Анализатор спектра радиочастот что это

7

Анализатор спектра радиочастот что это

Спектроанализатор – прибор для измерения и отображения спектра сигнала – распределения энергии сигнала по частотам. В этой статье рассматриваются основные виды анализаторов спектра и иллюстрируется их применение для редактирования и реставрации звука. Особое внимание уделяется современным анализаторам, основанным на FFT – быстром преобразовании Фурье.

Зачем анализировать спектр?

Традиционно в цифровой звукозаписи аудиодорожка представляется в виде осциллограммы, отображающей форму звуковой волны (waveform), то есть зависимость амплитуды звука от времени. Такое представление достаточно наглядно для опытного звукорежиссёра: осциллограмма позволяет увидеть основные события в звуке, такие как изменения громкости, паузы между частями произведения и зачастую даже отдельные ноты в сольной записи инструмента. Но одновременное звучание нескольких инструментов на осциллограмме "смешивается" и визуальный анализ сигнала становится затруднительным. Тем не менее, наше ухо без труда различает отдельные инструменты в небольшом ансамбле. Как же это происходит?

Когда сложное звуковое колебание попадает на барабанную перепонку уха, оно с помощью серии слуховых косточек передаётся на орган, называемый улиткой. Улитка представляет собой закрученную в спираль эластичную трубочку. Толщина и жёсткость улитки плавно меняются от края к центру спирали. Когда сложное колебание поступает на край улитки, это вызывает ответные колебания разных частей улитки. При этом резонансная частота у каждой части улитки своя. Таким образом улитка раскладывает сложное звуковое колебание на отдельные частотные составляющие. К каждой части улитки подходят отдельные группы слуховых нервов, передающие информацию о колебаниях улитки в головной мозг (более подробно о слуховом восприятии можно прочитать в статье "Основы психоакустики" И. Алдошиной в журнале "Звукорежиссер" №6, 1999). В результате в мозг поступает информация о звуке, уже разложенная по частотам, и человек легко отличает высокие звуки от низких. Кроме того, как мы вскоре увидим, разложение звука на частоты помогает различить отдельные инструменты в полифонической записи, что значительно расширяет возможности редактирования.

Полосовые спектроанализаторы

Первые звуковые анализаторы спектра разделяли сигнал на частотные полосы с помощью набора аналоговых фильтров. Дисплей такого анализатора (рис. 1) показывает уровень сигнала во множестве частотных полос, соответствующих фильтрам.

На рис. 2 приведён пример частотных характеристик полосовых фильтров в анализаторе, удовлетворяющем стандарту ГОСТ 17168-82. Такой анализатор называется третьоктавным, так как в каждой октаве частотного диапазона имеется три полосы. Видно, что частотные характеристики полосовых фильтров перекрываются; их крутизна зависит от порядка используемых фильтров.

Важным свойством спектроанализатора является баллистика – инерционность измерителей уровня в частотных полосах. Она может регулироваться заданием скорости нарастания (атаки) и спада уровня. Типичное время атаки и спада в таком анализаторе – порядка 200 и 1500 мс.

Полосовые спектроанализаторы часто применяются для настройки АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) акустических систем на концертных площадках. Если на вход такому анализатору подать розовый шум (имеющий одинаковую мощность в каждой октаве), то дисплей покажет горизонтальную линию, с возможной поправкой на вариацию шума во времени. Если розовый шум, проходя через звукоусилительную систему зала, исказился, то изменения его спектра будут видны на анализаторе. При этом анализатор, как и наше ухо, будет малочувствителен к узким провалам АЧХ (менее 1/3 октавы).

Преобразование Фурье

Преобразование Фурье – это математический аппарат для разложения сигналов на синусоидальные колебания. Например, если сигнал x(t) непрерывный и бесконечный по времени, то его можно представить в виде интеграла Фурье:

Интеграл Фурье собирает сигнал x(t) из бесконечного множества синусоидальных составляющих всевозможных частот ω, имеющих амплитуды X_ω и фазы φ_ω.

На практике нас больше интересует анализ конечных по времени звуков. Поскольку музыка не является статичным сигналом, её спектр меняется во времени. Поэтому при спектральном анализе нас обычно интересуют отдельные короткие фрагменты сигнала. Для анализа таких фрагментов цифрового аудиосигнала существует дискретное преобразование Фурье:

Здесь N отсчётов дискретного сигнала x(n) на интервале времени от 0 до N–1 синтезируются как сумма конечного числа синусоидальных колебаний с амплитудами X_k и фазами φ_k. Частоты этих синусоид равны kF/N, где F – частота дискретизации сигнала, а N – число отсчётов исходного сигнала x(n) на анализируемом интервале. Набор коэффициентов X_k называется амплитудным спектром сигнала. Как видно из формулы, частоты синусоид, на которые раскладывается сигнал, равномерно распределены от 0 (постоянная составляющая) до F/2 – максимально возможной частоты в цифровом сигнале. Такое линейное расположение частот отличается от распределения полос третьоктавного анализатора.

FFT-анализаторы

FFT (fast Fourier transform) – алгоритм быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье. Благодаря ему стало возможным анализировать спектр звуковых сигналов в реальном времени.

Рассмотрим работу типичного FFT-анализатора. На вход ему поступает цифровой аудиосигнал. Анализатор выбирает из сигнала последовательные интервалы («окна»), на которых будет вычисляться спектр, и считает FFT в каждом окне для получения амплитудного спектра X_k. Вычисленный спектр отображается в виде графика зависимости амплитуды от частоты (рис. 3). Аналогично полосовым анализаторам, обычно используется логарифмический масштаб по осям частот и амплитуд. Но из-за линейного расположения полос FFT по частоте спектр может выглядеть недостаточно детальным на нижних частотах или излишне осциллирующим на верхних частотах.

Если рассматривать FFT как набор фильтров, то, в отличие от полосовых фильтров третьоктавного анализатора, фильтры FFT будут иметь одинаковую ширину в герцах, а не в октавах. Поэтому розовый шум на FFT-анализаторе будет уже не горизонтальной линией, а наклонной, со спадом 3 дБ/окт. Горизонтальной линией на FFT-анализаторе будет белый шум – он содержит равную энергию в равных линейных частотных интервалах.

Параметр N – число анализируемых отсчётов сигнала – имеет решающее значение для вида спектра. Чем больше N, тем плотнее сетка частот, по которым FFT раскладывает сигнал, и тем больше деталей по частоте видно на спектре. Для достижения более высокого частотного разрешения приходится анализировать более длинные участки сигнала. Если сигнал в пределах окна FFT меняет свои свойства, то спектр будет отображать некоторую усреднённую информацию о сигнале со всего интервала окна.

Когда нужно проанализировать быстрые изменения в сигнале, длину окна N выбирают маленькой. В этом случае разрешение анализа по времени увеличивается, а по частоте – уменьшается. Таким образом, разрешение анализа по частоте обратно пропорционально разрешению по времени. Этот факт называется соотношением неопределённостей.

Весовые окна

Один из простейших звуковых сигналов – синусоидальный тон. Как будет выглядеть его спектр на FFT-анализаторе? Оказывается, это зависит от частоты тона. Мы знаем, что FFT раскладывает сигнал не по тем частотам, которые на самом деле присутствуют в сигнале, а по фиксированной равномерной сетке частот. Например, если частота дискретизации равна 48 кГц и размер окна FFT выбран 4096 отсчётов, то FFT раскладывает сигнал по 2049 частотам: 0 Гц, 11.72 Гц, 23.44 Гц, . 24000 Гц.

Если частота тона совпадает с одной из частот сетки FFT, то спектр будет выглядеть "идеально": единственный острый пик укажет на частоту и амплитуду тона (рис. 4, белый график).

Если же частота тона не совпадает ни с одной из частот сетки FFT, то FFT "соберёт" тон из имеющихся в сетке частот, скомбинированных с различными весами. График спектра при этом размывается по частоте (рис. 4, зелёный график). Такое размытие обычно нежелательно, так как оно может закрыть собой более слабые звуки на соседних частотах. Можно также заметить, что амплитуда максимума зелёного графика ниже реальной амплитуды анализируемого тона. Это связано с тем, что мощность анализируемого тона равна сумме мощностей коэффициентов спектра, из которых этот тон составлен.

Чтобы уменьшить эффект размытия спектра, сигнал перед вычислением FFT умножается на весовые окна – гладкие функции, похожие на гауссиан, спадающие к краям интервала. Они уменьшают размытие спектра за счёт некоторого ухудшения частотного разрешения. Если рассматривать FFT как набор полосовых фильтров, то весовые окна регулируют взаимное проникновение частотных полос.

Простейшее окно – прямоугольное: это константа 1, не меняющая сигнала. Оно эквивалентно отсутствию весового окна. Одно из популярных окон – окно Хэмминга. Оно уменьшает уровень размытия спектра примерно на 40 дБ относительно главного пика.

Весовые окна различаются по двум основным параметрам: степени расширения главного пика и степени подавления размытия спектра ("боковых лепестков"). Чем сильнее мы хотим подавить боковые лепестки, тем шире будет основной пик. Прямоугольное окно меньше всего размывает верхушку пика, но имеет самые высокие боковые лепестки. Окно Кайзера обладает параметром, который позволяет выбирать нужную степень подавления боковых лепестков.

Другой популярный выбор – окно Хана. Оно подавляет максимальный боковой лепесток слабее, чем окно Хэмминга, но зато остальные боковые лепестки быстрее спадают при удалении от главного пика. Окно Блэкмана обладает более сильным подавлением боковых лепестков, чем окно Хана.

Для большинства задач не очень важно, какой именно вид весового окна использовать. Главное, чтобы оно было. Популярный выбор – Хан или Блэкман. Использование весового окна уменьшает зависимость формы спектра от конкретной частоты сигнала и от её совпадения с сеткой частот FFT.

Рисунок 4 сделан для синусоид, однако, исходя из него, нетрудно представить, как будет выглядеть спектр реальных звуковых сигналов. Каждый пик в спектре будет иметь некоторую размытую форму, в зависимости от своей частоты и выбранного весового окна.

Чтобы компенсировать расширение пиков при применении весовых окон, можно использовать более длинные окна FFT: например, не 4096, а 8192 отсчета. Это улучшит разрешение анализа по частоте, но ухудшит по времени.

Спектрограмма

Часто возникает необходимость проследить, как спектр сигнала меняется во времени. FFT-анализаторы помогают сделать это в реальном времени при воспроизведении сигнала. Однако в ряде случаев оказывается удобна визуализация изменения спектра во всём звуковом отрывке сразу. Такое представление сигнала называется спектрограммой. Для её построения применяется оконное преобразование Фурье: спектр вычисляется от последовательных окон сигнала (рис. 5), и каждый из этих спектров образует столбец в спектрограмме.

По горизонтальной оси спектрограммы откладывается время, по вертикальной – частота, а амплитуда отображается яркостью или цветом. На спектрограмме гитарной ноты на рис. 6 видно развитие звучания: оно начинается с резкой атаки и продолжается в виде гармоник, кратных по частоте основному тону 440 Гц. Видно, что верхние гармоники имеют меньшую амплитуду и затухают быстрее, чем нижние. Также на спектрограмме прослеживается шум записи – равномерный фон тёмно-синего цвета. Справа показана шкала соответствия цветов и уровней сигнала (в децибелах ниже нуля).

Если менять размер окна FFT, становится хорошо видно, как меняется частотное и временное разрешение спектрограммы. При увеличении окна гармоники становятся тоньше, и их частота может быть определена более точно. Однако размывается во времени момент атаки (в левой части спектрограммы). При уменьшении размера окна наблюдается обратный эффект.

Особенно полезна спектрограмма при анализе быстро меняющихся сигналов. На рис. 7 показана спектрограмма вокального пассажа с вибрато. По ней легко определить такие характеристики голоса, как частота и глубина вибрато, его форма и ровность, наличие певческой форманты. По изменению высоты основного тона и гармоник прослеживается исполняемая мелодия.

Применения спектрограммы

Современные средства реставрации звука, такие как программа iZotope RX, активно используют спектрограмму для редактирования отдельных частотно-временных областей в сигнале. С помощью этой техники можно найти и подавить такие нежелательные призвуки, как звонок мобильного телефона во время важной записи, скрип стула пианиста, кашель в зрительном зале и т.п.

Проиллюстрируем использование спектрограммы для удаления свиста поклонников из концертной записи.

На рис. 8 свист легко находится: это светлая кривая линия в районе 3 кГц. Если бы частота свиста была постоянной, то его можно было бы подавить с помощью режекторного фильтра. Однако в нашем случае частота меняется. Для выделения свиста на спектрограмме удобно воспользоваться инструментом «волшебная палочка» из программы iZotope RX II. Одно нажатие приводит к выделению основного тона свиста, повторное нажатие выделяет гармоники. После этого свист можно удалить, просто нажав на клавишу Del. Однако более аккуратный способ – воспользоваться модулем Spectral Repair: это позволит избежать "дыр" в спектре после удаления свиста. После применения этого модуля в режиме ослабления с вертикальной интерполяцией (Attenuate vertically) свист практически полностью исчезает из записи: как визуально, так и на слух.

Еще одно полезное применение спектрограммы – анализ присутствия в записи следов компрессии MP3 или других кодеков с потерями. У большинства записей оригинального (несжатого) качества частотный диапазон простирается до 20 кГц и выше; при этом энергия сигнала плавно спадает с ростом частоты (как на рис. 6, 7). В результате психоакустической компрессии верхние частоты сигнала квантуются сильнее нижних, и верхняя граница спектра сигнала обнуляется (как на рис. 8). При этом частота среза зависит от содержания кодируемого сигнала и от битрейта кодера. Ясно, что кодер стремится обнулять только те частоты в сигнале, которые в данный момент не слышны (замаскированы). Поэтому частота среза, как правило, меняется во времени, что образует на спектрограмме характерную "бахрому" с островками энергии на тёмном фоне.

Спектрограмма часто позволяет найти в записи дефекты, которые неочевидны при прослушивании, но могут сказаться при последующей обработке. Например, паразитная наводка от ЭЛТ-видеомонитора на частоте 15–16 кГц может ускользнуть от уха пожилого звукорежиссёра. Однако спектрограмма ясно покажет её в виде горизонтальной линии (рис. 9) и позволит уточнить частоту для настройки режекторного фильтра.

Аналогичная ситуация иногда возникает и с низкочастотными помехами, такими как задувание ветра в микрофон или постоянная составляющая (смещение по постоянному току, DC offset). Они могут располагаться на инфранизких частотах и не обнаруживать себя без помощи спектроанализатора или осциллографа.

Заключение

Среди опытных звукорежиссёров старой школы распространено мнение, что анализировать и редактировать сигналы следует исключительно на слух, не полагаясь на индикаторы и анализаторы. Разумеется, анализаторы – не панацея в случае отсутствия слуха. Вряд ли кто-то серьёзно воспринимает идею сведения композиции "по приборам".

Не отрицая важности критического прослушивания звука на каждой стадии редактирования, мы всё же предлагаем использовать анализаторы спектра в тех задачах, где это может привести к более точным результатам. Конечно, можно определить на слух паразитный тон на частоте 15 кГц и подобрать режекторный фильтр подходящей добротности для его удаления. Но намного проще увидеть этот тон на спектроанализаторе и сразу более точно оценить его свойства: "плывёт" ли частота, есть ли боковые пики. В конечном счёте, это позволит более аккуратно удалить помеху. Аналогичная ситуация и со многими другими задачами редактирования, особенно – в реставрации звука.

Спектр и спектрограмма – способы представления звука, более близкие к слуховому восприятию, нежели осциллограмма. Надеюсь, что эта статья откроет новые возможности в анализе и редактировании звука для тех, кто ранее с этими представлениями не работал.

Работа анализатора спектра и принцип его работы

Обывателям кажется, что словосочетание «спектральный анализ» звучит очень уж заумно. На эту тему даже в известном телешоу как-то пошутили. При этом мы очень слабо себе представляем, насколько велика роль спектрального анализа в нашей жизни. Радиовещание, качественная звукозапись, мобильная связь были бы невозможны без применения анализатора спектра.

О необходимости создать подобный прибор в Европе задумались в начале XX столетия: бурное развитие радиовещания и множества связанных с ним отраслей требовали новых решений. В СССР же разработку новых направлений и средств радиоизмерительной техники доверили специально созданному в 1949 году НИИ-11 (сегодня предприятие называется «Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц»). Именно там и был создан первый отечественный спектроанализатор.

Назначение анализатора спектра

Назначение анализатора спектра – наблюдение и измерение распределения энергии электрических или электромагнитных колебаний в полосе частот. Сигнал, как известно, может быть представлен в двух видах – временном и частотном. Чтобы оценить какое-то электрическое явление и его изменения во времени, мы используем осциллограф. При этом, каждое такое явление состоит из волн, которые имеют свои фазы, амплитуды и т.д. «Увидеть» сигнал в частотном представлении и помогает анализатор спектра.

Зачем это нужно?

Существует множество областей науки и производства, где анализатор спектра успешно применяется. Например, беспроводные технологии связи (Wi-Fi, Bluetooth) или радиовещание. Каждая служба, каждый передатчик или источник сигнала должен работать на своей, строго закрепленной за ним частоте. «Коридоры» при этом бывают настолько узкими, что сигнал неизбежно наслаивается один на другой. Различные устройства создают помехи друг для друга. Спектральный анализ позволяет увидеть границы своей частоты, и все, что к ней не относится. Соответственно, «лишний» сигнал или помехи можно подавить: «срезать» или просто приглушить.

Аналогично спектральный анализ используется звукорежиссерами для сведения музыкальных треков. При записи музыкального инструмента (или, равно – человеческого голоса) неизбежно возникают помехи – их создает само оборудование. Шум может быть и не слышен человеческому уху, но он влияет на общее качество записи. В хороших программах для мастеринга всегда присутствует хотя бы простейший спектроанализатор. На нем видно, что частота звучания, например, гитары, начинается от определенного уровня. Все, что ниже его (и это хорошо видно на экране!) – можно смело «срезать», улучшая качество звучания трека.

Помогает анализатор спектра и устранить частотный конфликт, если два музыкальных инструмента находятся примерно в одном коридоре. Тем, кто играл в музыкальных коллективах, хорошо знакома проблема, когда бас и барабанная «бочка» забивают звучание друг друга. На экране устройства перекрывающиеся частоты хорошо видны – это помогает решить проблему.

Как работает анализатор спектра?

Чтобы понять, как действует этот прибор, рассмотрим анализатор спектра, принцип работы которого является классическим. Разумеется, в современных цифровых устройствах большинство аналоговых узлов всей «внутренней цепочки» заменяются на более актуальные или даже новаторские. Но идея в целом остается неизменной.

Исследуемый входной сигнал проходит сквозь аттенюатор и фильтр. Оттуда он попадает на смеситель, на который в этот же момент подается напряжение гетеродина. Из смесителя сигнал выходит разностным по частоте (т.е. не только два исходных сигнала, но и гармоники, и разности/суммы первоначальных частот и гармоник ). Далее все это «идет» через фильтры, усиливается и попадает на детектор. Детектор сглаживает его, сигнал оцифровывается и выводится на монитор. Конечно, это в самых общих чертах. Каждый конкретный прибор имеет множество настроек и индивидуальных особенностей. Поэтому, чтобы разобраться, как пользоваться анализатором спектра, нужно прежде всего изучить инструкцию.

Перед работой с любым подобным устройством важно:

• Внешне осмотреть прибор на предмет повреждений. Узнать, когда последний раз производилась поверка устройства, и, если необходимо, произвести новую.
• Проверить сохранны ли пломбы, на месте ли предохранители.
• Внимательно осмотреть разъемы и гнезда, кабели и переходники.
• Убедиться, что исследуемый сигнал имеет допустимое для анализатора напряжение.

В большинстве современных спектроанализаторов есть функция «стандартных настроек», т.е. настроек по умолчанию. Однако грамотный специалист перед работой всегда отрегулирует прибор так как это ему необходимо. Обычно устанавливается центральная частота, либо начальная и конечная в полосе обзора. Если необходимо, устанавливается сдвиг частот. Также задается и сама полоса обзора (обычно ее устанавливают вдвое больше, чем полоса, занимаемая сигналом) и параметры амплитуды.

Отдельно стоит сказать об «отношениях» спектрального анализа и ТВ. Набором спутниковых каналов, доступных по щелчку на пульте, сейчас уже никого не удивишь. У каждого мастера-настройщика антенн есть свои секреты, как пользоваться анализатором спектра спутникового сигнала, и пользоваться ли вообще. Умельцев, которые без него обходятся, предостаточно. Но те, кто пользуются, уверяют – настройка антенны с такой «примочкой» занимает всего 10-15 минут.

Для работы требуется анализатор, «заточенный» под спутниковые частоты. Сегодня очень распространены специальные приборы для настройки спутниковых антенн, в которых анализатор спектра просто встроен, как функция. Общий принцип работы таков: у каждого спутника есть «маяк», который имеет свою частоту. Он необходим для настройки и идентификации аппарата. Координаты маяка нужного спутника вводят в анализатор и начинают сканирование. Поисковик находит маяк, и мастер сверяется с анализатором – та ли это частота, которая ему необходима. Если все в порядке, антенна «подцепляется» к спутнику, и уже в этот момент довольный клиент на диване у телеэкрана может начать выбирать свои «favorite» – любимые каналы.

Анализаторы спектра новинки-2020

Приборов на рынке сегодня огромное множество: от дорогостоящих устройств узнаваемых брендов до копеечных моделей, которые можно заказать с доставкой в китайских интернет-магазинах. Выбор анализатора спектра — качественного и подходящего для каких-то конкретных целей — дело ответственное и непростое. Стоит внимательно изучить спецификации товаров и проконсультироваться со специалистами. Мы же предлагаем вам небольшой обзор новинок рынка 2016 года, на которые стоит обратить внимание.

Tektronix RSA306B

Пожалуй, самая яркая новинка сезона. Этот малыш легко умещается на ладони и весит меньше килограмма! Не каждый портативный прибор может похвастаться такой «стройностью»! Работает через USB- подключение к ПК. Кроме того, производитель обещает цену в два раза ниже, чем у конкурентов.

Некоторые характеристики:

• Диапазон: от 9 кГц до 6.2 ГГц
• Полоса пропускания: 40 МГц
• Подходит для эксплуатации в помещениях и на улице, в тяжелых условиях
• ПО в комплекте (базовая версия)
• Опции для измерений для Bluetooth, LTE, WLAN, APCO 25

RIGOL DSA-700

Китайский производитель запустил в производство линейку недорогих спектроанализаторов буквально этим летом. В серии представлены две модели DSA-710 и DSA-705. Они являются младшей линейкой по отношению к модели анализатора DSA-815.

Некоторые характеристики:

• Диапазон: от 100 кГц до 1 ГГц (DSA-710), от 100 кГц-500МГц (DSA-705)
• Уровень собственных фазовых шумов: <-80 дБн/Гц @ 10 кГц; <-100 дБн/Гц @ 100 кГц
• Полоса пропускания ПЧ (до -6дБ) 200 Гц, 9 кГц, 120 кГц
• Возможность проводить маркерные измерения
• Возможность сравнивать между собой до четырех спектрограмм
• Встроено несколько разных видов детекторов

ANRITSU MS2840A

Разработчики японской техники сосредоточили свое внимание на платформе среднего класса с широчайшим диапазоном частот. Поскольку большинство современных анализаторов спектра ориентированы на измерения в широкой полосе (для нужд беспроводной связи), пользователи, которым необходимы измерения в узком диапазоне, вынуждены приобретать чересчур дорогую технику. Именно для них и разработан MS2840A.

Некоторые характеристики:

• Диапазон: от 9 кГц до 44, 5 ГГц (в зависимости от модели). Возможно расширение до 325 ГГц с использованием дополнительного оборудования
• Разрешение: (RBW) 1 Гц-10 МГц
• Амплитуда: от +30 дБм до -166 дБм
• Низкий уровень фазовых шумов

Rohde&Schwartz FSW-85

Весной о выпуске нового анализатора спектра и сигналов заявили и R&S. Данная модель – первая в мире, оснащенная коаксиальным входным разъемом, который охватывает непрерывный диапазон от 1 гц до 85 ГГц. Такой прибор пригодится для разработок автомобильных радаров и новых беспроводных сетей.

Некоторыe характеристики:

• Диапазон: 2Гц-85 ГГц
• Низкий уровень фазового шума
• Полоса анализа до 2 ГГц
• Возможность одновременного выполнения нескольких задач

Кроме того, в этом году R&S обновили возможности других моделей FSW. Теперь работа анализатора спектра этой серии возможна с общим анализом сигналов и анализом сигналов в реальном времени в полосе 512 МГц.

KEYSIGHT FieldfFox

Группа ручных анализаторов в этом году пополнилась сразу 6-ю моделями миллиметрового диапазона. Флагман – N9952A – работает на максимальной частоте в 50 ГГц. Эти комбинированные приборы заменяют собой три/четыре настольных аппарата. Их точность подходит для лабораторных измерений, а усиленный корпус позволяет работать «в полях». Производитель отмечает, что в новых моделях анализ спектра ведется в разы быстрее, чем у предыдущих поколений прибора.

Некоторыe характеристики:

• Диапазон: до 50 ГГц
• Динамический диапазон: 100 дБ
• Опции: анализ спектра, векторный анализ цепей, вольтметр, измеритель мощности. Работа в режиме анализатора спектра не требует прогревания

Rohde&Schwarz FSС4 Анализатор спектра

Профессиональный анализатор спектра — компактный и экономичный Прибор R&S®FSC — это компактное и экономичное решение, в котором представлены все основные функции профессионального анализатора спектра с качеством Rohde &Schwarz.

Анализатор спектра

Анализатор спектра из 2005 года Современный анализатор спектра в реальном времени из 2019 года

A 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, измеряемый наиболее распространенными анализаторами спектра, является электрическим; тем не менее, спектральные составы других сигналов, таких как волны акустического давления и оптические световые волны, могут быть учтены посредством использования соответствующего преобразователя. Также существуют анализаторы спектра для других типов сигналов, такие как оптические анализаторы спектра, в которых для проведения измерений используются прямые оптические методы, такие как монохроматор.

Путем анализа спектров электрических сигналов, доминирующей частоты, мощности, искажения, гармоник, ширина полосы и другие спектральные компоненты сигнала, которые нелегко обнаружить в сигналах временной области . Эти параметры полезны при характеристике электронных устройств, таких как беспроводные передатчики.

На дисплее анализатора спектра частота отображается по горизонтальной оси, а амплитуда — по вертикальной оси. Для случайного наблюдателя анализатор спектра выглядит как осциллограф, и, фактически, некоторые лабораторные приборы могут функционировать как осциллограф или анализатор спектра.

Содержание

• 1 История
• 2 Типы
• 3 Форм-фактор
  • 3.1 Настольный
  • 3.2 Портативный
  • 3.3 Портативный
  • 3.4 Сетевой
  • 4.1 Настраиваемая с разверткой
  • 4.2 На основе БПФ
  • 4.3 Гибридное супергетеродинное БПФ
  • 4.4 БПФ в реальном времени
    • 4.4.1 Онлайн в реальном времени и в автономном режиме в реальном времени
    • 4.4.2 Перекрытие БПФ
    • 4.4.3 Минимальное время обнаружения сигнала
      • 4.4.3.1 Последовательность
      • 4.4.3.2 Скрытые сигналы
      • 5.1 Центральная частота и полоса обзора
      • 5.2 Полоса разрешения
      • 5.3 Ширина полосы видеосигнала
      • 5.4 Детектор
      • 5.5 Отображаемый средний уровень шума
      • 11.1 Сноски

      История

      Анализатор спектра примерно 1970 года

      Первые анализаторы спектра в 1960-х годах были приборами с качающейся частотой.

      После открытия быстрое преобразование Фурье (БПФ) в 1965 г., первое F Анализаторы на основе FT были представлены в 1967 году.

      Сегодня существует три основных типа анализаторов: анализатор спектра с качанием частоты, анализатор векторного сигнала и анализатор спектра реального времени.

      Основная плата от анализатора спектра 20 ГГц. Показаны полосковые фильтры печатной платы и модульная конструкция блока.

      Типы анализаторов спектра различаются по методам, используемым для получения спектра сигнала. Существуют анализаторы спектра с регулируемой разверткой и быстрым преобразованием Фурье (БПФ):

      • анализатор с настраиваемой разверткой использует супергетеродинный приемник для преобразования с понижением частоты части входного сигнала. спектр до центральной частоты узкого полосового фильтра, мгновенная выходная мощность которого записывается или отображается как функция времени. При качании центральной частоты приемника (с помощью генератора , управляемого напряжением ) через диапазон частот выходной сигнал также зависит от частоты. Но в то время как развертка сосредоточена на любой конкретной частоте, могут отсутствовать кратковременные события на других частотах.
      • Анализатор БПФ вычисляет временную последовательность периодограмм. БПФ относится к определенному математическому алгоритму, используемому в процессе. Это обычно используется вместе с приемником и аналого-цифровым преобразователем. Как указано выше, приемник снижает центральную частоту части спектра входного сигнала, но эта часть не качается. Назначение приемника — уменьшить частоту дискретизации, с которой анализатор должен бороться. При достаточно низкой частоте дискретизации анализаторы БПФ могут обрабатывать все выборки (100% рабочий цикл ) и, следовательно, могут избежать пропуска кратковременных событий.

      Форм-фактор

      Анализаторы спектра бывают четырех форм: настольные, портативные, переносные и сетевые.

      Настольный

      Этот форм-фактор полезен для приложений, в которых анализатор спектра может быть подключен к источнику переменного тока, что обычно означает лабораторную среду или производственную / производственную зону. Настольные анализаторы спектра исторически предлагали лучшие характеристики и характеристики, чем портативный или портативный форм-фактор. Настольные анализаторы спектра обычно имеют несколько вентиляторов (с соответствующими вентиляционными отверстиями) для отвода тепла, выделяемого процессором . Из-за своей архитектуры настольные анализаторы спектра обычно весят более 30 фунтов (14 кг). Некоторые настольные анализаторы спектра предлагают дополнительные блоки батарей , что позволяет использовать их вдали от источника переменного тока. Этот тип анализатора часто называют «портативным» анализатором спектра.

      Портативный

      Этот форм-фактор полезен для любых приложений, где анализатор спектра необходимо выносить на улицу для проведения измерений или просто переносить во время использования. Атрибуты, которые способствуют полезному портативному анализатору спектра, включают:

      • Дополнительное питание от батареи, позволяющее пользователю свободно перемещаться на улице.
      • Четко видимый дисплей, позволяющий читать с экрана при ярком солнечном свете, темноте или пыльные условия..
      • Легкий вес (обычно менее 15 фунтов (6,8 кг)).

      Портативный

      Портативный анализатор спектра от Agilent Technologies.

      Этот форм-фактор полезен для любого приложение, в котором анализатор спектра должен быть очень легким и маленьким. Ручные анализаторы обычно предлагают ограниченные возможности по сравнению с более крупными системами. Атрибуты, которые способствуют полезному использованию портативного анализатора спектра, включают:

      • Очень низкое энергопотребление.
      • Работа от аккумулятора в полевых условиях, позволяющая пользователю свободно перемещаться на улице.
      • Очень маленький размер
      • Легкий вес (обычно менее 2 фунтов (0,9 кг)).

      Сетевой

      Этот форм-фактор не включает дисплей, и эти устройства предназначены для включения нового класса географически распределенные приложения для мониторинга и анализа спектра. Ключевым атрибутом является возможность подключать анализатор к сети и контролировать такие устройства в сети. Хотя многие анализаторы спектра имеют порт Ethernet для управления, им, как правило, не хватает эффективных механизмов передачи данных, и они слишком громоздки или дороги для такого распределенного развертывания. Ключевые приложения для таких устройств включают системы обнаружения радиочастотного вторжения для защищенных объектов, где беспроводная передача сигналов запрещена. Сотовые операторы также используют такие анализаторы для удаленного мониторинга помех в лицензированных спектральных диапазонах. Распределенный характер таких устройств обеспечивает возможность определения местоположения передатчиков, мониторинга спектра для динамического доступа к спектру и многих других подобных приложений.

      Ключевые атрибуты таких устройств включают:

      • Эффективная передача данных по сети
      • Низкое энергопотребление
      • Возможность синхронизации захвата данных по сети анализаторов
      • Низкая стоимость для обеспечения массового развертывания.

      Теория работы

      Настраиваемый с качанием

      Как обсуждалось выше в разделе типы, анализатор спектра с разверткой вниз -преобразует часть спектра входного сигнала в центральную частоту полосового фильтра путем развертки генератора, управляемого напряжением, по диапазону частот, что позволяет учитывать полного частотного диапазона прибора.

      Ширина полосы пропускания полосового фильтра определяет полосу разрешения, которая связана с минимальной полосой пропускания, обнаруживаемой прибором. Как показано на анимации справа, чем меньше ширина полосы, тем выше спектральное разрешение. Однако существует компромисс между тем, как быстро дисплей может обновлять полный рассматриваемый частотный диапазон, и разрешающей способностью по частоте, которая важна для различения частотных компонентов, которые находятся близко друг к другу. Для архитектуры с разверткой и настройкой полезно это соотношение для времени развертки:

      Где ST — время развертки в секундах, k — константа пропорциональности, Span — рассматриваемый частотный диапазон в герцах, а RBW — полоса разрешения в герцах. Однако слишком быстрая развертка вызывает падение отображаемой амплитуды и сдвиг отображаемой частоты.

      Кроме того, анимация содержит спектры, преобразованные как с повышением, так и с понижением, что связано с частотным смесителем , производящий как суммарную, так и разностную частоты. Проходной сигнал гетеродина вызван несовершенной изоляцией от тракта сигнала IF в смесителе.

      . Для очень слабых сигналов необходим предварительный усилитель , хотя гармонические и интермодуляционные искажения могут привести к созданию новых частотных компонентов, которых не было в исходном сигнале.

      На основе БПФ

      С анализатором спектра на основе БПФ разрешение по частоте составляет Δ ν = 1 / T <\ displaystyle \ Delta \ nu = 1 / T>, величина, обратная времени T, в течение которого измеряется форма сигнала и выполняется преобразование Фурье.

      При анализе с преобразованием Фурье в цифровом анализаторе спектра необходимо выполнить выборку входного сигнала с частотой дискретизации ν s <\ displaystyle \ nu _ > что как минимум вдвое превышает ширину полосы сигнала из-за предела Найквиста. Затем преобразование Фурье создаст спектр, содержащий все частоты от нуля до ν s / 2 <\ displaystyle \ nu _ / 2> . Это может предъявлять значительные требования к необходимому аналого-цифровому преобразователю и вычислительной мощности для преобразования Фурье, что ограничивает частотный диапазон анализаторов спектра на основе БПФ.

      Частотный спектр периода нагрева импульсного источника питания (расширенный спектр), вкл. спектрограмма за несколько минут

      Гибридное супергетеродинное БПФ

      Поскольку анализаторы на основе БПФ способны рассматривать только узкие полосы, одним из методов является объединение анализа с разверткой и БПФ для рассмотрения широкого и узкие пролеты. Этот метод позволяет сократить время развертки.

      Этот метод становится возможным благодаря сначала понижающему преобразованию сигнала, затем 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, например, почти идеальные коэффициенты формы и улучшенные время отстаивания фильтра. Кроме того, при рассмотрении узких диапазонов можно использовать БПФ для увеличения времени развертки без искажения отображаемого спектра.

      БПФ в реальном времени

      Иллюстрация, показывающая время простоя анализатора спектра Сравнение между отображением максимального удержания развертки и постоянства в реальном времени Сигнал Bluetooth, скрытый за сигналом беспроводной локальной сети

      . Анализатор спектра в реальном времени не имеет время простоя — до некоторого максимального диапазона, часто называемого «полосой пропускания в реальном времени». Анализатор может выполнять выборку входящего радиочастотного спектра во временной области и преобразовывать информацию в частотную область с помощью процесса БПФ. БПФ обрабатываются параллельно, без пауз и с перекрытием, поэтому в рассчитанном радиочастотном спектре нет пропусков и отсутствует информация.

      Онлайн в реальном времени и офлайн в реальном времени

      В некотором смысле любой анализатор спектра, имеющий возможность анализатора векторных сигналов, является анализатором в реальном времени. Он производит выборку данных достаточно быстро, чтобы удовлетворять теореме выборки Найквиста, и сохраняет данные в памяти для последующей обработки. Этот тип анализатора работает только в реальном времени в течение того количества данных / времени, которое он может хранить в памяти, и по-прежнему дает пропуски в спектре и результаты во время обработки.

      Перекрытие БПФ

      Минимизация искажения информации важна для всех анализаторов спектра. В процессе БПФ применяются методы управления окнами для улучшения выходного спектра за счет уменьшения количества боковых лепестков. Эффект управления окнами может также снизить уровень сигнала, когда он захватывается на границе между одним БПФ и другим. По этой причине БПФ в анализаторе спектра реального времени перекрываются. Коэффициент перекрытия составляет примерно 80%. Анализатор, использующий 1024-точечный процесс БПФ, будет повторно использовать приблизительно 819 отсчетов из предыдущего процесса БПФ.

      Минимальное время обнаружения сигнала

      Это связано с частотой дискретизации анализатора и скорость БПФ. Также важно, чтобы анализатор спектра реального времени давал хорошую точность уровня.

      Пример: для анализатора с полосой пропускания 40 МГц в реальном времени (максимальный диапазон РЧ, который может обрабатываться в реальном времени) требуется приблизительно 50 млн отсчетов в секунду (комплекс). Если анализатор спектра производит 250 000 БПФ / с, вычисление БПФ производится каждые 4 мкс. Для 1024-точечного БПФ создается полный спектр 1024 x (1/50 x 10) примерно каждые 20 мкс. Это также дает нам степень перекрытия 80% (20 мкс — 4 мкс) / 20 мкс = 80%.

      Последовательность

      Анализаторы спектра в реальном времени могут предоставлять пользователям гораздо больше информации для более подробного изучения частотного спектра. Обычный анализатор спектра с разверткой может отображать, например, максимальный пик, минимальный пик, 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, это изображение показывает разницу между тем, как спектр отображается в обычном просмотре спектра с разверткой и в режиме «Постоянство» на анализаторе спектра в реальном времени.

      Скрытые сигналы

      Анализаторы спектра в реальном времени могут видеть сигналы, скрытые за другими сигналами. Это возможно, потому что никакая информация не упускается, а отображение для пользователя является результатом вычислений БПФ. Пример этого можно увидеть справа.

      Типовые функции

      Центральная частота и полоса обзора

      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, известна как центральная частота . Это частота, которая находится посередине оси частот дисплея. Span определяет диапазон между начальной и конечной частотами. Эти два параметра позволяют настраивать отображение в пределах частотного диапазона прибора для улучшения видимости измеренного спектра.

      Разрешение полосы пропускания

      Как обсуждалось в разделе операция, фильтр полосы пропускания или фильтр RBW является полосовым фильтром в пути IF. Это полоса пропускания цепи RF перед детектором (устройством измерения мощности). Он определяет уровень шума RF и то, насколько близко могут быть два сигнала, и при этом анализатор может разделить их на два отдельных пика. Регулировка полосы пропускания этого фильтра позволяет различать сигналы с близко расположенными частотными компонентами, а также изменять измеренный минимальный уровень шума. Уменьшение полосы пропускания фильтра RBW снижает измеренный минимальный уровень шума и наоборот. Это связано с тем, что фильтры с более высокой полосой разрешения пропускают больше частотных компонентов через детектор огибающей, чем фильтры с более низкой полосой пропускания, поэтому более высокая ширина полосы разрешения вызывает более высокий измеренный минимальный уровень шума.

      Полоса пропускания видео

      Фильтр полосы пропускания видео или фильтр VBW — это фильтр нижних частот непосредственно после детектора огибающей. Это полоса пропускания сигнальной цепи после детектора. Затем усреднение или обнаружение пика относится к тому, как цифровая запоминающая часть устройства записывает выборки — она ​​берет несколько выборок за один временной шаг и сохраняет только одну выборку, либо среднее из выборок, либо самое высокое. Ширина полосы видеосигнала определяет возможность различать два разных уровня мощности. Это связано с тем, что более узкая полоса пропускания удалит шум на выходе детектора. Этот фильтр используется для «сглаживания» отображения путем удаления шума из огибающей. Подобно RBW, VBW влияет на время развертки дисплея, если VBW меньше, чем RBW. Если VBW меньше RBW, это соотношение для времени развертки полезно:

      Здесь t sweep — время развертки, k — безразмерная константа пропорциональности, f 2 — f 1 — частотный диапазон развертки, RBW — полоса разрешения, а VBW — полоса пропускания видеосигнала.

      Детектор

      С появлением цифровых дисплеев некоторые современные анализаторы спектра используют аналого-цифровые преобразователи для измерения амплитуды спектра. после фильтра VBW. Поскольку дисплеи имеют дискретное количество точек, измеренный диапазон частот также оцифровывается. Детекторы используются в попытке адекватно сопоставить правильную мощность сигнала с соответствующей частотной точкой на дисплее. Обычно существует три типа детекторов: выборочный, пиковый и средний.

      • Определение образца — определение образца просто использует среднюю точку данного интервала в качестве значения точки отображения. Хотя этот метод хорошо отображает случайный шум, он не всегда улавливает все синусоидальные сигналы.
      • Обнаружение пика — при обнаружении пика в качестве значения отображаемой точки используется максимальная измеренная точка в заданном интервале. Это гарантирует, что максимальная синусоида измеряется в пределах интервала; однако меньшие синусоиды в пределах интервала не могут быть измерены. Кроме того, обнаружение пиков не дает хорошего представления случайного шума.
      • Обнаружение среднего значения — обнаружение среднего значения использует все точки данных в пределах интервала для учета значения точки отображения. Это достигается путем усреднения мощности (среднеквадратичного значения ), усреднения напряжения или логарифмического усреднения.

      Отображаемый средний уровень шума

      Отображаемый средний уровень шума ( DANL) — это именно то, что написано — средний уровень шума, отображаемый на анализаторе. Это может быть либо с определенной шириной полосы разрешения (например, -120 дБм при полосе разрешения 1 кГц), либо нормализовано до 1 Гц (обычно в дБм / Гц), например. −170 дБм (Гц). Это также называется чувствительностью анализатора спектра. Если уровень сигнала равен среднему уровню шума, будет отображаться 3 дБ. Для повышения чувствительности анализатора спектра на вход анализатора спектра можно подключить предусилитель с меньшим коэффициентом шума. co

      Использование радиочастот

      Анализаторы спектра широко используются для измерения характеристик частотной характеристики, шума и искажения всех видов радиочастотных (RF) схем путем сравнения входных и выходных спектров. Например, в РЧ-смесителях анализатор спектра используется для определения уровней продуктов интермодуляции третьего порядка и потерь преобразования. В ВЧ генераторах анализатор спектра используется для нахождения уровней различных гармоник.

      В электросвязи анализаторы спектра используются для определения занимаемой полосы частот и отслеживания источников помех. Например, планировщики сотовой связи используют это оборудование для определения источников помех в диапазонах частот GSM и диапазонах частот UMTS.

      В тестировании ЭМС анализатор спектра используется для основных предварительное тестирование 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 определенными стандартами чистоты излучения. Выходные сигналы на частотах, отличных от предполагаемой частоты связи, отображаются на дисплее в виде вертикальных линий (точек). Анализатор спектра также используется для определения прямым наблюдением ширины полосы 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 определенной полосе частот. Это называется панорамным приемом, и он используется для определения частот источников помех для беспроводного сетевого оборудования, такого как Wi-Fi и беспроводные маршрутизаторы.

      Анализаторы спектра также могут использоваться для оценки радиочастотного экранирования. РЧ-экранирование имеет особое значение при выборе места для установки магнитно-резонансной томографии, поскольку паразитные радиочастотные поля могут привести к артефактам на МР-изображении.

      Использование звуковых частот

      Спектральный анализ может использоваться при звуковые частоты для анализа гармоник звукового сигнала. Типичное применение — измерение искажения номинального синусоидального сигнала; синусоида с очень низким уровнем искажений используется в качестве входа для тестируемого оборудования, а анализатор спектра может исследовать выходной сигнал, который будет содержать добавленные продукты искажения, и определить процентное искажение для каждой гармоники основной гармоники. Такие анализаторы одно время назывались «анализаторами волн». Анализ может быть выполнен с помощью универсального цифрового компьютера с выбранной звуковой картой для обеспечения подходящей производительности и соответствующего программного обеспечения. Вместо использования синусоиды с низким уровнем искажений входной сигнал можно вычесть из выходного, ослабить и скорректировать по фазе, чтобы получить только добавленные искажения и шум, которые можно проанализировать.

      Альтернативный метод, измерение общего гармонического искажения, подавляет основную частоту с помощью режекторного фильтра и измеряет общий остающийся сигнал, который представляет собой полное гармоническое искажение плюс шум; он не дает детализации анализатора по гармоникам.

      Анализаторы спектра также используются звукорежиссерами для оценки своей работы. В этих приложениях анализатор спектра будет показывать уровни громкости полос частот в типичном диапазоне человеческого слуха, а не отображать волну. В приложениях для живого звука инженеры могут использовать их для точного определения обратной связи.

      Анализатор оптического спектра

      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 спектра радио- или звуковых частот.

      Вход в оптический анализатор спектра может быть просто через отверстие в корпусе прибора, оптоволокно или оптический соединитель, к которому может быть присоединен оптоволоконный кабель.

      Существуют разные методы разделения длин волн. Один из методов состоит в использовании монохроматора, например конструкции Черни-Тернера, с оптическим детектором, размещенным на выходной щели. По мере того как решетка в монохроматоре движется, детектор «видит» полосы разных частот (цветов), и результирующий сигнал затем может быть отображен 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 изменяет резонансную частоту оптически резонансной полости с помощью линейного изменения напряжения. на пьезоэлектрический двигатель, 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 для получения визуального представления спектра оптической мощности.

      Частотная характеристика анализаторов оптического спектра имеет тенденцию быть относительно ограниченным, например 800–1600 нм (ближний инфракрасный), в зависимости от предполагаемого назначения, хотя доступны (несколько) более широкополосные инструменты общего назначения.

      Анализатор спектра вибрации

      Анализатор спектра вибрации позволяет анализировать амплитуды вибрации на различных частотах компонентов. Таким образом, вибрация, возникающая на определенных частотах, может быть идентифицирована и отслежена. Поскольку при определенных проблемах оборудования возникает вибрация на определенных частотах, неисправности оборудования могут быть обнаружены или диагностированы. 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, механическое ослабление, дефекты подшипников и другие. Анализ вибрации также может использоваться в конструкциях для выявления структурных резонансов или для выполнения модального анализа.

      Что такое анализатор спектра?

      

      Анализатор спектра предназначен для измерения и визуализации сигнального спектра. В быту этот прибор не используется, но его часто можно встретить в лабораториях и на производстве в промышленных предприятиях. Спектроанализаторы реагируют на изменение амплитуды звуковой волны.

      Что такое анализатор спектра?

      Это устройство для визуализации и анализа спектра сигнала. Сигнальный спектр представляет собой набор синусоидальных волн в конкретный момент времени. С помощью анализатора спектра можно увидеть распределение энергии по частотам и получить амплитудно-частотную характеристику сигнала. На основании полученных данных можно заглушить шумы и помехи, вернуть сигнал в закрепленную за ним частоту. После выяснения того, что такое анализатор спектра радиочастот, следует ознакомиться с работой прибора. Устройство применяется:

      • при измерении частотных характеристик в микроволновой и радиоволновой областях;
      • во время тестирования кабельного телевидения, радио;
      • для решения узкоспециализированных задач, направленных на повышение совместимости двух радиоприборов, проверки устойчивости готовой техники к помехам и т.д.;
      • для калибровки генераторов;
      • во время контроля, испытаний, тестирования качества электронных изделий;
      • для изучения спектральных показателей;
      • для проверки соответствия устройств мобильной и радиосвязи действующим стандартам;
      • в процессе диагностики импульсного соответствия и работы генераторов.

      Принцип работы и назначение

      Интерес к тому, как работает анализатор спектра, вполне естественен. Основное назначение анализатора спектра – наблюдение и измерение колебаний энергии в частотной полосе. Эти процедуры нужно проводить для того, чтобы радиоприборы работали исключительно в своей полосе, не создавая друг для друга помех. По результатам полученных с помощью анализатора измерений осуществляется дальнейшая настройка техники. Принцип действия анализатора спектра зависит от его типа. В основе работы свипирующих приборов лежит супергетеродинный приемник:

      1. Входящий радиочастотный сигнал смешивается с частотой локального осциллятора. Результатом этого процесса становится сигнал с более низкой промежуточной частотой (ПЧ).
      2. Новый сигнал проходит через несколько усилительных каскадов.

      

      В современном свипирующем оборудовании используют цифровые компоненты (сигнальные процессоры, микропроцессоры и т.д.). Принципы работы анализатора спектра в реальном времени будут сильно отличаться:

      1. Устройство собирает информацию во временной области, а после с помощью преобразования Фурье переводит ее в частотную область.
      2. Принятые устройством радиочастотные сигналы преобразуются далее. Усиление и ослабление.
      3. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) оцифровывает последнюю ПЧ. Дальнейшая обработка производится цифровыми процессорами.

      У некоторых моделей цифровых анализаторов существуют режимы демодуляции. При их активации входной сигнал оцифровывается без частотного преобразования. Модулирующие сигналы обрабатываются, как и радиочастотные.

      Типы анализаторов спектра радиочастот

      Существует много видов измеряющего спектрального оборудования. Классифицируют приборы исходя из их основных характеристик:

      • По принципу действия: последовательные (сканирующие) и параллельные (многоканальные).
      • По способу обработки поступающей информации: аналоговые и цифровые.
      • По виду анализа: скалярные (для получения информации исключительно о гармонических составляющих) и векторные (для получения информации о гармонических и фазовых составляющих).
      • По диапазону частот: низкочастотные, широкополосные, работающие в оптическом диапазоне.

      Последовательные анализаторы спектра считаются более распространенными. Они сканируют частотную полосу с помощью маломощного генератора электрических колебаний. Селективный усилитель промежуточной частоты последовательно выделяет спектральные составляющие, и их отклики воспроизводятся на экране. Анализаторы параллельного типа укомплектованы высокодобротными резонаторами, настроенными на определенные частоты. При одновременном воздействии сигнала каждый узкополосный фильтр выделяет по одной его составляющей, что позволяет вести параллельный анализ данных.

      Основные характеристики

      

      Спектроанализаторами часто измеряют частоту, мощность, шум, искажения, модуляцию спектра. Спектральный состав сигнала очень важен в системах с ограниченной по ширине полосой частот. Переданная мощность тоже играет значительную роль. Если этот показатель будет слишком маленьким, то звуковая волна не достигнет точки назначения. Слишком большие значения мощности быстро истощают запас аккумуляторов, повышают рабочую температуру системы, вызывают дополнительные помехи.

      Оценка качества модуляции нужна для того, чтобы убедиться в корректности работы системы. При аналоговой модуляции измеряют уровни полосы боковых частот, заполнение полосы частот, коэффициент модуляции. При цифровой модуляции оценивают дисбаланс IQ, модуль вектора погрешности, зависимость погрешности от фазы времени. К основным характеристикам анализирующих приборов относят:

      • Разрешающую способность. Эта характеристика представляет собой минимальный интервал частот, при котором прибор выделит соседние составляющие спектра как отдельные линии, а затем сможет измерить их уровни. Разрешающая способность бывает динамической и статической.
      • Диапазон частот. Это частотный интервал, в котором возможен спектральный анализ. Диапазон в устройстве может быть разбит на поддиапазоны. Обычно в приборах предусмотрена возможность исследовать сигналы не по всему интервалу, а только в конкретной его части. Ее называют полосой обзора. Такой подход применяется для того, чтобы повысить точность анализа.
      • Время анализа. Обозначает скорость измерений. На него влияет динамическая разрешающая способность и время, необходимое для получения показаний с резонаторов.
      • Погрешность по частоте. Показывает с какой точностью устройство определяет диапазон между спектральными составляющими.
      • Погрешность по амплитуде. Зависит от инструментальной погрешности анализатора и сигнального спектра.

      Виды анализаторов спектра

      Все приборы можно поделить на низкочастотные, радиочастотные и оптические. Низкочастотные способны работать в диапазонах от нескольких герц до сотен килогерц. Радиочастотные работают с полосой до сотен гигагерц. Анализаторы спектра бывают:

      • Полосовыми. На дисплее устройства отображается множество полос, демонстрирующих уровень сигнала. В первых моделях такой техники использовались аналоговые фильтры. Полосовые анализаторы часто используют для настройки амплитудно-частотных характеристик акустических систем в театрах, на концертных площадках. В них для анализа сигнала применяется преобразование Фурье.
      • FFT-анализаторы. Они способны анализировать звуковые сигналы в режиме реального времени. Чтобы предупредить размытие тона по частоте при измерениях используются весовые окна.
      • Представляющие сигнал спектрограммой. Эти приборы позволяют визуально отслеживать изменения звуковой волны во времени. Время отображается по горизонтальной оси, частота – по вертикальной, а звуковую амплитуду обозначают отдельным цветом. Отсчет может быть разным.

      Современные модели анализаторов поддерживают функции всех перечисленных выше типов приборов. Они также работают с аналоговыми и цифровыми фильтрами, что значительно расширяет сферу их применения.

      Как выбрать анализатор спектра?

      Оборудование подбирают исходя из поставленных задач. Основные правила выбора анализаторов:

      1. Определение класса устройства. Техника этого вида бывает бюджетной и премиальной. Дорогие спектроанализаторы работают с разными типами частот.
      2. Оценка необходимой точности и чувствительности измерений. Для некоторых видов работ нужны высокоточные и сверхчувствительные приборы, которые не могут быть бюджетными.
      3. Наличие/отсутствие возможности подключения дополнительных плат. Модульность позволяет в дальнейшем подключать к устройству новые измерительные приборы, повысить точность проводимого анализа.

      Анализаторы с высокой точностью собирающие сведения об интенсивности отдельных гармоник применяют в электротехнических лабораториях. Звукорежиссерам из-за вида деятельности приходится пользоваться приборами для измерения низких частот. С их помощью можно определить степень разборчивости звука.

      Что такое анализатор спектра? Что такое анализатор спектра? https://sernia.ru/ Анализатор спектра предназначен для измерения и визуализации сигнального спектра. В быту этот прибор не используется, но его часто можно встретить в лабораториях и на производст.

      Читать:

      Как подключить трехфазный двигатель