Анализатор спектра измеряет величину входного сигнала в зависимости от частоты в пределах полного частотного диапазона прибора. Основное применение — измерение мощности спектра известных и неизвестных сигналов. Входной сигнал, который измеряют большинство распространенных анализаторов спектра, является электрическим; однако спектральные составы других сигналов, таких как волны акустического давления и оптические световые волны, могут быть рассмотрены с помощью соответствующего преобразователя . Существуют также анализаторы спектра для других типов сигналов, например оптические анализаторы спектра, которые используют прямые оптические методы, такие как монохроматор, для проведения измерений.
Анализируя спектры электрических сигналов, можно наблюдать доминирующую частоту, мощность , искажения , гармоники , полосу пропускания и другие спектральные компоненты сигнала, которые нелегко обнаружить в формах волн во временной области . Эти параметры полезны при характеристике электронных устройств, таких как беспроводные передатчики.
На дисплее спектроанализатора частота отображается на горизонтальной оси, а амплитуда — на вертикальной. Для стороннего наблюдателя спектроанализатор выглядит как осциллограф , который отображает амплитуду на вертикальной оси, а время — на горизонтальной. Фактически, некоторые лабораторные приборы могут функционировать как осциллограф или анализатор спектра.
Первые анализаторы спектра, появившиеся в 1960-х годах, представляли собой приборы с качающейся частотой. [1]
После открытия быстрого преобразования Фурье (БПФ) в 1965 году, в 1967 году были представлены первые анализаторы на основе БПФ. [2]
На сегодняшний день существует три основных типа анализаторов: анализатор спектра с качающейся частотой, векторный анализатор сигналов и анализатор спектра в реальном времени. [1]
Типы анализаторов спектра различаются по методам, используемым для получения спектра сигнала. Существуют анализаторы спектра с качающейся частотой и на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ):
Анализаторы спектра, как правило, делятся на четыре форм-фактора: настольные, портативные, карманные и сетевые.
Этот форм-фактор полезен для приложений, где анализатор спектра может быть подключен к сети переменного тока, что обычно означает лабораторную среду или производственную зону. Настольные анализаторы спектра исторически предлагали лучшую производительность и характеристики, чем портативные или карманные форм-факторы. Настольные анализаторы спектра обычно имеют несколько вентиляторов (с соответствующими вентиляционными отверстиями) для рассеивания тепла, вырабатываемого процессором . Из-за своей архитектуры настольные анализаторы спектра обычно весят более 30 фунтов (14 кг). Некоторые настольные анализаторы спектра предлагают дополнительные аккумуляторные батареи , что позволяет использовать их вдали от сети переменного тока . Этот тип анализатора часто называют «портативным» анализатором спектра.
Этот форм-фактор полезен для любых приложений, где анализатор спектра необходимо выносить наружу для проведения измерений или просто переносить во время использования. Атрибуты, которые способствуют полезности портативного анализатора спектра, включают:
.jpeg/1280px-Space_Aggressors_test_Red_Flag_Airmen_(2743147).jpeg)
Этот форм-фактор полезен для любого приложения, где анализатор спектра должен быть очень легким и маленьким. Ручные анализаторы обычно предлагают ограниченные возможности по сравнению с более крупными системами. Атрибуты, которые способствуют полезности ручного анализатора спектра, включают:
Этот форм-фактор не включает дисплей, и эти устройства предназначены для обеспечения нового класса географически распределенных приложений мониторинга и анализа спектра. Ключевым атрибутом является возможность подключения анализатора к сети и мониторинга таких устройств по сети. Хотя многие анализаторы спектра имеют порт Ethernet для управления, им обычно не хватает эффективных механизмов передачи данных, и они слишком громоздки или дороги для развертывания таким распределенным образом. Основные приложения для таких устройств включают системы обнаружения вторжений RF для защищенных объектов, где запрещена беспроводная сигнализация. Кроме того, операторы сотовой связи используют такие анализаторы для удаленного мониторинга помех в лицензированных спектральных диапазонах. Распределенная природа таких устройств позволяет осуществлять геолокацию передатчиков, мониторинг спектра для динамического доступа к спектру и многие другие подобные приложения.
К основным характеристикам таких устройств относятся:
Как обсуждалось выше в разделе «Типы» , анализатор спектра с качающейся частотой преобразует с понижением частоты [ сломанный якорь ] часть спектра входного сигнала в центральную частоту полосового фильтра, прогоняя генератор, управляемый напряжением, через диапазон частот, что позволяет рассмотреть полный частотный диапазон прибора.
Полоса пропускания полосового фильтра определяет полосу разрешения, которая связана с минимальной полосой пропускания, обнаруживаемой прибором. Как показано на анимации справа, чем меньше полоса пропускания, тем больше спектральное разрешение. Однако существует компромисс между тем, как быстро дисплей может обновить весь рассматриваемый диапазон частот, и разрешением по частоте, которое важно для различения частотных компонентов, которые находятся близко друг к другу. Для архитектуры с качающейся настройкой полезно следующее соотношение для времени развертки:
Где ST — время развертки в секундах, k — константа пропорциональности, Span — рассматриваемый диапазон частот в герцах, а RBW — полоса разрешения в герцах. [3] Однако слишком быстрая развертка приводит к падению отображаемой амплитуды и сдвигу отображаемой частоты. [4]
Кроме того, анимация содержит как преобразованные вверх, так и преобразованные вниз спектры, что обусловлено тем, что смеситель частот производит как сумму, так и разность частот. Проход локального генератора обусловлен несовершенной изоляцией от пути сигнала ПЧ в смесителе .
Для очень слабых сигналов используется предварительный усилитель , хотя гармонические и интермодуляционные искажения могут привести к созданию новых частотных компонентов, отсутствовавших в исходном сигнале.
При использовании анализатора спектра на основе БПФ разрешение по частоте равно , что обратно пропорционально времени T , в течение которого измеряется форма волны и выполняется ее преобразование Фурье.
При анализе преобразования Фурье в цифровом анализаторе спектра необходимо дискретизировать входной сигнал с частотой дискретизации , которая по крайней мере вдвое превышает ширину полосы сигнала из-за предела Найквиста . [5] Затем преобразование Фурье создаст спектр, содержащий все частоты от нуля до . Это может предъявлять значительные требования к требуемому аналого-цифровому преобразователю и вычислительной мощности для преобразования Фурье, делая анализаторы спектра на основе БПФ ограниченными в частотном диапазоне.
Поскольку анализаторы на основе БПФ способны рассматривать только узкие полосы, один из методов заключается в объединении анализа свепта и БПФ для рассмотрения широких и узких диапазонов. Этот метод позволяет сократить время развертки.
Этот метод стал возможен благодаря первоначальному преобразованию сигнала с понижением частоты, последующей оцифровке промежуточной частоты и использованию супергетеродинных методов или методов БПФ для получения спектра.
Одним из преимуществ оцифровки промежуточной частоты является возможность использования цифровых фильтров , которые имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми фильтрами, такими как почти идеальные коэффициенты формы и улучшенное время установления фильтра. Кроме того, для рассмотрения узких диапазонов можно использовать БПФ для увеличения времени развертки без искажения отображаемого спектра.
Анализатор спектра в реальном времени не имеет времени простоя — до некоторого максимального диапазона, часто называемого «полосой пропускания в реальном времени». Анализатор способен производить выборку входящего спектра РЧ во временной области и преобразовывать информацию в частотную область с помощью процесса БПФ. БПФ обрабатываются параллельно, без пропусков и с перекрытием, поэтому в вычисленном спектре РЧ нет пропусков и никакая информация не пропускается.
В некотором смысле, любой анализатор спектра, который имеет возможность векторного анализа сигнала, является анализатором реального времени. Он производит выборку данных достаточно быстро, чтобы удовлетворить теореме Найквиста о выборке, и сохраняет данные в памяти для последующей обработки. Этот тип анализатора является анализатором реального времени только для того объема данных/времени захвата, который он может хранить в памяти, и все равно создает пробелы в спектре и результатах во время обработки.
Минимизация искажения информации важна во всех спектральных анализаторах. Процесс БПФ применяет методы оконной обработки для улучшения выходного спектра за счет создания меньшего количества боковых лепестков. Эффект оконной обработки может также снизить уровень сигнала, когда он захватывается на границе между одним БПФ и следующим. По этой причине БПФ в анализаторе спектра в реальном времени перекрываются. Коэффициент перекрытия составляет приблизительно 80%. Анализатор, использующий 1024-точечный процесс БПФ, будет повторно использовать приблизительно 819 выборок из предыдущего процесса БПФ. [6]
Это связано с частотой дискретизации анализатора и скоростью БПФ . Также важно, чтобы анализатор спектра в реальном времени давал хорошую точность уровня.
Пример: для анализатора с полосой пропускания реального времени 40 МГц (максимальный диапазон РЧ, который может быть обработан в реальном времени) требуется приблизительно 50 Мвыб/сек (комплексных). Если анализатор спектра производит 250 000 БПФ/с, расчет БПФ производится каждые 4 мкс. Для 1024-точечного БПФ полный спектр производится 1024 x (1/50 x 10 6 ), приблизительно каждые 20 мкс. Это также дает нам нашу степень перекрытия 80% (20 мкс − 4 мкс) / 20 мкс = 80%.
Анализаторы спектра в реальном времени способны выдавать гораздо больше информации для пользователей, чтобы они могли более подробно изучить спектр частот. Обычный анализатор спектра с разверткой выдает, например, макс. пик, мин. пик, но анализатор спектра в реальном времени способен выводить все вычисленные БПФ за заданный период времени с добавленной цветовой кодировкой, которая представляет, как часто появляется сигнал. Например, это изображение показывает разницу между тем, как спектр отображается в обычном виде спектра с разверткой и с использованием вида «Постоянство» на анализаторе спектра в реальном времени.
Анализаторы спектра в реальном времени способны видеть сигналы, скрытые за другими сигналами. Это возможно, поскольку никакая информация не пропускается, а отображение для пользователя является результатом вычислений БПФ. Пример этого можно увидеть справа.
В типичном анализаторе спектра есть опции для установки начальной, конечной и центральной частоты. Частота, находящаяся посередине между конечной и начальной частотами на дисплее анализатора спектра, называется центральной частотой . Это частота, которая находится в середине оси частот дисплея. Диапазон определяет диапазон между начальной и конечной частотами. Эти два параметра позволяют настраивать дисплей в пределах частотного диапазона прибора для улучшения видимости измеренного спектра.
Как обсуждалось в разделе «Эксплуатация» , фильтр полосы пропускания разрешения или фильтр RBW — это полосовой фильтр в тракте ПЧ . Это полоса пропускания цепи РЧ перед детектором (устройством измерения мощности). [7] Он определяет уровень шума РЧ и то, насколько близко могут быть расположены два сигнала и насколько близко они могут быть разделены анализатором на два отдельных пика. [7] Регулировка полосы пропускания этого фильтра позволяет различать сигналы с близко расположенными частотными компонентами, а также изменять измеренный уровень шума. Уменьшение полосы пропускания фильтра RBW уменьшает измеренный уровень шума и наоборот. Это происходит из-за того, что фильтры с более высокой полосой пропускания пропускают больше частотных компонентов к детектору огибающей, чем фильтры с более низкой полосой пропускания RBW, поэтому более высокая полоса пропускания приводит к более высокому измеренному уровню шума.
Фильтр видеополосы пропускания или фильтр VBW — это фильтр нижних частот, расположенный непосредственно после детектора огибающей . Это полоса пропускания цепи сигнала после детектора. Усреднение или пиковое обнаружение относится к тому, как часть цифрового хранения устройства записывает выборки — она берет несколько выборок за один шаг времени и сохраняет только одну выборку, либо среднюю из выборок, либо самую высокую. [7] Полоса пропускания видео определяет способность различать два разных уровня мощности. [7] Это связано с тем, что более узкая VBW уберет шум на выходе детектора. [7] Этот фильтр используется для «сглаживания» отображения путем удаления шума из огибающей. Подобно RBW, VBW влияет на время развертки отображения, если VBW меньше RBW. Если VBW меньше RBW, полезно следующее соотношение для времени развертки:
Здесь t sweep — время развертки, k — безразмерная константа пропорциональности, f 2 − f 1 — диапазон частот развертки, RBW — полоса разрешения, а VBW — полоса видеосигнала. [8]
С появлением цифровых дисплеев некоторые современные анализаторы спектра используют аналого-цифровые преобразователи для выборки амплитуды спектра после фильтра VBW. Поскольку дисплеи имеют дискретное количество точек, измеренный диапазон частот также оцифровывается. Детекторы используются для попытки адекватно сопоставить правильную мощность сигнала с соответствующей точкой частоты на дисплее. В целом существует три типа детекторов: выборочный, пиковый и средний
Отображаемый средний уровень шума (DANL) — это именно то, что он и говорит — средний уровень шума, отображаемый на анализаторе. Он может быть либо с определенной полосой пропускания (например, −120 дБм при 1 кГц RBW), либо нормализованным к 1 Гц (обычно в дБм/Гц), например, −150 дБм(Гц). Это также называется чувствительностью анализатора спектра. Если подается уровень сигнала, равный среднему уровню шума, будет отображаться 3 дБ. Для повышения чувствительности анализатора спектра на вход анализатора спектра можно подключить предусилитель с более низким коэффициентом шума. [9]
Анализаторы спектра широко используются для измерения частотной характеристики , шумовых и искаженных характеристик всех видов радиочастотных (РЧ) схем путем сравнения входных и выходных спектров. Например, в РЧ-смесителях анализатор спектра используется для нахождения уровней интермодуляционных продуктов третьего порядка и потерь преобразования. В РЧ-генераторах анализатор спектра используется для нахождения уровней различных гармоник.
В телекоммуникациях анализаторы спектра используются для определения занимаемой полосы пропускания и отслеживания источников помех. Например, планировщики сот используют это оборудование для определения источников помех в диапазонах частот GSM и UMTS .
В тестировании ЭМС анализатор спектра используется для базового предварительного тестирования на соответствие; однако он не может использоваться для полного тестирования и сертификации. Вместо этого используется приемник ЭМИ.
Спектральный анализатор используется для определения того, работает ли беспроводной передатчик в соответствии с определенными стандартами чистоты излучений. Выходные сигналы на частотах, отличных от предполагаемой частоты связи, отображаются на дисплее в виде вертикальных линий (точек). Спектральный анализатор также используется для определения, путем прямого наблюдения, полосы пропускания цифрового или аналогового сигнала.
Интерфейс анализатора спектра — это устройство, которое подключается к беспроводному приемнику или персональному компьютеру для визуального обнаружения и анализа электромагнитных сигналов в определенном диапазоне частот. Это называется панорамным приемом и используется для определения частот источников помех для беспроводного сетевого оборудования, такого как Wi-Fi и беспроводные маршрутизаторы.
Спектральные анализаторы также могут использоваться для оценки экранирования радиочастот. Экранирование радиочастот имеет особое значение для размещения магнитно-резонансного томографа, поскольку рассеянные радиочастотные поля могут привести к появлению артефактов на МР-изображении. [10]
Спектральный анализ может использоваться на звуковых частотах для анализа гармоник звукового сигнала. Типичным применением является измерение искажения номинально синусоидального сигнала; синусоида с очень низким искажением используется в качестве входа для тестируемого оборудования, а анализатор спектра может исследовать выход, который будет иметь добавленные продукты искажения, и определять процент искажения на каждой гармонике основной частоты. Такие анализаторы когда-то были описаны как «волновые анализаторы». Анализ может быть выполнен с помощью универсального цифрового компьютера со звуковой картой , выбранной для подходящей производительности [11], и соответствующим программным обеспечением. Вместо использования синусоиды с низким искажением входной сигнал может быть вычтен из выходного, ослаблен и скорректирован по фазе, чтобы получить только добавленные искажения и шум, которые можно проанализировать. [12]
Альтернативный метод, измерение полного гармонического искажения , устраняет основную гармонику с помощью режекторного фильтра и измеряет полный остаточный сигнал, который представляет собой полное гармоническое искажение плюс шум; он не дает гармонической детализации анализатора.
Спектральные анализаторы также используются звукорежиссерами для оценки их работы. В этих приложениях спектральный анализатор будет показывать уровни громкости частотных полос в типичном диапазоне человеческого слуха , а не отображать волну. В приложениях с живым звуком инженеры могут использовать их для точного определения обратной связи .
Оптический анализатор спектра использует отражательные или преломляющие методы для разделения длин волн света. Электрооптический детектор используется для измерения интенсивности света, которая затем обычно отображается на экране аналогично радио- или аудиочастотному анализатору спектра.
Вход в оптический анализатор спектра может осуществляться просто через отверстие в корпусе прибора, оптоволокно или оптический разъем, к которому можно подключить оптоволоконный кабель.
Существуют различные методы разделения длин волн. Один из методов заключается в использовании монохроматора , например, конструкции Черни-Тернера, с оптическим детектором, размещенным на выходной щели. По мере того, как решетка в монохроматоре движется, полосы различных частот (цветов) «видятся» детектором, и полученный сигнал затем может быть нанесен на дисплей. Более точные измерения (вплоть до МГц в оптическом спектре) можно выполнить с помощью сканирующего интерферометра Фабри-Перо вместе с аналоговой или цифровой управляющей электроникой, которая сканирует резонансную частоту оптически резонансной полости с помощью линейного напряжения для пьезоэлектрического двигателя , который изменяет расстояние между двумя высокоотражающими зеркалами. Чувствительный фотодиод, встроенный в полость, обеспечивает сигнал интенсивности, который наносится на график в зависимости от линейного напряжения для получения визуального представления оптического спектра мощности. [13]
Частотная характеристика оптических анализаторов спектра, как правило, относительно ограничена, например, 800–1600 нм (ближний инфракрасный диапазон), в зависимости от предполагаемого назначения, хотя доступны (несколько) более широкополосные приборы общего назначения.
Анализатор спектра вибрации позволяет анализировать амплитуды вибрации на различных частотах компонентов. Таким образом, вибрация, возникающая на определенных частотах, может быть идентифицирована и отслежена. Поскольку определенные проблемы с оборудованием генерируют вибрацию на определенных частотах, неисправности оборудования могут быть обнаружены или диагностированы. Анализаторы спектра вибрации используют сигнал от различных типов датчиков, таких как: акселерометры , преобразователи скорости и датчики приближения . Использование анализатора спектра вибрации при мониторинге состояния машины позволяет обнаруживать и идентифицировать неисправности машины, такие как: дисбаланс ротора, несоосность вала, механическая неплотность, дефекты подшипников и другие. Анализ вибрации также может использоваться в конструкциях для выявления структурных резонансов или для проведения модального анализа.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )