Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения (1066241), страница 36

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 36)

Приборы, применяемые для анализа спектра сигналов, мож­но разделить на аналоговые и цифровые. Несмотря на многие достоинства цифровых анализаторов, аналоговые анализаторы еще широко используют, особенно в верхней части высокочас­тотного и СВЧ-диапазонов. Современные аналоговые анализато­ры спектров содержат и цифровые устройства. Практически во всех аналоговых анализаторах выделение гармонических состав­ляющих сигнала производится узкополосными фильтрами. Этот метод реализуют двумя способами: параллельного и последова­тельного анализа сигнала. Основным элементом таких приборов является полосовой фильтр (высокодобротный резонатор) с узкой полосой пропускания, который выделяет отдельные составляющие или узкие диапазоны частот исследуемого спектра.

9.2. 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 Δf_n (рис. 9.2, б), пода­ют на все фильтры одновременно. Фильтры имеют идентичные АЧХ с одинаковыми полосами пропускания Δf_ф и настроены на оп­ределенные частоты (рис. 9.2, в). Сигналы на выходе фильтров определяют составляющие спектра анализируемого процесса (рис. 9.2, г).

Рис. 9.2. Параллельный анализ спектра:

а — структурная схема анализатора; б — исследуемый спектр;

в — АЧХ фильтров; г — спектр на выходе анализатора.

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 Δf_p, при которой возможно разделение ближайших составляю­щих, то при идеальной (прямоугольной) АЧХ фильтра можно по­лагать Δf_p = Δf_ф. Для реальных фильтров Δf_p = 2Δf_ф. Если время анализа Т_a мало, то говорят о динамической разрешающей спо­собности.

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

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.

Рис. 9.3. Структурная схема анализатора спектра последовательного типа.

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 f_ГКЧ меняется от f_min до f_max в такт с изменением напряжения генератора развертки), форма амплитуд­но-частотной характеристики УПЧ u_УПЧ, и диаграмма спектра S(f) исследуемого сигнала (на диаграмме он показан тремя гармони­ческими составляющими, отражающими однотональное амплитудно-модулированное колебание).

Рис. 9.4. Сигналы в анализаторе спектра последовательного типа:

а — изменение частоты ГКЧ; б - исследуемый спектр и АЧХ УПЧ;

в — линейное изменение частоты во времени; г — сигнал на выходе УПЧ;

д — сигнал на выходе детектора.

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_д (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 = Т_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 Δf_p). На практике допуска­ют некоторое перекрытие изображений гармоник (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Диаграммы к определению разрешающей способности анализатора:

а — спектр сигнала;

б — эпюры спектров на экране.

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

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 f_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):

где Δf_ГКЧ ≈ f_max - f_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 Δf_p,), тем больше должно быть время анализа. Для повышения разре­шающей способности (уменьшения Δf_p,) 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 %.

9.3. Цифровой анализ спектра

При цифровом анализе спектра исследуемый сигнал преоб­разуют в цифровой код и вычисляют составляющие спектра с по­мощью специализированных микропроцессоров. Цифровые ана­лизаторы спектра по совокупности дискретных отсчетов (выбо­рок) аналогового сигнала вычисляют спектральную плотность (9.1) путем замены интеграла на конечную сумму из некоторого числа выборок. Такие вычисления осуществляют с помощью ал­горитмов дискретного и быстрого преобразований Фурье.

Характеристики

Список файлов книги