Измерения с помощью анализатора спектра
Рисунок 1: Трехмерное представление направлений просмотра для временной области и частотной области,
слева: двумерное представление с помощью осциллографа;
право: представление в виде частотного спектра.
Рисунок 1: Трехмерное представление направлений просмотра для временной области и частотной области,
слева: двумерное представление с помощью осциллографа;
право: представление в виде частотного спектра.
Измерения с помощью анализатора спектра
Анализатор спектра — это измерительный прибор, который построен очень похожим на осциллограф. Оба измерительных прибора используются для отображения и измерения специальных сложных форм сигнала. Оба прибора отображают амплитуду измеряемого сигнала в ординате. Различия существуют на дисплее на абсциссе. На осциллографе это ось времени, на анализаторе спектра это ось частоты. Поэтому осциллограф измеряет во временной области (часто называемой на английском языке: time-domain), анализатор спектра в частотной области (frequency-domain).
Если необходимо отобразить идеальное синусоидальное напряжение, осциллограф отображает эту синусоидальную волну по всей ширине экрана. В анализаторе спектра для этой синусоиды отображается узкая вертикальная линия. Даже малейшие изменения идеальной синусоидальной формы, например, из-за низкочастотной модуляции, не будут видны на осциллографе. На анализаторе спектра, однако, будет отображено несколько вертикальных линий длиной, зависящей от амплитуды соответствующего компонента сигнала.
На рисунке 1 показана смесь трех синусоидальных частот. Примерно такая смесь сигналов могла бы быть получена, если бы радар FMCW должен был обнаружить три цели на разных расстояниях. На осциллографе эти три частоты могли бы быть видны, если бы у них не было слишком большой разницы в частотах. Но измерение частоты, т.е. измерение расстояния, невозможно с помощью осциллографа. Только на анализаторе спектра можно измерить все три частоты. С помощью радара FMCW анализатор спектра можно использовать непосредственно в качестве прибора для измерения расстояния.
Рисунок 2: Отображение передаваемого сигнала импульсного радара на спектральном анализаторе
Измерение спектра
С импульсным радаром временные последовательности лучше всего отображаются на осциллографе. Здесь, например, перед анализатором спектра стоит задача оценки качества зондирующего сигнала, генерируемого передатчиком. На рисунке 2 показан спектр магнетронного передатчика. В магнетронном передатчике, например, мощность передачи можно регулировать путем увеличения тока магнетрона. Тем не менее, большее количество выработанной энергии не означает одновременно лучшие диапазоны. Измерение мощности всегда широкополосное. Это означает, что измеряются также те части мощности, которые находятся вне полосы пропускания других радарных модулей (например, антенна, диплексор). Теперь анализатор спектра можно использовать для оценки того, находится ли дополнительная мощность за счет увеличения магнетронного тока в диапазоне требуемых частот. Если нет, то нет смысла увеличивать ток еще больше, потому что единственным эффектом будет сокращение срока службы магнетрона.
Анализатор спектра также может быть использован для выявления временных корреляций частоты повторения импульсов, так как схема частотных линий и их разрывов также имеет смысл. Однако: осциллограф может сделать это гораздо четче.
Рисунок 3: Анализатор спектра
(любезно предоставлено Rohde & Schwarz)
Технические решения
Аналоговые измерительные приборы используют электрически настраиваемый полосовой фильтр для разделения частот во времени и отображения их амплитуд, как у осциллографа. На практике это даже фиксированная частота в полосовом фильтре, и измеряемый сигнал смешивается с частотой смешивания, которая изменяется линейно с течением времени (так называемая частота развертки), как в супергетеродинном приемнике. Высококачественные цифровые анализаторы спектра также используют этот принцип для обеспечения точности и разрешения. Например, устройство, показанное на рисунке 3, может отображать частоты до 3 ГГц с разрешением только один герц.
При использовании более дешевых цифровых анализаторов спектра аппаратура иногда лишь незначительно отличается от осциллографа. Разница, по сути, только в программном обеспечении: сигналы временной области преобразуются в частотную область с помощью преобразования Фурье. Это означает, что современные осциллографы также могут работать как анализаторы спектра с помощью другого или дополнительного программного обеспечения. Однако их результаты (разрешение) в этом случае несколько менее точны, так как необходимая для этого полоса пропускания часто не достигается простыми осциллографами. Кроме того, быстрое преобразование Фурье также требует времени и становится менее точным для сигналов, которые со временем быстро меняются.