Анализатор спектра измеряет величину входного сигнала в зависимости от частоты во всем частотном диапазоне прибора. Основное использование — измерение мощности спектра известных и неизвестных сигналов. Входной сигнал, который измеряют большинство распространенных анализаторов спектра, является электрическим; однако спектральный состав других сигналов, таких как волны акустического давления и оптические световые волны, можно учитывать с помощью соответствующего преобразователя . Также существуют анализаторы спектра для других типов сигналов, например анализаторы оптического спектра, которые для проведения измерений используют прямые оптические методы, такие как монохроматор .
Анализируя спектры электрических сигналов, можно наблюдать доминирующую частоту, мощность , искажения , гармоники , полосу пропускания и другие спектральные компоненты сигнала, которые нелегко обнаружить во временных сигналах . Эти параметры полезны при характеристике электронных устройств, таких как беспроводные передатчики.
На дисплее анализатора спектра по горизонтальной оси отображается частота , а по вертикальной оси — амплитуда . Для стороннего наблюдателя анализатор спектра выглядит как осциллограф , который отображает амплитуду по вертикальной оси, а время — по горизонтальной оси. Фактически, некоторые лабораторные приборы могут функционировать либо как осциллограф, либо как анализатор спектра.
Первые анализаторы спектра, появившиеся в 1960-х годах, представляли собой инструменты с качающейся настройкой. [1]
После открытия быстрого преобразования Фурье (БПФ) в 1965 году первые анализаторы на основе БПФ были представлены в 1967 году. [2]
Сегодня существует три основных типа анализаторов: анализатор спектра с разверткой, векторный анализатор сигналов и анализатор спектра реального времени. [1]
Типы анализаторов спектра различаются по методам получения спектра сигнала. Существуют анализаторы спектра на основе развертки и быстрого преобразования Фурье (БПФ):
Анализаторы спектра обычно делятся на четыре форм-фактора: настольные, портативные, портативные и сетевые.
Этот форм-фактор полезен для приложений, в которых анализатор спектра может быть подключен к сети переменного тока, что обычно означает использование в лабораторных условиях или на производстве/производстве. Настольные анализаторы спектра исторически предлагали лучшие характеристики и характеристики, чем портативные или портативные устройства. Настольные анализаторы спектра обычно имеют несколько вентиляторов (с соответствующими вентиляционными отверстиями) для рассеивания тепла, выделяемого процессором . Из-за своей архитектуры настольные анализаторы спектра обычно весят более 30 фунтов (14 кг). Некоторые настольные анализаторы спектра оснащены дополнительными аккумуляторными блоками , 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 на улицу для проведения измерений или просто переносить во время использования. К характеристикам полезного портативного анализатора спектра относятся:
.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. Портативные анализаторы обычно предлагают ограниченные возможности по сравнению с более крупными системами. Атрибуты, которые делают портативный анализатор спектра полезным, включают в себя:
Этот форм-фактор не включает в себя дисплей, и эти устройства предназначены для создания 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 такого распределенного развертывания. Ключевые области применения таких устройств включают системы обнаружения радиочастотных вторжений на охраняемые объекты, где беспроводная передача сигналов запрещена. Также сотовые операторы используют подобные анализаторы для удаленного мониторинга помех в лицензированных диапазонах спектра. Распределенный характер таких устройств позволяет определять географическое местоположение передатчиков, осуществлять 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 со свипирующей настройкой преобразует часть спектра входного сигнала с понижением частоты в центральную частоту полосового фильтра , прогоняя управляемый напряжением генератор через диапазон частот, позволяя учитывать 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 выше спектральное разрешение. Однако существует компромисс между тем, насколько быстро дисплей может обновлять полный рассматриваемый диапазон частот, и разрешением по частоте, что важно для различения частотных составляющих, расположенных близко друг к другу. Для архитектуры с разверткой полезно это 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 спектры, преобразованные как с повышением, так и с понижением частоты, что связано с тем, что смеситель частот создает как суммарные, так и разностные частоты. Проникновение гетеродина происходит из-за несовершенной изоляции от тракта прохождения сигнала ПЧ в смесителе .
Для очень слабых сигналов используется предусилитель , хотя гармонические и интермодуляционные искажения могут привести к созданию новых частотных составляющих, которых не было в исходном сигнале.
В анализаторе спектра на основе БПФ разрешение по частоте равно 0 , обратному времени T , в течение которого измеряется форма сигнала и преобразуется Фурье.
При анализе преобразования Фурье в цифровом анализаторе спектра необходимо дискретизировать входной сигнал с частотой дискретизации, которая как минимум в два раза превышает полосу пропускания сигнала из-за предела Найквиста . [5] Преобразование Фурье затем создаст спектр, содержащий все частоты от нуля до . Это может предъявлять значительные требования к требуемому аналого-цифровому преобразователю и вычислительной мощности для преобразования Фурье, что приводит к ограничению частотного диапазона анализаторов спектра на основе БПФ.
Поскольку анализаторы на основе БПФ способны рассматривать только узкие полосы, одним из методов является объединение анализа с разверткой и БПФ для рассмотрения широких и узких диапазонов. Этот метод позволяет ускорить время развертки.
Этот метод становится возможным благодаря сначала преобразованию сигнала с понижением частоты, затем оцифровке промежуточной частоты и использованию методов супергетеродина или БПФ для получения спектра.
Одним из преимуществ оцифровки промежуточной частоты является возможность использования цифровых фильтров , которые имеют ряд преимуществ перед аналоговыми фильтрами, таких как почти идеальные коэффициенты формы и улучшенное время установления фильтра. Кроме того, при рассмотрении узких диапазонов можно использовать БПФ для увеличения времени развертки без искажения отображаемого спектра.
Анализатор спектра реального времени не имеет времени простоя — вплоть до некоторого максимального диапазона, часто называемого «полосой пропускания реального времени». Анализатор способен производить выборку входящего радиочастотного спектра во временной области и преобразовывать информацию в частотную область с помощью процесса БПФ. БПФ обрабатываются параллельно, без пропусков и с перекрытием, поэтому в расчетном радиочастотном спектре нет пропусков и не пропускается никакая информация.
В каком-то смысле любой анализатор спектра, имеющий возможности векторного анализатора сигналов, является анализатором реального времени. Он производит выборку данных достаточно быстро, чтобы удовлетворить теореме выборки Найквиста, и сохраняет данные в памяти для последующей обработки. Этот тип анализатора работает в режиме реального времени только в зависимости от объема данных/времени захвата, который он может хранить в памяти, и по-прежнему создает пробелы в спектре и результатах во время обработки.
Минимизация искажений информации важна для всех анализаторов спектра. В процессе БПФ применяются методы оконного преобразования для улучшения выходного спектра за счет уменьшения 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 реального времени перекрываются. Коэффициент перекрытия составляет около 80%. Анализатор, использующий процесс БПФ по 1024 точкам, будет повторно использовать примерно 819 выборок из предыдущего процесса БПФ. [6]
Это связано с частотой дискретизации анализатора и скоростью БПФ . Также важно, чтобы анализатор спектра реального времени обеспечивал хорошую точность уровня.
Пример: для анализатора с полосой пропускания в реальном времени 40 МГц (максимальный диапазон радиочастот, который может обрабатываться в реальном времени) требуется примерно 50 млн отсчетов в секунду (комплекс). Если анализатор спектра производит 250 000 БПФ/с, расчет БПФ производится каждые 4 мкс. Для 1024-точечного БПФ полный спектр создается 1024 x (1/50 x 10 6 ), примерно каждые 20 мкс. Это также дает нам коэффициент перекрытия 80% (20 мкс – 4 мкс) / 20 мкс = 80%.
Анализаторы спектра в реальном времени способны предоставить пользователям гораздо больше информации для более детального изучения частотного спектра. Обычный анализатор спектра с разверткой, например, отображает максимальные и минимальные пиковые значения, но анализатор спектра в реальном времени может отображать все рассчитанные БПФ за заданный период времени с добавленной цветовой кодировкой, которая показывает, как часто появляется сигнал. Например, на этом изображении показана разница между тем, как спектр отображается в обычном представлении спектра с разверткой, и в представлении «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 пользователю отображаются результаты 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. Span определяет диапазон между начальной и конечной частотами. Эти два параметра позволяют регулировать отображение в диапазоне частот прибора для улучшения видимости измеряемого спектра.
Как обсуждалось в разделе «Эксплуатация» , фильтр полосы разрешения или фильтр RBW является полосовым фильтром в тракте ПЧ . Это полоса пропускания радиочастотной цепи перед детектором (устройством измерения мощности). [7] Он определяет минимальный уровень радиочастотного шума и то, насколько близки два сигнала могут быть и при этом разрешаться 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 связано с тем, что фильтры с более высокой полосой пропускания пропускают больше частотных составляющих через детектор огибающей , чем фильтры с более низкой полосой пропускания, поэтому более высокая полоса пропускания приводит к более высокому измеренному уровню шума.
Фильтр полосы пропускания видео или фильтр VBW — это фильтр нижних частот, расположенный непосредственно после детектора огибающей . Это полоса пропускания сигнальной цепи после детектора. Усреднение или обнаружение пика тогда относится к тому, как часть цифрового хранилища устройства записывает выборки — она берет несколько выборок за временной шаг и сохраняет только одну выборку, либо среднее значение выборок, либо самую высокую. [7] Полоса пропускания видео определяет возможность различать два разных уровня мощности. [7] Это связано с тем, что более узкая полоса пропускания устранит шум на выходе детектора. [7] Этот фильтр используется для «сглаживания» изображения путем удаления шума из огибающей. Подобно RBW, VBW влияет на время развертки дисплея, если VBW меньше RBW. Если VBW меньше, чем RBW, полезно использовать следующее соотношение для времени развертки:
Здесь t развертки — время развертки, k — безразмерная константа пропорциональности, f 2 − f 1 — частотный диапазон развертки, RBW — полоса разрешения, а VBW — полоса пропускания видео. [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 того, чтобы адекватно сопоставить правильную мощность сигнала с соответствующей точкой частоты на дисплее. Обычно существует три типа детекторов: выборочные, пиковые и средние.
Отображаемый средний уровень шума (DANL) — это именно то, что он означает — средний уровень шума, отображаемый на анализаторе. Это может быть либо определенная полоса разрешения (например, -120 дБм при полосе разрешения 1 кГц), либо нормализованная до 1 Гц (обычно в дБм/Гц), например -150 дБм(Гц). Это также называется чувствительностью анализатора спектра. . Если уровень сигнала равен среднему уровню шума, на дисплее появится 3 дБ. Для повышения чувствительности анализатора спектра ко входу анализатора спектра можно подключить предусилитель с меньшим коэффициентом шума. [9]
Анализаторы спектра широко используются для измерения частотной характеристики , характеристик шума и искажений всех видов радиочастотных (РЧ) схем путем сравнения входных и выходных спектров. Например, в радиочастотных смесителях анализатор спектра используется для определения уровней продуктов интермодуляции третьего порядка и потерь преобразования. В радиочастотных генераторах анализатор спектра используется для определения уровней различных гармоник.
В телекоммуникациях анализаторы спектра используются для определения занимаемой полосы пропускания и отслеживания источников помех. Например, планировщики сотовой связи используют это оборудование для определения источников помех в диапазонах частот GSM и диапазонах частот UMTS .
При тестировании на ЭМС анализатор спектра используется для базового предварительного тестирования на соответствие; однако его нельзя использовать для полного тестирования и сертификации. Вместо этого используется приемник электромагнитных помех.
Анализатор спектра используется для определения того, работает ли беспроводной передатчик в соответствии с установленными стандартами чистоты излучения. Выходные сигналы на частотах, отличных от предполагаемой частоты связи, отображаются на дисплее в виде вертикальных линий (пунктов). Анализатор спектра 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 и позволяет визуально обнаруживать и анализировать электромагнитные сигналы в определенном диапазоне частот. Это называется панорамным приемом и используется для определения частот источников помех беспроводному сетевому оборудованию, например Wi-Fi и беспроводным маршрутизаторам.
Анализаторы спектра также можно использовать для оценки радиочастотного экранирования. Экранирование радиочастот имеет особое значение при размещении аппарата магнитно-резонансной томографии, поскольку паразитные радиочастотные поля могут привести к появлению артефактов на МР-изображении. [10]
Спектральный анализ можно использовать на звуковых частотах для анализа гармоник аудиосигнала. Типичное применение — измерение искажений номинально синусоидального сигнала; синусоидальный сигнал с очень низкими искажениями используется в качестве входного сигнала для тестируемого оборудования, а анализатор спектра может исследовать выходной сигнал, который будет содержать дополнительные продукты искажений, и определять процентное искажение на каждой гармонике основной гармоники. Такие анализаторы одно время называли «волновыми анализаторами». Анализ может проводиться с помощью цифрового компьютера общего назначения с подходящей по производительности звуковой картой [11] и соответствующим программным обеспечением. Вместо использования синусоидального сигнала с низким уровнем искажений входной сигнал можно вычесть из выходного сигнала, ослабить и скорректировать фазу, чтобы получить только добавленные искажения и шум, которые можно проанализировать. [12]
Альтернативный метод — измерение общего гармонического искажения — подавляет основную гармонику с помощью режекторного фильтра и измеряет общий оставшийся сигнал, который представляет собой общее гармоническое искажение плюс шум; он не дает подробной информации об анализаторе по гармоникам.
Анализаторы спектра также используются аудиоинженерами для оценки своей работы. В этих приложениях анализатор спектра будет показывать уровни громкости частотных диапазонов в типичном диапазоне человеческого слуха , а не отображать волну. В приложениях для живого звука инженеры могут использовать их для определения обратной связи .
Анализатор оптического спектра использует методы отражения или преломления для разделения длин волн света. Электрооптический детектор используется для измерения интенсивности света, который затем обычно отображается на экране аналогично анализатору радио- или аудиочастотного спектра.
Вход в оптический анализатор спектра может осуществляться просто 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 — использовать монохроматор , например, конструкции Черни-Тёрнера, с оптическим детектором, расположенным на выходной щели. По мере движения решетки монохроматора детектор «видит» полосы разных частот (цветов), а результирующий сигнал затем можно отобразить на дисплее. Более точные измерения (вплоть до МГц в оптическом спектре) могут быть выполнены с помощью сканирующего интерферометра Фабри-Перо вместе с аналоговой или цифровой управляющей электроникой, которая сканирует резонансную частоту оптически резонансного резонатора с помощью линейного изменения напряжения на пьезоэлектрическом двигателе , который изменяет расстояние между двумя зеркалами с высокой отражающей способностью. Чувствительный фотодиод , встроенный в резонатор, выдает сигнал интенсивности, который отображается в зависимости от линейного напряжения, чтобы получить визуальное представление спектра оптической мощности. [13]
Частотная характеристика анализаторов оптического спектра имеет тенденцию быть относительно ограниченной, например, 800–1600 нм (ближний инфракрасный диапазон), в зависимости от предполагаемой цели, хотя доступны (несколько) более широкополосные приборы общего назначения.
Анализатор спектра вибрации позволяет анализировать амплитуды вибрации на различных частотах компонентов. Таким образом, можно идентифицировать и отслеживать вибрацию, возникающую на определенных частотах. Поскольку определенные проблемы с оборудованием вызывают вибрацию на определенных частотах, неисправности оборудования можно обнаружить или диагностировать. Анализаторы спектра вибрации используют сигнал от различных типов датчиков, таких как акселерометры , датчики 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 ослабленность, дефекты подшипников и другие. Анализ вибрации также можно использовать в конструкциях для выявления структурных резонансов или выполнения модального анализа.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )