Анализатор спектра радиочастот

Анализатор спектра предназначен для измерения и визуализации сигнального спектра. В быту этот прибор не используется, но его часто можно встретить в лабораториях и на производстве в промышленных предприятиях. Спектроанализаторы реагируют на изменение амплитуды звуковой волны.

ЧТО ТАКОЕ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА?

Это устройство для визуализации и анализа спектра сигнала. Сигнальный спектр представляет собой набор синусоидальных волн в конкретный момент времени. С помощью анализатора спектра можно увидеть распределение энергии по частотам и получить амплитудно-частотную характеристику сигнала. На основании полученных данных можно заглушить шумы и помехи, вернуть сигнал в закрепленную за ним частоту. После выяснения того, что такое анализатор спектра, следует ознакомиться с работой прибора. Устройство применяется:

при измерении частотных характеристик в микроволновой и радиоволновой областях;
во время тестирования кабельного телевидения, радио;
для решения узкоспециализированных задач, направленных на повышение совместимости двух радиоприборов, проверки устойчивости готовой техники к помехам и т.д.;
для калибровки генераторов;
во время контроля, испытаний, тестирования качества электронных изделий;
для изучения спектральных показателей;
для проверки соответствия устройств мобильной и радиосвязи действующим стандартам;
в процессе диагностики импульсного соответствия и работы генераторов.

ПРИНЦИП РАБОТЫ И НАЗНАЧЕНИЕ

Интерес к тому, как работает анализатор спектра, вполне естественен. Основное назначение анализатора спектра – наблюдение и измерение колебаний энергии в частотной полосе. Эти процедуры нужно проводить для того, чтобы радиоприборы работали исключительно в своей полосе, не создавая друг для друга помех. По результатам полученных с помощью анализатора измерений осуществляется дальнейшая настройка техники. Принцип действия анализатора спектра зависит от его типа. В основе работы свипирующих приборов лежит супергетеродинный приемник:

Входящий радиочастотный сигнал смешивается с частотой локального осциллятора. Результатом этого процесса становится сигнал с более низкой промежуточной частотой (ПЧ).
Новый сигнал проходит через несколько усилительных каскадов.

В современном свипирующем оборудовании используют цифровые компоненты (сигнальные процессоры, микропроцессоры и т.д.). Принципы работы анализатора спектра в реальном времени будут сильно отличаться:

Устройство собирает информацию во временной области, а после с помощью преобразования Фурье переводит ее в частотную область.
Принятые устройством радиочастотные сигналы преобразуются далее. Усиление и ослабление.
Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) оцифровывает последнюю ПЧ. Дальнейшая обработка производится цифровыми процессорами.

У некоторых моделей цифровых анализаторов существуют режимы демодуляции. При их активации входной сигнал оцифровывается без частотного преобразования. Модулирующие сигналы обрабатываются, как и радиочастотные.

ТИПЫ АНАЛИЗАТОРОВ СПЕКТРА

Существует много видов измеряющего спектрального оборудования. Классифицируют приборы исходя из их основных характеристик:

По принципу действия: последовательные (сканирующие) и параллельные (многоканальные).
По способу обработки поступающей информации: аналоговые и цифровые.
По виду анализа: скалярные (для получения информации исключительно о гармонических составляющих) и векторные (для получения информации о гармонических и фазовых составляющих).
По диапазону частот: низкочастотные, широкополосные, работающие в оптическом диапазоне.

Последовательные анализаторы спектра считаются более распространенными. Они сканируют частотную полосу с помощью маломощного генератора электрических колебаний. Селективный усилитель промежуточной частоты последовательно выделяет спектральные составляющие, и их отклики воспроизводятся на экране. Анализаторы параллельного типа укомплектованы высокодобротными резонаторами, настроенными на определенные частоты. При одновременном воздействии сигнала каждый узкополосный фильтр выделяет по одной его составляющей, что позволяет вести параллельный анализ данных.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Спектроанализаторами часто измеряют частоту, мощность, шум, искажения, модуляцию спектра. Спектральный состав сигнала очень важен в системах с ограниченной по ширине полосой частот. Переданная мощность тоже играет значительную роль. Если этот показатель будет слишком маленьким, то звуковая волна не достигнет точки назначения. Слишком большие значения мощности быстро истощают запас аккумуляторов, повышают рабочую температуру системы, вызывают дополнительные помехи.

Оценка качества модуляции нужна для того, чтобы убедиться в корректности работы системы. При аналоговой модуляции измеряют уровни полосы боковых частот, заполнение полосы частот, коэффициент модуляции. При цифровой модуляции оценивают дисбаланс IQ, модуль вектора погрешности, зависимость погрешности от фазы времени. К основным характеристикам анализирующих приборов относят:

Разрешающую способность. Эта характеристика представляет собой минимальный интервал частот, при котором прибор выделит соседние составляющие спектра как отдельные линии, а затем сможет измерить их уровни. Разрешающая способность бывает динамической и статической.
Диапазон частот. Это частотный интервал, в котором возможен спектральный анализ. Диапазон в устройстве может быть разбит на поддиапазоны. Обычно в приборах предусмотрена возможность исследовать сигналы не по всему интервалу, а только в конкретной его части. Ее называют полосой обзора. Такой подход применяется для того, чтобы повысить точность анализа.
Время анализа. Обозначает скорость измерений. На него влияет динамическая разрешающая способность и время, необходимое для получения показаний с резонаторов.
Погрешность по частоте. Показывает с какой точностью устройство определяет диапазон между спектральными составляющими.
Погрешность по амплитуде. Зависит от инструментальной погрешности анализатора и сигнального спектра.

ВИДЫ АНАЛИЗАТОРОВ СПЕКТРА

Все приборы можно поделить на низкочастотные, радиочастотные и оптические. Низкочастотные способны работать в диапазонах от нескольких герц до сотен килогерц. Радиочастотные работают с полосой до сотен гигагерц. Анализаторы спектра бывают:

Полосовыми. На дисплее устройства отображается множество полос, демонстрирующих уровень сигнала. В первых моделях такой техники использовались аналоговые фильтры. Полосовые анализаторы часто используют для настройки амплитудно-частотных характеристик акустических систем в театрах, на концертных площадках. В них для анализа сигнала применяется преобразование Фурье.
FFT-анализаторы. Они способны анализировать звуковые сигналы в режиме реального времени. Чтобы предупредить размытие тона по частоте при измерениях используются весовые окна.
Представляющие сигнал спектрограммой. Эти приборы позволяют визуально отслеживать изменения звуковой волны во времени. Время отображается по горизонтальной оси, частота – по вертикальной, а звуковую амплитуду обозначают отдельным цветом. Отсчет может быть разным.

Современные модели анализаторов поддерживают функции всех перечисленных выше типов приборов. Они также работают с аналоговыми и цифровыми фильтрами, что значительно расширяет сферу их применения.

КАК ВЫБРАТЬ АНАЛИЗАТОР СПЕКТРА?

Оборудование подбирают исходя из поставленных задач. Основные правила выбора анализаторов:

Определение класса устройства. Техника этого вида бывает бюджетной и премиальной. Дорогие спектроанализаторы работают с разными типами частот.
Оценка необходимой точности и чувствительности измерений. Для некоторых видов работ нужны высокоточные и сверхчувствительные приборы, которые не могут быть бюджетными.
Наличие/отсутствие возможности подключения дополнительных плат. Модульность позволяет в дальнейшем подключать к устройству новые измерительные приборы, повысить точность проводимого анализа.

Анализаторы с высокой точностью собирающие сведения об интенсивности отдельных гармоник применяют в электротехнических лабораториях. Звукорежиссерам из-за вида деятельности приходится пользоваться приборами для измерения низких частот. С их помощью можно определить степень разборчивости звука.