Вимірювання за допомогою аналізатора спектру
Рисунок 1. Тривимірне представлення зображення сигналів у часовій області та у частотній області,
ліворуч – двовимірне представлення на осцилографі;
праворуч – представлення у вигляді частотного спектру.
Рисунок 1. Тривимірне представлення зображення сигналів у часовій області та у частотній області,
ліворуч – двовимірне представлення на осцилографі;
праворуч – представлення у вигляді частотного спектру.
Вимірювання за допомогою аналізатора спектру
Аналізатор спектру – це вимірювальний прилад, будовою схожий на осцилограф. Обидва вимірювальних прилади використовуються для відображення та вимірювання параметрів сигналів складної форми. В обох приладах вздовж вертикальної вісі (ординат) відображається амплітуда вимірюваного сигналу. А от відображення вздовж горизонтальної вісі (абсцис) відрізняються. Якщо на екрані осцилографу це вісь часу, то на аналізаторі спектру це вісь частоти. Тобто за допомогою осцилографу вимірювання виконуються у часові області (англійською: time-domain), а за допомогою аналізатору спектру – у частотній області (frequency-domain).
Якщо вимірюванню підлягає ідеальна синусоїдальна напруга, то на осцилографі відображається синусоїдальна хвиля по всій ширині екрану. А на екрані аналізатору спектру у такому випадку відображатиметься вузька вертикальна лінія. Незначні змінення ідеальної синусоїдальної форми, наприклад, через низькочастотну модуляцію, не будуть помітні на осцилографі. А от на аналізаторі спектра буде відображено декілька вертикальних ліній, довжини яких залежатимуть від амплітуд відповідних складових сигналу.
На Рисунку 1 показана суміш трьох синусоїдальних сигналів різних частот. Приблизно така суміш сигналів могла би бути отримана, якщо FMCW-радіолокатор виявив три цілі на різних відстанях. На осцилографі ці три сигнали могли б бути видні, якщо б у них не було великої різниці в частотах. Але вимірювання частоти, тобто, в даному прикладі, вимірювання відстані, неможливе за допомогою осцилографу. Тільки на аналізаторі спектру можливо виміряти всі три частоти. Разом із FMCW-радіолокатором аналізатор спектру можливо використовувати у якості приладу для вимірювання відстані.
Рисунок 2. Відображення зондувального сигналу імпульсного радіолокатора на аналізаторі спектру
Вимірювання спектру
В імпульсному радіолокаторі часові послідовності найкраще відображаються на осцилографі. Аналізатор спектру у радіолокаторах такого типу може використовуватися, наприклад, для оцінювання якості зондувального сигналу, що генерується передавачем. На Рисунку 2 показаний спектр сигналу магнетронного передавача. В магнетронному передавачі потужність випромінювання можливо регулювати шляхом змінення струму магнетрону. Але збільшення виробленої енергії не завжди призводить до збільшення дальності дії радіолокатора. Випромінювання потужності завжди відбувається у певній смузі частот. Частина потужності може генеруватися на частотах, які знаходяться поза смугами пропускання інших модулів радіолокатору (наприклад, антена, діплексер). В такому випадку аналізатор спектру можливо використовувати для оцінювання того, чи знаходиться додаткова потужність за рахунок збільшення струму магнетрону в потрібному інтервалі частот. Якщо це не так, то немає сенсу збільшувати струм магнетрону ще більше, тому що єдиним результатом буде скорочення терміну служби магнетрону.
Аналізатор спектру також може використовуватися для виявлення кореляції у часі частоти повторення імпульсів, оскільки структура частотних ліній та проміжки між ними також несуть інформацію. Однак за допомогою осцилографу це можливо виконати ефективніше.
Рисунок 3. Аналізатор спектру R&S®FPC 1500
(фото люб’язно надано компанією Rohde & Schwarz)
Технічні рішення
У аналогових аналізаторах спектру використовуються електрично налаштовуваний смуговий фільтр для розділення частотних складових аналізованого сигналу у часі та відображення їх амплітуд. На практиці цей смуговий фільтр має фіксовану частоту налаштування, і вимірюваний сигнал змішується з коливанням гетеродину, частота якого змінюється лінійно у часі (так звана частота розгортки), подібно до того, як це відбувається у супергетеродинному приймачі. У високоякісних цифрових аналізаторах спектру також використовують цей принцип для забезпечення потрібної точності та роздільної здатності. Наприклад, пристрій, показаний на Рисунку 3, може відображати частоти до 3 ГГц із роздільною здатністю лише один герц.
У дешевших цифрових аналізаторах спектру апаратура іноді лише незначно відрізняється від осцилографу. Різниця, по суті, тільки у програмному забезпеченні: сигнали з часової області перетворюються у частотну область за допомогою перетворення Фур’є. Це означає, що сучасні осцилографи також можуть функціонувати як аналізатори спектру за допомогою іншого або додаткового програмного забезпечення. Однак їхні результати (роздільна здатність) в цьому випадку дещо гірші, оскільки необхідна для цього смуга пропускання часто не забезпечується простими осцилографами. Крім того, швидке перетворення Фур’є також потребує часу і стає менш точним для сигналів, які швидко змінюються у часі.