Искусство схемотехники. Том 3 [Изд.4-е] - Пауль Хоровиц

Существуют две основные разновидности анализаторов спектра: с разверткой частоты и с реальным масштабом времени. Анализаторы с разверткой частоты распространены наиболее широко, и принцип их работы иллюстрирует рис. 15.43.

Рис. 15.43. Анализатор спектра на основе локального генератора с разверткой.

Схема представляет собой аналог супергетеродинного приемника (см. разд. 13.16) с локальным генератором (ЛГ), для развертки которого используется пилообразное колебание, сгенерированное внутри схемы. По мере того как производится развертка частоты ЛГ, результаты ее смешения с различными входными частотами поступают на усилитель ПЧ и затем на фильтр. Например, представим, что для анализатора спектра промежуточная частота составляет 200 МГц, а частоту ЛГ можно разворачивать в диапазоне от 200 до 300 МГц. Когда частота ЛГ равна 210 МГц, входной сигнал с частотой 10 МГц (± ширина полосы пропускания фильтра ПЧ) проходит на детектор и создает напряжение вертикального отклонения на осциллографе. Сигналы с частотой 410 МГц (с «зеркальной» частотой) также будут проходить через эту цепочку, поэтому на входе установлен фильтр НЧ. В любой момент времени детектируются входные частоты, лежащие ниже частоты ЛГ на 200 МГц.

Реальные анализаторы спектра обладают большой гибкостью в отношении частоты развертки, центральной частоты, ширины полосы пропускания фильтра, масштаба изображения и т. д. Обычно диапазон входной частоты охватывает значения от герц до гигагерц, а избираемая полоса частот может иметь ширину от герц до мегагерц. Кроме того, в сложных современных анализаторах спектра предусмотрены такие возможности, как калибровка амплитуды, запоминание спектров для предотвращения мерцания при развертке, дополнительная память для выполнения сравнения и нормализации и отображение на экране цифровой информации. Эти замечательные анализаторы спектра позволяют рассматривать изменение фазы относительно частоты, формировать частотные маркеры, программировать работу от микропроцессорной шины IEЕЕ 488, а также включать следящие генераторы (для работы в увеличенном динамическом диапазоне), выполнять прецизионные измерения частоты в спектре, генерировать напряжения шумов для возбуждения исследуемых систем и даже выполнять усреднение сигнала (что особенно полезно при наличии шума).

Отметим, что анализатор спектра с разверткой частоты рассматривает в каждый момент времени только одну частоту и генерирует полный спектр путем развертки во времени. Иногда это может создавать большие неудобства, например при исследовании переходных процессов. Кроме того, при работе с узкой полосой пропускания скорость развертки должна быть небольшой. И наконец, в каждый момент времени используется только небольшая часть входного сигнала.

Эти недостатки анализаторов спектра с разверткой частоты устранены в анализаторах спектра, работающих в реальном времени. Здесь также существует несколько подходов. Один громоздкий метод основан на использовании набора узкополосных фильтров, которые позволяют выделять различные частоты диапазона одновременно. В последнее время большую популярность приобретают сложные анализаторы, основанные на методах цифрового анализа Фурье (в частности, используется известное быстрое преобразование Фурье). Эти приборы преобразуют аналоговый входной сигнал (после смешения и других процедур) в числа с помощью быстродействующего аналого-цифрового преобразователя. Затем специализированная вычислительная машина осуществляет соответствующие операции и формирует цифровой частотный спектр. Этот метод позволяет обрабатывать все частоты одновременно, в связи с этим он обладает очень высокой чувствительностью и высоким быстродействием и его можно использовать для анализа переходных процессов. Он особенно полезен при анализе тех сигналов, для которых быстродействие анализаторов спектра с разверткой частоты оказывается слишком низким. Кроме того, он позволяет выделить корреляцию между сигналами. В связи с тем что результаты представляются в цифровом виде, естественно в полной мере использовать усреднение сигналов, и эта возможность заложена в некоторых приборах, предназначенных для широкого применения.

Следует отметить, что цифровые анализаторы спектра имеют ограничения по скорости вычислений и обладают гораздо более узкой полосой пропускания, чем радиочастотные анализаторы спектра (ЛГ с разверткой частоты). Например, популярный анализатор типа 3561А фирмы HP работает на частотах от 125 мкГц до 100 кГц. Конечно, можно сделать так, чтобы анализатор работал с полосой 100 кГц, отцентрированной на более высокой частоте — преобразование этой полосы к более низкой частоте выполняется с помощью гетеродина.

В некоторых анализаторах спектра, работающих в реальном времени, используют так называемое импульсное Z-преобразование. Для этого метода в анализаторе с разверткой (рис. 15.43) полосовой фильтр ПЧ заменяют диспергирующим фильтром (в котором время задержки пропорционально частоте). При согласовании скорости развертки ЛГ с дисперсией фильтра на выходе будет получена картина, очень похожая на ту, которую дает спектроанализатор с разверткой на частоте, — линейная развертка частоты по времени. Однако в отличие от анализатора с разверткой эта схема собирает сигналы по всей ширине полосы пропускания. Еще один интересный пример анализатора спектра, работающего в реальном времени, представляет собой ячейка Брэгга (или «акустико-оптический спектрометр»), в которой сигнал промежуточной частоты используется для генерации акустических колебаний в прозрачном кристалле. Эти деформации дифрагируют лазерный луч и формируют частотный спектр в реальном масштабе времени в виде зависимости интенсивности света от местоположения. Схему анализатора завершает решетка фотодетекторов на выходе. Брэгговские спектрометры используют в радиоастрономии.

Типовой прибор имеет полосу пропускания шириной 2 ГГц, которая распределяется по 16000 каналам, ширина полосы пропускания каждого составляет 125 кГц. При выборе типа анализатора спектра следует решить, какие параметры имеют для вас решающее значение — ширина полосы пропускания, разрешающая способность, линейность или динамический диапазон.

На рис. 15.44 представлены радиочастотные спектры, полученные с помощью анализатора спектра, который должен понравиться тем, кто имеет дело с частотами выше 1 МГц. Четыре первых спектра представляют генераторы: а формирует чистые синусоидальные колебания, б имеет искажения (на что указывают гармонические колебания, в характеризуется наличием шумов по краям спектра и г обладает некоторой частотной нестабильностью (дрейфовая или остаточная ЧМ). Можно измерить составляющие внутренней модуляции, как на примере д, где частоты внутренней модуляции второго, третьего и четвертого порядка видны на выходе усилителя, на которой подается тестовый «двухтоновый» сигнал, состоящий из чистых синусоидальных колебаний с частотами f1 и f2. И наконец, пример е иллюстрирует необычное поведение смесителя с двойной балансировкой; наблюдается наводка как от ЛГ, так и от входного сигнала, помимо того, сказывается искажение на частотах (fЛГ ± 2fс fЛГ ± 3fс). Этот спектр на самом деле может характеризовать вполне приемлемую работу смесителя в зависимости от масштаба, выбранного для вертикальной оси. Анализаторы спектра разрабатывают с очень большим динамическим диапазоном (составляющие внутренних искажений ослабляются на 70 дБ, а при наличии предварительной избирательной схемы — на 100 дБ), благодаря чему можно наблюдать недостатки даже очень хороших схем.

Пример ж на рис. 15.44 показывает, что произойдет, если слишком быстро производить развертку ЛГ в анализаторе с разверткой. Если развертка ЛГ такова, что сигнал проходит через полосу пропускания фильтра Δf за более короткое время, чем Δt ~= 1/Δf, то его частотный спектр расширится примерно на Δf' = 1/Δt.

Рис. 15.44. Спектры, полученные с помощью анализатора спектра.

Быстрое преобразование Фурье, использованное применительно к цифровым данным, полученным на основании эксперимента, представляет собой мощный метод анализа сигналов и особенно распознавания слабых сигналов с ярко выраженной периодичностью на фоне посторонних сигналов и шумов или же обнаружения дрожания и колебаний. Например, метод быстрого преобразования Фурье использовали для обнаружения пульсаров, анализа сигналов в звуковом диапазоне частот, увеличения разрешения астрономических наблюдений, для поиска сигналов от внеземных цивилизаций. В последнем случае усилитель на полевых транзисторах (GaAs), подключенный к приемнику диаметром 84 фута, управляет гетеродинным приемником, в котором подвергается анализу (в реальном масштабе времени) полоса шириной 400 кГц. Сигнал подается одновременно на 8 млн. каналов с полосой 0,05 Гц. Цифровой анализатор спектра состоит из 20000 ИС и полмиллиона твердых переходов (сделанных вручную). За 20 с он обнаруживает узкополосные сигналы, которые на 60 дБ слабее, чем шум приемника. А это соответствует потоку радиоволн, имеющему полную мощность менее 1 нВт и огибающему весь земной шар!