Кіріспе

Электрондық сынақ құрылғысы

Спектрлік анализатор – құрылғының толық жиілік диапазонында кіріс сигналының жиілікке қатысты шамасын өлшейтін құрал. Оның негізгі мақсаты – белгілі және белгісіз сигналдар спектрінің қуатын өлшеу. Көптеген спектрлік анализаторлар электр сигналдарын өлшейді, бірақ тиісті түрлендіргіштерді пайдалану арқылы акустикалық қысым толқындары және оптикалық жарық толқындары сияқты басқа сигналдардың спектрлік құрамын да қарастыруға болады. Сондай-ақ, сигналдардың басқа түрлеріне арналған спектрлік анализаторлар да бар, мысалы, оптикалық спектрлік анализаторлар, олар тікелей оптикалық әдістерді, мысалы, монохроматорды қолданады. Электр сигналдарының спектрін талдау арқылы сигналдың басым жиілігін, қуатын, бұрмалануын, гармоникаларын, енін және басқа спектральдық компоненттерін анықтауға болады, оларды уақыт доменіндегі толқын формаларында анықтау қиын. Бұл параметрлер сымсыз хабар таратушылар сияқты электрондық құрылғыларды сипаттау үшін пайдалы. Спектрлік анализатор дисплейінде жиілік көлденең осьте, ал амплитуда тік осьте көрсетіледі. Көптеген жағдайларда, спектрлік анализатор осциллографқа ұқсайды, ол амплитуданы тік осьте, ал уақытты көлденең осьте көрсетеді. Шындығында, кейбір зертханалық құралдар осциллограф немесе спектрлік анализатор ретінде жұмыс істей алады.

Тарих

Алғашқы спектрлік анализаторлар 1960 жылдары жиіліктік сүйреумен жұмыс істейтін құралдар болды. 1965 жылы жылдам Фурье түрлендірмесінің (FFT) ашылуынан кейін, 1967 жылы алғашқы FFT негізіндегі анализаторлар пайда болды. Бүгінгі күні анализаторлардың үш негізгі түрі бар: жиіліктік сүйреумен жұмыс істейтін спектрлік анализатор, векторлық сигнал анализаторы және нақты уақыт спектрлік анализаторы. Дегенмен, тым жылдам сүйреу дисплейдегі амплитуданың төмендеуіне және көрсетілетін жиіліктің өзгеруіне алып келеді. Сонымен қатар, анимацияда жиілікті жоғары және төмен түрлендіретін спектрлер бар, бұл жиілік араластырғышының қосынды және айырмашылық жиіліктерін жасауының нәтижесі. Жергілікті генератордың өткізілуі араластырғыштағы аралық жиілік (IF) сигналдарынан жеткіліксіз оқшаулануға байланысты. Өте әлсіз сигналдар үшін алдын ала күшейткіш қолданылады, бірақ гармоникалық және интермодуляциялық бұрмалау бастапқы сигналда болмаған жаңа жиілік компоненттерінің пайда болуына әкелуі мүмкін.

FFT-ге негізделген

FFT-ге негізделген спектрлік анализаторда жиілік ажыратымдылығы, толқын пішіні өлшенген және Фурье түрлендірілген уақыт T-ның кері шамасына тең болады. Цифрлық спектрлік анализатордағы Фурье түрлендіруін талдау кезінде, Найквист шегіне байланысты, кіріс сигналын сигналдың жолақ енінен кемінде екі есе жоғары жиілікпен дискреттеу қажет. Фурье түрлендіруі нөлден бастап осыған дейінгі барлық жиіліктерді қамтитын спектрді тудырады. Бұл Фурье түрлендіруі үшін қажетті аналогтық-цифрлық түрлендіргіш пен өңдеу қуатына елеулі талаптар қояды, соның салдарынан FFT-ге негізделген спектрлік анализаторлар жиілік диапазонымен шектеледі.

Гибридтік супергетеродинді FFT

FFT негізіндегі талдағыштар тек тар жолақты қарастыра алатындықтан, кең және тар жиілік диапазондарын қарастыру үшін swept және FFT талдауларын біріктіру әдісі қолданылады. Бұл әдіс өлшеу жылдамдығын арттырады. Бұл мүмкіндік сигналды алдымен төмен жиілікке түрлендіру арқылы, содан кейін аралық жиілікті цифрлық түрге ауыстыру және спектрді алу үшін супергетеродиндік немесе FFT әдістерін пайдалану арқылы қамтамасыз етіледі. Аралық жиілікті цифрлық түрге ауыстырудың бір артықшылығы – цифрлық сүзгілерді қолдану мүмкіндігі. Цифрлық сүзгілер аналогтық сүзгілерге қарағанда, пішін коэффициентінің жоғары дәлдігі және сүзгінің тұрақтандыру уақытын жақсарту сияқты көптеген артықшылықтарға ие. Сонымен қатар, тар жиілік диапазондарын қарастырғанда, көрсетілетін спектрді бұрмаламай, өлшеу уақытын ұзарту үшін FFT қолданылуы мүмкін.

Нақты уақыт FFT

Шын уақытты спектрлік талдаушыда "нақты уақыт ені" деп аталатын максималды аралыққа дейін ешқандай өлшенбеген уақыт болмайды. Талдаушы келіп түсетін радиожиілік спектрін уақыт доменінде үлгілеп алады және ақпаратты жиілік доменіне түрлендіру үшін ЖЖТ (FFT) процесін қолданады. ЖЖТ процестері параллельді, үздіріссіз және бір-бірін жабатын етіп өңделеді, сондықтан есептелген радиожиілік спектрінде үзілістер болмайды және ешқандай ақпарат қалып қоймайды.

Реалдық уақыт онлайн және офлайн

Бір жағынан, векторлық сигналды талдау мүмкіндігі бар кез келген спектр анализаторы нақты уақыт анализаторы болып саналады. Ол Nyquist Sampling теоремасын қанағаттандыру үшін деректерді жеткілікті жылдам үлгілейді және кейін өңдеу үшін деректерді жадында сақтайды. Мұндай анализатор тек жадыда сақталатын дерек көлемі / түсіру уақыты шегінде ғана нақты уақыт режимінде жұмыс істейді, өңдеу уақытында спектрде үзілістер мен нәтижелерде қателіктер тудырады.

FFT-тің бір-біріне ауыспалы болуы

Барлық спектрлік анализаторларда ақпараттың бұрмалануын азайту маңызды. FFT процесі шығыс спектрін жақсарту үшін жанама лобтарды азайту мақсатында терезелеу техникаларын қолданады. Терезелеудің әсері бір FFT мен келесі FFT арасындағы шекарада өлшенген сигналдың деңгейін төмендетуі мүмкін. Осы себепті, нақты уақыт спектрлік анализаторлардағы FFT-лер бірін-бірі жабады. Жабу деңгейі шамамен 80% құрайды. 1024 нүктелі FFT процесін пайдаланатын анализатор алдыңғы FFT процесінен шамамен 819 сынаманы қайта пайдаланады.

Сигналды анықтаудың ең аз уақыты

Бұл талдағыштың дискретизация жиілігімен және FFT жиілігімен байланысты. Нақты уақыт спектр анализаторының жақсы деңгейлік дәлдікті қамтамасыз етуі де маңызды. Мысал: егер талдағыштың нақты уақыт өткізу қабілеті 40 МГц болса (нақты уақытта өңделетін ең жоғары RF диапазоны), шамамен 50 Мвыбор/с (кешенді) қажет. Егер спектр анализаторы 250 000 FFT/с өндірсе, FFT есептеуі әр 4 мкс сайын жүзеге асырылады. 1024 нүктелік FFT үшін толық спектр 1024 x (1/50 x 10^6) шамамен әр 20 мкс сайын өндіріледі. Бұл бізге 80% (20 мкс – 4 мкс) / 20 мкс = 80% жабылу коэффициентін береді.

Тұрақтылық

Шын уақытты спектрлік талдаушылар пайдаланушыларға жиілік спектрін егжей-тегжейлі зерттеу үшін әлдеқайда көп ақпарат ұсына алады. Кәдімгі сканерлеу спектрлік анализаторы, мысалы, максималды және минималды деңгейлерді көрсетеді, ал шын уақытты спектрлік анализаторы белгілі бір уақыт ішінде есептелген барлық FFT-лерді, сигналдың қанша рет пайда болғанын көрсететін қосымша түсті кодтаумен көрсетеді. Мысалы, бұл суретте спектрдің қалыпты сканерлеу көрінісі мен шын уақытты спектрлік анализатордағы "Тұрақтылық" көрінісі арасындағы айырмашылық көрсетілген.

Жасырын сигналдар

Реалдық уақыт спектрлік талдағыштар басқа сигналдардың артында жасырылған сигналдарды көре алады. Бұл мүмкін, себебі ешқандай ақпарат қабылданбайды және пайдаланушыға көрсетілетін нәрсе – FFT есептеулерінің нәтижесі болып табылады. Осыған мысал оң жақта келтірілген.

Орталық жиілік және аралық

Әдеттегі спектрлік анализаторда бастау, тоқтату және орталық жиілікті орнату мүмкіндіктері бар. Спектрлік анализатор дисплейінде тоқтату және бастау жиіліктерінің арасындағы ортақ жиілік орталық жиілік деп аталады. Бұл дисплейдің жиілік осінің ортасында орналасқан жиілік. Span бастау және тоқтату жиіліктері арасындағы ауқымды көрсетеді. Бұл екі параметр өлшенген спектрді жақсы көру үшін құралдың жиілік диапазонында дисплейді реттеуге мүмкіндік береді.

Қателік жолақтығы

Операция бөлімінде талқыланғандай, ажырату жолағының кеңдігі сүзгісі немесе RBW сүзгісі – бұл аралық жиілік жолындағы жолақты өткізу сүзгісі. Ол детекторға (қуатты өлшеу құрылғысына) дейінгі радиожиілік тізбегінің ені. Ол радиожиілік шу деңгейін және талдаушы екі жеке шың ретінде ажырата алатын екі сигналдың қаншалықты жақын болуын анықтайды.

Детектор

Цифрлық дисплейлердің пайда болуымен, кейбір заманауи спектр талдағыштары VBW сүзгісінен кейін спектр амплитудасын үлгілеу үшін аналог-цифрлық түрлендіргіштерді қолданады. Дисплейлерде дискретті сандардағы нүктелер болғандықтан, өлшенген жиілік диапазоны да цифрлық түрге келтіріледі. Детекторлар дисплейдегі тиісті жиілік нүктесіне сигналдың дұрыс қуатын сәйкестендіруге арналған. Детекторлардың үш негізгі түрі бар: үлгілеу, максимумды анықтау және орташа мәнді анықтау. Үлгілеу анықтау – үлгілеу анықтау, берілген интервалдың орта нүктесін дисплей нүктесінің мәні ретінде пайдаланады. Бұл әдіс кездейсоқ шуды жақсы көрсетеді, бірақ барлық синусоидты сигналдарды міндетті түрде анықтамайды. Максимумды анықтау – максимумды анықтау, берілген интервалдағы ең жоғары өлшенген нүктені дисплей нүктесінің мәні ретінде пайдаланады. Бұл интервал ішіндегі ең үлкен синусоиданың өлшенуін қамтамасыз етеді; алайда, интервал ішіндегі кішірек синусоидалар өлшенбеуі мүмкін. Сондай-ақ, максимумды анықтау кездейсоқ шуды жақсы көрсетпейді. Орташа мәнді анықтау – орташа мәнді анықтау интервал ішіндегі барлық дерек нүктелерін пайдаланып дисплей нүктесінің мәнін анықтайды. Бұл қуаттың (RMS) орташасы, кернеудің орташасы немесе логарифмдік қуаттың орташасы арқылы жасалады.

Көрсеткіштегі орташа шу деңгейі

Көрсеткіштің орташа шу деңгейі (DANL) – анализерде көрсетілетін орташа шу деңгейінің өзіндік мәні. Бұл нақты ажыратымдылық енімен (мысалы, -120 дБм @ 1 кГц RBW) немесе 1 Гц-ке нормаланған (әдетте дБм/Гц) күйде болуы мүмкін, мысалы, -150 дБм(Гц). Бұл сондай-ақ спектр анализаторының сезімталдығы деп аталады. Егер сигнал деңгейі орташа шу деңгейіне тең болса, дисплейде 3 дБ көрсетіледі. Спектр анализаторының сезімталдығын арттыру үшін, спектр анализаторының кірісіне шу көрсеткіші төмендетілген алдын ала күшейткіш қосылуы мүмкін.

Радиожиіліктерді пайдалану

Спектрлік анализаторлар кіріс және шығыс спектрлерін салыстыру арқылы радиожиіліктік (RF) тізбектердің кез келген түрінің жиілік жауабын, шу және бұрмалау сипаттамаларын өлшеу үшін кеңінен қолданылады. Мысалы, радиожиілікті араластырғыштарда спектрлік анализатор үшінші реттік интермодуляция туындыларының және түрлендіру шығындарының деңгейін анықтау үшін қолданылады. Радиожиілікті генераторларда спектрлік анализатор әртүрлі гармоникалардың деңгейін анықтау үшін қолданылады. Телекоммуникацияда спектрлік анализаторлар қолданылатын жолақтың енін анықтау және кедергі көздерін іздеу үшін қолданылады. Мысалы, ұялы желі жоспарлаушылары осы құралды GSM жиілік диапазондарындағы және UMTS жиілік диапазондарындағы кедергі көздерін анықтау үшін пайдаланады. Электромагниттік үйлесімділік (ЭМҮ) сынағында спектрлік анализатор негізгі алдын ала сәйкестік сынағы үшін қолданылады, бірақ толық сынақ пен сертификаттау үшін оны қолдануға болмайды. Оның орнына ЭМҮ қабылдағышы қолданылады. Сымсыз хабар таратушының шығарылымдардың тазалығы бойынша белгіленген стандарттарға сәйкес жұмыс істеп тұрғанын анықтау үшін спектрлік анализатор қолданылады. Көрсетілген байланыс жиілігінен өзге жиіліктердегі шығыс сигналдары дисплейде тік сызықтар (импульстар) түрінде көрінеді. Спектрлік анализатор сондай-ақ тікелей бақылау арқылы цифрлық немесе аналогты сигналдың жолақтығын анықтау үшін қолданылады. Спектрлік анализатор интерфейсі – бұл радиожиіліктік диапазонда электромагниттік сигналдарды визуально анықтау және талдау үшін сымсыз қабылдағышқа немесе жеке компьютерге қосылатын құрылғы. Бұл панорамалық қабылдау деп аталады және Wi-Fi және сымсыз маршрутизаторлар сияқты сымсыз желілік жабдықтарына кедергі келтіретін көздердің жиілігін анықтау үшін қолданылады. Спектрлік анализаторлар радиожиілікті қорғауды бағалау үшін де қолданылады. Радиожиілікті қорғау магниттік-резонанстық бейнелеу аппаратын орналастыру үшін ерекше маңызды, себебі шашыраған радиожиілікті өрістер МР бейнесінде артефакттарға әкелуі мүмкін.

Аудиожиіліктерді пайдалану

Аудиосигналдың гармоникасын талдау үшін аудиожиіліктерде спектрлік талдау қолданылуы мүмкін. Типтік қолданысы – номиналды синустық толқын сигналының бұрмалануын өлшеу; өте төмен бұрмалануы бар синустық толқын сыналып жатқан құрылғыға кіріс ретінде беріледі, ал спектрлік анализатор шығысты, онда қосымша бұрмалау өнімдері болады, қарастырып, негізгі гармониканың әрқайсысы үшін бұрмалану пайызын анықтай алады. Бұндай анализаторлар бір кезде "толқын анализаторлары" деп аталған. Талдауды тиісті өнімділікке ие таңдалған дыбыс картасы және лайықты бағдарламалық қамтамасыз етуі бар жалпы мақсаттағы цифрлық компьютермен жүргізуге болады. Төмен бұрмалануы бар синустық толқынды пайдаланудың орнына, кіріс шығыстан алынып, әлсіретіліп және фазасы түзетіліп, тек қосылған бұрмалау мен шуды алуға болады, осыдан кейін оны талдауға болады. Балама әдіс, жалпы гармоникалық бұрмалауды өлшеу, негізгі жиілікті кесілген сүзгі арқылы жояды және қалған сигналдың жалпы мөлшерін өлшейді, ол жалпы гармоникалық бұрмалау мен шудан тұрады; ол анализатор сияқты гармония бойынша егжей-тегжейлі мәлімет бермейді. Аудиоинженерлер өз жұмыстарын бағалау үшін спектрлік анализаторларды да пайдаланады. Мұндай жағдайларда спектрлік анализатор толқынды көрсетудің орнына, адамның есту қабілетінің әдеттегі диапазонындағы жиілік жолақтарының дыбыс деңгейін көрсетеді. Тікелей дыбыс беруде инженерлер оларды кері байланысты анықтау үшін пайдалана алады.

Оптикалық спектрді талдау

Оптикалық спектрлік анализатор жарықтың толқын ұзындығын ажырату үшін шағылыстыру немесе сыну әдістерін қолданады. Электрооптикалық детектор жарықтың қарқындылығын өлшеу үшін пайдаланылады, ол әдетте радио немесе аудио жиілік спектр анализаторына ұқсас экранда көрсетіледі. Оптикалық спектр анализаторына кіру құрал корпусындағы апертура арқылы, оптикалық талшық немесе оптикалық кабельді қосуға болатын оптикалық жалғауыш арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Толқын ұзындығын ажырату үшін әртүрлі техникалар бар. Бір әдіс – монохроматорды пайдалану, мысалы, Czerny–Turner конструкциясы, оның шығыс саңылауына оптикалық детектор орнатылған. Монохроматордағы дифракциялық тор қозғалғанда, детектор әртүрлі жиіліктердің (түстердің) жолақтарын «көреді», ал нәтижедегі сигнал дисплейде көрсетілуі мүмкін. Оптикалық спектрде МГц-ға дейін жоғары дәлдікпен өлшеулерді сканерленетін Фабри–Перо интерферометрі және аналогты немесе цифрлық басқару электроникасымен жүзеге асыруға болады, бұл екі жоғары шағылыстыратын айналар арасындағы қашықтықты өзгертетін пьезоэлектрлік қозғалтқыштың кернеулі рампасын пайдаланып, оптикалық резонанстық қуыстың резонанстық жиілігін өзгертеді. Қуысқа орнатылған сезімтал фотодиод қарқындылық сигналын береді, ол оптикалық қуат спектрінің визуализациясын жасау үшін рампа кернеуіне қатысты сызылады. Оптикалық спектр анализаторларының жиілік диапазоны көбінесе шектеулі болады, мысалы, 800–1600 нм (жақын инфрақызыл), бірақ (шамалы) кең жолақты мақсатқа бағытталған құралдар да қол жетімді.

Дәрелі спектрін талдау

Діріл спектрін талдағыш әртүрлі компоненттік жиіліктердегі діріл амплитудаларын талдауға мүмкіндік береді. Осылайша, белгілі бір жиіліктерде туындайтын дірілдерді анықтап, оларды қадағалауға болады. Себебі, машинаның нақты проблемалары белгілі бір жиілікте діріл тудырады, сондықтан машина ақауларын анықтауға немесе диагностикалауға болады. Діріл спектрін талдағыштар әртүрлі сенсорлардан сигналдарды пайдаланады, мысалы: акселерометрлер, жылдамдық датчиктері және жақындық сенсорлары. Машинаның жай-күйін бақылауда діріл спектрін талдағышты қолдану машина ақауларын анықтауға және мынадай ақауларды анықтауға мүмкіндік береді: ротордың тепе-теңдігінің бұзылуы, біліктің дұрыс емес орналасуы, механикалық бекітілмеу, подшипниктердің зақымдануы және тағы басқалар. Дірілді талдау құрылымдарда құрылымдық резонанстарды анықтау немесе модальды талдау жүргізу үшін де қолданылуы мүмкін.