающих процессах.
• Уровень собственных шумов – показывает уровень искажений, генерируемых самим анализатором спектра.

При выборе также учитывают наличие выходов для подключения ПК и другого внешнего оборудования, поддерживаемые протоколы связи, объем памяти для записи результатов измерений и спектрограмм.

Как работать с анализатором спектра

Рассмотрим, как пользоваться анализатором спектра на примере прибора FSL производства Rohde & Schwarz.

Анализаторы предназначены для исследования сигналов диапазонов частот от 9 кГц до 3; 6; 18 ГГц. К измерениям приступают после подготовки прибора к эксплуатации, настройки, конфигурации сетевого интерфейса и инсталляции опций приборного ПО.

Одной из базовых задач, решаемых прибором, является измерение гармоник сигнала синусоидальной формы. Для этого:

• Устанавливаем настройки по умолчанию нажатием клавиши «PRESET».
• Задаем частоту старта и стопа нажатием клавиши «FREQ» и вводом значений частот исследуемых гармоник.

Анализатор спектра отображает основной компонент, первую и вторую гармонику анализируемого сигнала. Для подавления шума и различения гармонических составляющих возможно воспользоваться 3 методами: уменьшить видеополосу или полосу разрешений, усреднить кривую. Для уменьшения видеополосы необходимо нажать клавишу «BW» и «Video BW Manual», далее ручкой уменьшить полосу до требуемого значения.

Для подавления шума путем усреднения кривой нужно последовательно нажать кнопки «TRACE», «Trace Mode», «Average», шумовые компоненты сглаживаются усреднением 10 последовательных кривых.

Для подавления помех уменьшением полосы разрешений необходимо нажать «BW», выбрать «Res BW Manual» и ввести значение частоты.

Еще одна функция анализатора спектра FSL – измерение спектра нескольких сигналов. Для этого источники сигналов подключают к мосту сложения, выход которого соединен с входными клеммами прибора. Далее:

• Восстанавливают настройки по умолчанию клавишей «PRESET».
• Задают частоты центра и качаний клавишами «FREQ» и «SPAN».
• Устанавливают полосу разрешения и видеополосу клавишами «BW», «Res BW Manual», «Video BW Manual».

На экране наглядно отображаются спектральные компоненты обоих сигналов. Измерение гармоник и спектральный анализ нескольких сигналов – далеко не полный перечень возможностей прибора. Ознакомиться с полным набором функций анализатора спектра FSL от Rohde & Schwarz можно в руководстве по эксплуатации прибора.

Современные анализаторы спектра – многофункциональные приборы, применяемые для исследования спектров сигналов от нескольких Гц до колебаний оптического диапазона. Компания «База приборов» поставляет портативные и стационарные средства анализа компонентов сигнала всего частотного диапазона. Звоните!