Параллельный и последовательный методы анализа спектра

Анализаторы параллельного типа чаще применяют для анализа спектров одиночных импульсных сигналов. Схема анализатора содержит п полосовых фильтров Ф, каждый из которых настроен на определенную частоту (рис. 9.2, а). Исследуемый сигнал u(t), спектр которого расположен в полосе частот Δ ƒ _п (рис. 9.2, б), подают на все фильтры одновременно. Фильтры имеют идентичные АЧХ с одинаковыми полосами пропускания Δ ƒ _ф и настроены на определенные частоты (рис. 9.2, в). Сигналы на выходе фильтров определяют составляющие спектра анализируемого процесса (рис. 9.2, г). После детектирования в детекторах Д, спектральные составляющие поступают на регистрирующие устройства РУ.

Полоса пропускания фильтра определяет статическую разрешающую способность анализатора (при условии, что время анализа велико, т.е. Т_а → ∞). Разрешающая способность анализатора — способность различать составляющие спектра с близкими частотами. Чем уже полоса пропускания фильтра, тем выше разрешающая способность. При широкой полосе пропускания несколько соседних составляющих не будут разделяться. Если оценивать разрешающую способность значением полосы частот Δ ƒ _р, при которой возможно разделение ближайших составляющих, то при идеальной (прямоугольной) АЧХ фильтра можно полагать Δ ƒ _р = Δ ƒ _ф. Для реальных фильтров Δ ƒ _р = 2 Δ ƒ _ф. Если время анализа Т_а мало, то говорят о динамической разрешающей способности.

Необходимое время анализа для правильного воспроизведения спектра при параллельном исследовании может быть принято равным τ _у — времени установления напряжения на выходе фильтра с прямоугольной частотной характеристикой и рабочей полосой Δ ƒ _ф (от уровня 0, 1 до уровня 0, 9 от установившегося значения). Из теории электрических фильтров известно, что время установления τ _у = 0, 86/(Δ ƒ _ф), следовательно, Т_а ≈ τ _у = 1/(Δ ƒ _ф) Тогда скорость параллельного анализа

υ = Δ ƒ _n/ Т_а = n Δ ƒ _ф/[1/(Δ ƒ _ф)] = n Δ ƒ _ф².

Скорость анализа снижается при сужении полосы пропускания фильтра. К достоинству анализаторов параллельного типа относится малое время анализа. На погрешность при параллельном анализе влияют: конечность времени установления колебаний на выходе фильтра и зависимость ее от полосы пропускания, различие характеристик фильтров, настроенных на разные частоты.

Последовательный анализ чаще всего применяют для исследования спектров многократно повторяющихся процессов.

На рис. 9.3 показана упрощенная структурная схема анализатора спектра последовательного типа. Анализатор содержит супергетеродинный приемник, индикаторное (чаще осциллографическое) устройство и калибратор.

Супергетеродинный приемник служит для последовательного во времени выделения гармонических составляющих спектра входного сигнала. Приемник состоит из входного устройства, смесителя, генератора качающейся частоты ГКЧ, усилителя промежуточной частоты и амплитудного детектора. К приемнику можно отнести и выходной усилитель. Настройку приемника на разные частоты производят с помощью напряжения, поступающего с выхода генератора развертки. С помощью индикаторного устройства наблюдают спектр исследуемого процесса. Калибратор используют для измерения характерных параметров спектра: частот, соответствующих максимумам или нулевым значениям огибающей спектра и т.д.

Рассмотрим процессы, протекающие в анализаторе спектра (рис. 9.4). Входной сигнал u(t) подают на смеситель через входное устройство. На второй вход смесителя поступает сигнал от ГКЧ. На рис. 9.4, а, б показаны соответственно изменение во времени частоты ГКЧ (частота ƒ _гкч меняется от ƒ _min до ƒ _mах в такт с изменением напряжения генератора развертки), форма амплитудно-частотной характеристики УПЧ u_упч, и диаграмма спектра S( ƒ ) исследуемого сигнала (на диаграмме он показан тремя гармоническими составляющими, отражающими однотональное амплитудно-модулированное колебание).

При воздействии на смеситель исследуемого сигнала и напряжения ГКЧ составляющие спектра S(f) преобразуют в диапазон промежуточных частот S(f_np). Форма спектра сигнала при этом сохраняется. С линейным изменением частоты ГКЧ спектральные составляющие преобразованного спектра также линейно изменяются во времени и последовательно попадают в полосу пропускания УПЧ (рис. 9.4, в). Напряжение на выходе УПЧ имеет вид радиоимпульсов (рис. 9.4, г), амплитуды которых при постоянном напряжении ГКЧ пропорциональны амплитудам составляющих исследуемого спектра.

С выхода УПЧ радиоимпульсы подают на амплитудный детектор. На выходе амплитудного детектора образуются видеоимпульсы и_л (рис. 9.4, д), поступающие через выходной усилитель на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. На горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ подают пилообразное напряжение генератора развертки, в результате чего на экране осциллографа появляются видеоимпульсы, изображающие спектр исследуемого сигнала в течение одного периода развертки Т_р = T_а. Диаграммы на рис. 9.4 построены при условии, что разность частот соседних составляющих спектра много больше полосы пропускания УПЧ, при этом возможна сравнительно малая статическая разрешающая способность (т.е. большой интервал частот Δ ƒ _р).

На практике допускают некоторое перекрытие изображений гармоник (рис. 9.5).

Статическую разрешающую способность анализатора спектра последовательного типа определяют по формуле (приведена без вывода):

Δ ƒ _р = √ 3 Δ ƒ _упч.

Параметры спектра измеряют вспомогательными устройствами. Положение на оси частот отдельных спектральных составляющих и характерных участков спектра определяют частотными метками. Наиболее просто создают одну частотную метку путем подачи на вход анализатора спектра вместе с исследуемым сигналом напряжения от измерительного генератора синусоидальных колебаний. В этом случае на экране анализатора спектра появится частотная метка — риска, соответствующая частоте сигнала генератора, изменяя частоту которого добиваются совпадения метки с определяемой точкой спектра. Частоту затем находят по шкале генератора.

Чтобы создать набор равноотстоящих друг от друга меток, в анализаторах спектра применяют специальные генераторы (например, генераторы частотно-модулированного сигнала). Из радиотехники известно, что спектр частотно-модулированного сигнала состоит из ряда гармонических составляющих, отстоящих друг от друга на частоту модуляции F_M. Предусматривают возможность изменять среднюю частоту колебаний ƒ _ср и частоту модуляции F_M. При изменении частоты модуляции меняют интервал между метками; при изменении средней частоты колебаний все метки сдвигают по оси частот. Напряжение от генератора частотно-модулированных колебаний вместе с исследуемым сигналом подают на вход анализатора спектра. При этом на экране трубки наблюдают картину наложения двух спектров. Изменяя параметры напряжения калибровки (среднюю частоту и частоту модуляции), совмещают метки с характерными точками исследуемого спектра.

Динамическая разрешающая способность анализатора спектра зависит от скорости перестройки частоты ГКЧ. При увеличении скорости перестройки напряжение на выходе УПЧ не успевает изменяться с изменением напряжения на входе, так как энергия, запасенная в избирательной системе (например, в контуре), не может увеличиться или уменьшиться мгновенно. Это явление имеет место в том случае, если длительность переходного процесса в УПЧ соизмерима со временем изменения частоты колебаний на входе и находится в пределах его полосы пропускания. Динамические искажения изображения спектра ограничивают допустимую скорость изменения частоты ГКЧ. Отсюда время анализа определяется неравенством (для упрощения формула приведена без вывода):

T_а > 3 Δ ƒ _гкч /А Δ ƒ _упч²

где Δ ƒ _гкч ≈ ƒ _mах - ƒ _min; A — коэффициент, определяемый схемой УПЧ и допустимыми динамическими погрешностями.

Из вышесказанного следует, что время анализа спектра обратно пропорционально квадрату разрешающей способности анализатора. Чем выше разрешающая способность (меньше Δ f_p), тем больше должно быть время анализа. Для повышения разрешающей способности (уменьшения Δ f _р) применяют схемы с двойным или тройным преобразованием частоты, которые здесь не рассматривают.

В настоящее время используемые анализаторы спектра могут обеспечить работу в диапазоне частот от 10 Гц до 40 ГГц с полосой пропускания 0, 001...300 кГц и разрешающей способностью 1 кГц на высоких частотах. Погрешность измерения уровней напряжений достигает 5 %.