Анализатор спектра: назначение и принцип работы прибора в спутниковой связи

Анализатором спектра называется устройство, применяемое для измерения относительного распределения в частотной полосе энергии, характерной для электромагнитных колебаний, а также наблюдения за ней.

Любой источник сигнала функционирует на своей определенной частоте, однако часто различные устройства создают друг другу помехи, происходит наслоение импульсов. Анализ спектра позволяет выделить границы конкретной частоты, тем самым устраняя проблему посторонних шумов.

Устройства классифицируются по следующим категориям:

В зависимости от частотного диапазона спектральные анализаторы делятся на приборы:

● Низкой частоты;
● Радиодиапазона (широкополосные);
● Оптические.

По принципу действия устройства бывают:

● Параллельные (многоканальные);
● Последовательные (сканирующие).

По методу обработки информации и предоставления результатов анализаторы делятся на:

● Цифровые (оценивают модуль вектора погрешности, нарушение баланса IQ, зависимость погрешности от временной фазы);
● Аналоговые (измеряют заполнение частотной полосы, показатели полосы боковых частот, коэффициент модуляции).

● Скалярные (дают информацию исключительно об амплитудах спектральных гармонических составляющих);
● Векторные (информируют не только об амплитудных, но и фазовых соотношениях).

Устройство определяет амплитуду спектральных компонентов, которые входят в процесс анализа, а также их частоту. Главная характеристика — разрешающая способность — отражает наименьший частотный интервал между двумя линиями спектра, разделяемыми анализатором. Прибор может показать истинный спектр только в случае периодичности подвергаемого анализу колебания или его присутствия только в пределах интервала.

Схема работы устройств зависит от их типа. Анализаторы подразделяются на две группы: реального времени и свипирующие, построенные на базе супергетеродинного приемника. Свипирующий прибор смешивает входящий сигнал РЧ с частотой гетеродина, а это приводит к получению сигнала, имеющего более низкую ПЧ (промежуточную частоту), который далее проходит через один или несколько усиливающих каскадов. Главное достоинство свипирующих устройств — простота управление более низкой ПЧ, что делает обработку сигнала эффективнее. Недостатки такого типа устройств — невозможность наблюдения за резко изменяющимися сигналами, пропуск кратковременных импульсов, неверное отображение спектра импульсных сигналов современных систем радиосвязи при однократном свипировании.

Анализ спектра, производимый в реальном времени, осуществляется следующим образом: прибор собирает данные во временной области с последующим преобразованием в частотную при помощи алгоритмов Фурье. После этого происходит дальнейшее преобразование сигналов, оцифровка последней ПЧ аналогово-цифровым преобразователем, обработка цифровыми процессорами. Такие устройства незаменимы для отображения кратковременных, а также быстро изменяющихся событий.

Спектр сигнала — это набор волн синусоидального характера в конкретный момент времени. Анализатор позволяет получить представление об АЧХ, а также наблюдать распределение энергии по частоте. На основании полученной информации можно нейтрализовать помехи, вернуть сигнал в исходную частоту.

Анализаторы спектра предназначены для:

● Измерения характеристик частоты в радиоволновой, микроволновой отраслях;
● Тестирования радио, кабельного телевидения;
● Решения задач узкой специализации (повышение совместимости двух устройств, тестирование помехоустойчивости новой техники);
● Калибровки генераторов;
● Контроля, тестирования, испытаний электронных приборов;
● Оценки спектральных показателей;
● Анализа соответствия приборов существующим стандартам;
● Диагностики работы генераторов.

Главная задача спектрального анализатора — контроль полос и частот, в которых функционируют устройства, что обеспечивает их безопасную, корректную работу. Анализ спектра также позволяет выявлять электромагнитные помехи, проводить мониторинг радиочастот, определять такие важные параметры, как отношение сигнал/шум, шумовой коэффициент, искажения, спектральную модуляцию.

Частотный анализатор спектра отличают следующие основные характеристики:

Наименьший частотный интервал, при котором находящиеся рядом спектральные компоненты могут быть отобраны и измерены.

Отражает границы, в которых производится спектральный анализ сигнала. Может иметь поддиапазоны. При учете данного параметра оцениваются как верхний, так и нижний пределы вилки частот. Различные модели приборов могут иметь вариабельные диапазоны: от 2−85 ГГц до 100 кГц-1.6 ГГц.

Время, за которое можно проанализировать сигнал в конкретном частотном диапазоне. Параметр зависит от временного промежутка, требуемого для получения показаний с резонаторов, а также динамической разрешающей способности.

Отражает точность, с которой может быть установлен частотный интервал между спектральными компонентами.

Указывает точность, с которой в зависимости от функционала анализатора определяется амплитуда.

Учитывается при работе со слабыми сигналами, требующими высокой точности. Одним из лучших показателей выступает уровень -137 дБ.

НЧ и РЧ анализаторы спектра представлены несколькими группами устройств.

Рабочий диапазон НЧ-анализаторов варьируется от нескольких герц до сотен килогерц. Устройства делятся на два типа: последовательные и параллельные. Применяются при разработке, обслуживании аппаратуры, а также в акустике для исследования шумовых параметров.

Большая часть приборов радиочастотного типа — широкополосные и последовательные, что позволяет им функционировать в полосе, изменяющейся от нескольких килогерц до сотен гигагерц. Применяются для исследования параметров радиоустройств, анализа свойств радиочастотных сигналов.

Схема работы устройств последовательного типа заключается в сканировании частотной полосы посредством перестраиваемого гетеродина. Спектральные составляющие по порядку перемещаются на промежуточную частоту. Преобразование частоты гетеродина равно перемещению спектра рассматриваемого сигнала. Усилитель промежуточной частоты (селективный) по порядку выделяет спектральные составляющие, воспроизводя их на экране при помощи индикатора.

Оснащены набором одинаковых узкополосных фильтров, где каждый настроен на конкретную частоту. При воздействии сигнала на все фильтры одновременно каждый из них выдает спектральную составляющую, соответствующую его настройке. Параллельный анализатор работает быстрее последовательного, но устроен сложнее.

Анализируют звуковые сигналы в режиме реального времени. При измерениях для предупреждения размытия тонов по частоте применяются весовые окна.

Визуально отслеживают изменения волны звука по времени путем составления изображения — спектрограммы, показывающей соотношение спектральной плотности мощности сигнала и времени. По горизонтальной оси отображается время, по вертикальной — частота, отдельным цветом обозначают звуковую амплитуду.

Прибор строится по двум схемам:

1. Последовательный анализатор, где информация об измерениях, полученная при сканировании полосы частот использованием гетеродина, проходит оцифровку посредством применения АЦП с дальнейшей обработкой цифровым методом;

2. Реализация цифрового эквивалента, относящегося к параллельному типу, представленная анализатором ДПФ, который вычисляет спектр, применяя алгоритмы Фурье.

Преимущества параллельных цифровых анализаторов включают возможность анализа одиночных или импульсных сигналов, высокую скорость работы, вычисление фазового спектра помимо амплитудного, а также способность к одновременно производимому представлению сигналов в частотной и временной областях.

Данные устройства характеризуют следующие параметры:

1. Диапазон частот

Варьируется от нескольких герц до сотен мегагерц.

2. Полоса обзора

Представляет собой полный обзор от одного края экрана до другого.

3. Полосы пропускания

Характеристика, определяющая частоту, на которой рассчитанная амплитуда сигнала на 3 дБ ниже реальной. Полоса пропускания увеличивается с возрастанием полосы обзора.

4. Погрешность измерения по частоте

Определяется погрешностью калибровки f0 генератора частоты опоры.

5. Погрешность измерения по амплитуде

Не должна быть ниже 3−5%.

6. Чувствительность и динамический диапазон

На чувствительность влияет средний уровень собственных шумов анализатора или шумовой коэффициент.

Динамический диапазон (дБ/ГГц) — это разница между точкой сжатия по входу прибора и средним уровнем шумов.

7. Относительный уровень собственных шумов

Представлен амплитудой собственных шумов спектрального анализатора в заданном частотном диапазоне с нагрузкой 50 Ом и ослаблением 0 дБ, возникающими у входа. Параметр измеряется в дБм/Гц.

8. Неравномерность АЧХ

Определяет систематически происходящие при измерении спектра сигнала погрешности в широком частотном диапазоне.

Оптические анализаторы спектра разработаны для измерения оптической мощности в зависимости от длины волны.

Оптические устройства создаются на базе различных интерференционных систем (дифракционные решетки, интерферометры и т. д.). Чаще всего применяются анализаторы с дифракционной решеткой, а при их недостаточной разрешающей способности используются более сложные интерферометрические системы.

Подобные приборы находят широкое применение в волоконно-оптических системах связи, контролируя спектр создаваемого источниками оптического излучения, анализируя влияние его составляющих на характеристики волоконно-оптических элементов, а также трансляцию данных по ВОЛС.

Оптические спектральные анализаторы отличают такие параметры, как:

1. Диапазон длин волн

Диапазон длин волн оптического спектра составляет от 100 нм до 1 мм. Оптическое излучение делится на ультрафиолетовое (100−400 нм), видимое (400−700 нм), инфракрасное (700 нм-1 мм).

2. Разрешение по длине волны

Оптическое разрешение — это минимально различимая длина волны, улавливаемая спектрометром.

3. Погрешность измерения по длине волны

Отклонение измеренного значения длины волны от ее действительного значения.

4. Диапазон отображения по амплитуде

Погрешность, которая находит ошибку определения амплитуды компонентов спектра сигнала. Показатель не должен превышать 3−5%.

6. Динамический диапазон

Отражает соотношение между максимальным и минимальным уровнями сигнала, возникающими на входе устройства, которые могут быть измерены с определенной точностью в одно и то же время. Характеристика учитывается при измерении продуктов интермодуляции или искажений.
На практике обычно составляет 40−70 дБм.

Перед тем, как начать работу с анализатором спектра необходимо:

1. Осмотреть устройство на предмет внешних повреждений, спросить о последней поверке, сделать новую, если нужно;

2. Проверить целостность пломб, убедиться, что предохранители на месте;

3. Уделить внимание осмотру разъемов, кабелей, гнезд, переходников;

4. Убедиться, что сигнал имеет напряжение, допустимое для анализатора.

При выборе устройства опирайтесь на поставленные задачи и учитывайте несколько правил:

1. Определитесь с классом устройства (бюджетный или премиальный). Дорогие приборы совместимы с разными типами частот.

2. Оцените необходимую точность, чувствительность измерений для требуемого вида работ.

3. Подумайте, есть ли возможность подключения дополнительных плат для повышения точности анализа.