Введение

Электронное испытательное устройство

Спектроанализатор измеряет амплитуду входного сигнала в зависимости от частоты во всем частотном диапазоне прибора. Основное назначение – измерение мощности спектра известных и неизвестных сигналов. Большинство распространенных спектроанализаторов измеряют электрические сигналы, однако спектральный состав других сигналов, таких как акустические волны давления и оптические волны света, может быть измерен с использованием соответствующего преобразователя. Существуют также спектроанализаторы для других типов сигналов, например, оптические спектроанализаторы, использующие прямые оптические методы, такие как монохроматор, для проведения измерений. Анализируя спектры электрических сигналов, можно определить доминирующую частоту, мощность, искажения, гармоники, полосу пропускания и другие спектральные компоненты сигнала, которые сложно обнаружить при анализе сигналов во временной области. Эти параметры полезны для характеристики электронных устройств, таких как беспроводные передатчики. На дисплее спектроанализатора частота отображается по горизонтальной оси, а амплитуда – по вертикальной. Неспециалисту спектроанализатор может показаться осциллографом, который отображает амплитуду по вертикальной оси, а время – по горизонтальной. Фактически, некоторые лабораторные приборы могут функционировать как осциллограф, так и спектроанализатор.

История

Первые анализаторы спектра в 1960-х годах были приборами с разверткой по частоте. После открытия быстрого преобразования Фурье (FFT) в 1965 году, в 1967 году были представлены первые анализаторы, основанные на FFT. Сегодня существует три основных типа анализаторов: сканирующий анализатор спектра, анализатор векторного сигнала и анализатор спектра в реальном времени. Однако слишком быстрая развертка приводит к снижению отображаемой амплитуды и смещению отображаемой частоты. Также, анимация содержит спектры с повышением и понижением частоты, что связано с тем, что частотный смеситель генерирует как сумму, так и разность частот. Проникновение сигнала гетеродина обусловлено недостаточной изоляцией от тракта промежуточной частоты (IF) в смесителе. Для очень слабых сигналов используется предварительный усилитель, хотя гармонические и интермодуляционные искажения могут приводить к появлению новых частотных составляющих, отсутствовавших в исходном сигнале.

На основе FFT

При анализе спектра на основе БПФ (быстрого преобразования Фурье) частотное разрешение равно величине, обратной времени T, в течение которого измеряется форма сигнала и выполняется преобразование Фурье. При проведении анализа с использованием преобразования Фурье в цифровом спектроанализаторе необходимо дискретизировать входной сигнал с частотой дискретизации, которая как минимум в два раза превышает полосу пропускания сигнала, из-за ограничения Найквиста. Преобразование Фурье затем формирует спектр, содержащий все частоты в диапазоне от нуля до Это может предъявлять значительные требования к необходимому аналого-цифровому преобразователю и вычислительной мощности для выполнения преобразования Фурье, что ограничивает частотный диапазон спектроанализаторов на основе БПФ.

Гибридный супергетеродин-FFT

Поскольку анализаторы, основанные на быстром преобразовании Фурье (FFT), способны анализировать только узкие полосы, одним из подходов является комбинирование анализа с разверткой по частоте (swept) и FFT для анализа как широких, так и узких диапазонов. Эта техника позволяет сократить время развертки. Реализация этого метода возможна путем предварительного понижения частоты сигнала, последующей оцифровки промежуточной частоты и использования супергетеродинных методов или FFT для получения спектра. Одним из преимуществ оцифровки промежуточной частоты является возможность применения цифровых фильтров, которые обладают рядом преимуществ перед аналоговыми фильтрами, таких как почти идеальная избирательность и улучшенное время установления фильтра. Кроме того, при анализе узких диапазонов, FFT можно использовать для увеличения времени развертки без искажения отображаемого спектра.

ФТ в реальном времени

Анализатор спектра в реальном времени не имеет слепых интервалов – до некоторого максимального размаха, часто называемого "полосой реального времени". Анализатор способен дискретизировать входящий радиочастотный спектр во временной области и преобразовывать информацию в частотную область с помощью быстрого преобразования Фурье (FFT). Преобразования Фурье обрабатываются параллельно, без разрывов и с перекрытием, что исключает наличие пробелов в вычисленном радиочастотном спектре и потерю информации.

Онлайн в реальном времени и офлайн в реальном времени

В некотором смысле, любой спектроанализатор, обладающий функциональностью векторного анализатора сигнала, можно считать анализатором реального времени. Он выполняет дискретизацию данных с достаточной скоростью для соответствия теореме Котельникова-Найквиста и сохраняет эти данные в памяти для последующей обработки. Однако такой анализатор работает в режиме реального времени лишь в течение времени, необходимого для захвата объема данных, который помещается в его память, и всё равно оставляет промежутки в спектре и требует времени на обработку результатов.

Скрытие FFT

Минимизация искажения информации важна для всех анализаторов спектра. Процесс FFT использует оконные функции для улучшения выходного спектра за счет уменьшения уровня боковых лепестков. Оконная функция может также снизить амплитуду сигнала, если он попадает на границу между двумя последовательными FFT. Именно поэтому в анализаторах спектра реального времени FFT перекрываются. Степень перекрытия составляет примерно 80%. Анализатор, использующий FFT с 1024 точками, повторно использует около 819 отсчетов из предыдущего FFT.

Минимальное время обнаружения сигнала

Это связано с частотой дискретизации анализатора и скоростью выполнения FFT. Это также важно для обеспечения высокой точности уровня сигнала анализатором спектра в режиме реального времени. Например, для анализатора с полосой реального времени 40 МГц (максимальный диапазон радиочастот, который может быть обработан в реальном времени) требуется приблизительно 50 МГц (комплексных) отсчетов в секунду. Если анализатор спектра выполняет 250 000 FFT/с, то вычисление FFT производится каждые 4 мкс. Для FFT с 1024 точками полный спектр формируется за 1024 x (1/50 x 10^6), то есть примерно каждые 20 мкс. Это также определяет степень перекрытия в 80% – (20 мкс – 4 мкс) / 20 мкс = 80%.

Настойчивость

Анализаторы спектра в реальном времени способны предоставлять пользователям значительно больше информации для детального изучения частотного спектра. Обычный сканирующий анализатор спектра отображает, например, максимальные и минимальные пики, в то время как анализатор спектра в реальном времени может построить график всех вычисленных БПФ за заданный период времени, используя дополнительную цветовую кодировку, которая показывает, как часто встречается сигнал. Например, на этом изображении показана разница между отображением спектра в обычном сканирующем режиме и использованием режима "Устойчивость" (Persistence) на анализаторе спектра в реальном времени.

Скрытые сигналы

Анализаторы спектра в реальном времени способны обнаруживать сигналы, скрытые за другими сигналами. Это возможно благодаря тому, что ни одна информация не теряется, а отображаемая пользователю информация является результатом вычислений быстрого преобразования Фурье (FFT). Пример этого можно увидеть справа.

Центральная частота и диапазон

В типичном спектроанализаторе предусмотрены настройки для установки начальной, конечной и центральной частоты. Центральная частота – это частота, расположенная посередине между конечной и начальной частотами на дисплее спектроанализатора. Она соответствует середине частотной оси дисплея. Параметр "Span" (полоса пропускания) определяет диапазон между начальной и конечной частотами. Эти два параметра позволяют настроить отображение в пределах частотного диапазона прибора для улучшения видимости измеряемого спектра.

Ширина полосы пропускания разрешения

Как обсуждалось в разделе об эксплуатации, фильтр полосы пропускания по разрешению, или RBW-фильтр, является полосовым фильтром в тракте промежуточной частоты (ПЧ). Он определяет полосу частот RF-цепи перед детектором (устройством измерения мощности). Этот фильтр определяет уровень собственных шумов RF-цепи и минимальное расстояние между двумя сигналами, которые анализатор способен различить как два отдельных пика.

Детектор

С появлением цифровых дисплеев некоторые современные анализаторы спектра используют аналого-цифровые преобразователи для дискретизации амплитуды спектра после VBW-фильтра. Поскольку дисплеи имеют конечное число точек, измеряемый диапазон частот также оцифровывается. Детекторы используются для адекватного отображения мощности сигнала на соответствующую частотную точку на дисплее. Существует три основных типа детекторов: по выборке, пиковый и средний.

Детектор по выборке – детектор по выборке просто использует середину заданного интервала в качестве значения для точки отображения. Хотя этот метод хорошо отображает случайный шум, он не всегда фиксирует все синусоидальные сигналы.

Пиковый детектор – пиковый детектор использует максимальную измеренную точку в заданном интервале в качестве значения для точки отображения. Это гарантирует измерение максимальной синусоиды в пределах интервала; однако, более слабые синусоиды в пределах интервала могут быть не измерены. Кроме того, пиковый детектор не обеспечивает адекватного представления случайного шума.

Средний детектор – средний детектор использует все точки данных в интервале для определения значения точки отображения. Это достигается путем усреднения мощности (RMS), усреднения напряжения или усреднения логарифмической мощности.

Указанный средний уровень шума

Уровень среднего отображаемого шума (DANL) – это именно то, что подразумевается под этим термином – средний уровень шума, отображаемый на анализаторе. Он может быть указан для определенной полосы разрешения (например, −120 дБм при полосе разрешения 1 кГц), либо нормализован до 1 Гц (обычно в дБм/Гц), например, −150 дБм(Гц). Это также называют чувствительностью анализатора спектра. Если на вход анализатора подать сигнал, уровень которого равен среднему уровню шума, на дисплее будет показан сигнал на 3 дБ. Для повышения чувствительности анализатора спектра к его входу можно подключить предварительный усилитель с меньшей собственной шумовой характеристикой.

Использование радиочастот

Спектроанализаторы широко используются для измерения частотной характеристики, шума и нелинейных искажений во всех видах радиочастотных (РЧ) схем путем сравнения входного и выходного спектров. Например, в РЧ-смесителях спектроанализатор используется для определения уровней продуктов интермодуляции третьего порядка и потерь при преобразовании частоты. В РЧ-генераторах спектроанализатор используется для определения уровней различных гармоник. В телекоммуникациях спектроанализаторы используются для определения полосы пропускания сигнала и выявления источников помех. Например, специалисты по планированию сотовых сетей используют это оборудование для определения источников помех в диапазонах частот GSM и UMTS. При проведении испытаний на электромагнитную совместимость (ЭМС) спектроанализатор используется для предварительной проверки соответствия стандартам, однако он не может быть использован для полноценного тестирования и сертификации. Вместо этого используется приёмник для измерения электромагнитных помех (EMI). Спектроанализатор используется для определения соответствия беспроводного передатчика установленным стандартам по чистоте излучения. Выходные сигналы на частотах, отличных от рабочей частоты передачи, отображаются на дисплее в виде вертикальных линий (пиков). Спектроанализатор также используется для непосредственного определения полосы пропускания цифрового или аналогового сигнала. Интерфейс спектроанализатора – это устройство, подключаемое к беспроводному приёмнику или персональному компьютеру для визуального обнаружения и анализа электромагнитных сигналов в заданном диапазоне частот. Этот метод называется панорамным приёмом и используется для определения частот источников помех для беспроводного сетевого оборудования, такого как Wi-Fi и беспроводные маршрутизаторы. Спектроанализаторы также могут использоваться для оценки эффективности радиочастотной защиты. Радиочастотная защита особенно важна при установке аппарата магнитно-резонансной томографии, поскольку наличие посторонних РЧ-полей может приводить к появлению артефактов на МР-изображении.

Использование аудиочастот

Спектральный анализ может использоваться на звуковых частотах для анализа гармоник звукового сигнала. Типичным применением является измерение искажений номинально синусоидального сигнала: синусоидальный сигнал с очень низким уровнем искажений подается на вход тестируемого оборудования, а анализатор спектра исследует выходной сигнал, который содержит добавленные продукты искажения, и определяет процент искажений на каждой гармонике основной частоты. Такие анализаторы ранее назывались "волновыми анализаторами". Анализ может быть выполнен на обычном цифровом компьютере с звуковой картой, подобранной по соответствующим характеристикам и с использованием подходящего программного обеспечения. Вместо использования синусоидального сигнала с низким уровнем искажений, входной сигнал можно вычесть из выходного, ослабить и скорректировать по фазе, чтобы получить только добавленные искажения и шум, которые затем анализируются. Альтернативным методом является измерение общего гармонического искажения, при котором основная частота подавляется с помощью режекторного фильтра и измеряется оставшийся сигнал, представляющий собой общее гармоническое искажение плюс шум; этот метод не предоставляет детальной информации о каждой гармонике, как анализатор спектра. Анализаторы спектра также используются звукорежиссерами для оценки своей работы. В этих случаях анализатор спектра отображает уровни громкости частотных диапазонов в типичном диапазоне человеческого слуха, а не форму волны. В системах звукового усиления в реальном времени инженеры могут использовать их для выявления и устранения обратной связи.

Анализатор оптического спектра

Анализатор оптического спектра использует методы отражения или преломления для разделения длин волн света. Электрооптический детектор используется для измерения интенсивности света, которая затем обычно отображается на экране аналогично тому, как это делается в анализаторах радио- или аудиочастотного спектра. Вход в оптический спектроанализатор может осуществляться через отверстие в корпусе прибора, оптическое волокно или оптический разъем, к которому можно подключить оптоволоконный кабель. Существуют различные методы разделения длин волн. Один из методов – использование монохроматора, например, конструкции Черни-Тернера, с оптическим детектором, расположенным на выходной щели. При перемещении дифракционной решетки в монохроматоре детектор "видит" полосы различных частот (цветов), и полученный сигнал может быть отображен на дисплее. Более точные измерения (вплоть до МГц в оптическом спектре) могут быть выполнены с помощью сканирующего интерферометра Фабри-Перо в сочетании с аналоговой или цифровой управляющей электроникой, которая изменяет резонансную частоту оптически резонансной полости посредством напряжения, подаваемого на пьезоэлектрический двигатель, изменяющий расстояние между двумя высокоотражающими зеркалами. Чувствительный фотодиод, встроенный в полость, обеспечивает сигнал интенсивности, который отображается на графике в зависимости от напряжения, создавая визуальное представление спектра оптической мощности. Частотная характеристика оптических анализаторов спектра, как правило, относительно ограничена, например, 800–1600 нм (ближний инфракрасный диапазон), в зависимости от предполагаемого назначения, хотя доступны инструменты общего назначения с (несколько) большей полосой пропускания.

Анализатор колебаний

Анализатор спектра вибрации позволяет анализировать амплитуды вибраций на различных частотах. Таким образом, вибрации, возникающие на определенных частотах, могут быть идентифицированы и отслежены. Поскольку конкретные неисправности оборудования генерируют вибрации на определенных частотах, можно обнаружить или диагностировать дефекты оборудования. Анализаторы спектра вибрации используют сигналы от различных типов датчиков, таких как акселерометры, датчики скорости и датчики приближения. Использование анализатора спектра вибрации для мониторинга состояния оборудования позволяет обнаруживать и идентифицировать такие неисправности, как дисбаланс ротора, несоосность вала, механические люфты, дефекты подшипников и другие. Анализ вибрации также может применяться для анализа конструкций с целью выявления структурных резонансов или проведения модального анализа.