Анализатор спектра - Spectrum analyzer

Анализатор спектра 2005 г.
Современный анализатор спектра в реальном времени 2019 года

Анализатор спектра измеряет величину входного сигнала по отношению к частоте в пределах полного диапазона частот прибора. Основное использование - измерение мощности спектра известных и неизвестных сигналов. Входной сигнал, измеряемый наиболее распространенными анализаторами спектра, является электрическим; однако спектральный состав других сигналов, таких как волны акустического давления и оптические световые волны, можно учитывать с помощью 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 .

Анализируя спектры электрических сигналов, можно наблюдать доминирующую частоту, мощность , искажения , гармоники , полосу пропускания и другие спектральные компоненты сигнала, которые нелегко обнаружить в формах волны во временной области . Эти параметры полезны при характеристике электронных устройств, таких как беспроводные передатчики.

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

История

Анализатор спектра примерно 1970 г.

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

После открытия быстрого преобразования Фурье (БПФ) в 1965 году первые анализаторы на основе БПФ были представлены в 1967 году.

Сегодня существует три основных типа анализаторов: анализатор спектра с разверткой и настройкой, векторный анализатор сигналов и анализатор спектра в реальном времени.

Типы

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

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

  • Стреловидного настроенного анализатор использует супергетеродинный приемник для понижающего преобразования части спектра входного сигнала к центральной частоте узкого полосового фильтра , чей мгновенной выходной мощность записываются или отображаются в виде функции от времени. При изменении центральной частоты приемника (с помощью генератора, управляемого напряжением ) в диапазоне частот выходной сигнал также зависит от частоты. Но хотя развертка сосредоточена на какой-либо конкретной частоте, кратковременные события на других частотах могут отсутствовать.
  • Анализатор БПФ вычисляет временную последовательность периодограмм . БПФ относится к определенному математическому алгоритму, используемому в процессе. Обычно он 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 - снизить частоту дискретизации , с которой приходится иметь дело анализатору. При достаточно низкой частоте дискретизации анализаторы БПФ могут обрабатывать все выборки (100% рабочий цикл ) и, следовательно, могут избежать пропуска кратковременных событий.

Фактор формы

Анализаторы спектра, как правило, делятся на четыре форм-фактора: 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 портативные или портативные форм-факторы. 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 аккумуляторные батареи , позволяющие 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 передвигаться на улице.
  • Четкий дисплей, позволяющий читать на экране при ярком солнечном свете, в темноте или в пыльных условиях.
  • Легкий вес (обычно менее 15 фунтов (6,8 кг)).

Портативный

Портативный анализатор спектра.

Этот форм-фактор полезен для любого приложения, где анализатор спектра должен быть очень легким и небольшим. Ручные анализаторы обычно предлагают ограниченные возможности по сравнению с более крупными системами. Атрибуты, которые способствуют полезному портативному анализатору спектра, включают:

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

Сетевой

Этот форм-фактор не включает дисплей, и эти устройства предназначены для использования нового класса географически распределенных приложений 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. Распределенная природа таких устройств позволяет определять местоположение передатчиков, осуществлять мониторинг спектра для динамического доступа к спектру и многие другие подобные приложения.

Ключевые атрибуты таких устройств:

  • Эффективная сетевая передача данных
  • Низкое энергопотребление
  • Возможность синхронизировать сбор данных по сети анализаторов.
  • Низкая стоимость для массового развертывания.

Теория Операции

На этой анимации показано, как полосовой фильтр ПЧ влияет на полосу разрешения анализатора спектра с разверткой.  Обратите внимание, что фильтры с более широкой полосой пропускания не могут разрешить две близкорасположенные частоты, и сквозной сигнал гетеродина вызывает появление сигнала основной полосы частот.

Настроенный

Как обсуждалось выше в типах , анализатор спектра с разверткой и настройкой преобразует с понижением частоты часть спектра входного сигнала в центральную частоту полосового фильтра путем развертки генератора, управляемого напряжением, по диапазону частот, что позволяет учитывать полный частотный диапазон прибора.

Полоса пропускания полосового фильтра определяет полосу разрешения, которая связана с минимальной полосой пропускания, обнаруживаемой прибором. Как показано на анимации справа, чем меньше полоса пропускания, 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 расположены близко друг к другу. Для архитектуры с разверткой 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 тем, что смеситель частот создает как суммарные, так и разностные частоты. Локальный генератор проходных происходит из - за несовершенства изоляции от ПЧ тракта сигнала в смесителе .

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

Трехмерный график: радиочастотный спектр за 600 секунд от зарядного устройства

На основе БПФ

При использовании анализатора спектра на основе БПФ разрешение по частоте является обратной величиной времени T, в течение которого измеряется форма сигнала и выполняется преобразование Фурье.

При анализе с преобразованием Фурье в цифровом анализаторе спектра необходимо выполнять дискретизацию входного сигнала с частотой дискретизации, которая как минимум в два раза превышает ширину полосы сигнала из-за ограничения Найквиста . Затем преобразование Фурье создаст спектр, содержащий все частоты от нуля до . 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

Гибридный супергетеродинный БПФ

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

Этот метод стал возможным благодаря сначала преобразованию сигнала с понижением частоты, затем оцифровке промежуточной частоты и использованию методов супергетеродина или БПФ для получения спектра.

Одним из преимуществ оцифровки промежуточной частоты является возможность использования цифровых фильтров , которые имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми фильтрами, таких как почти идеальные коэффициенты формы и улучшенное время установления фильтра. Кроме того, с учетом узких диапазонов можно использовать БПФ для увеличения времени развертки без искажения отображаемого спектра.

Иллюстрация, показывающая время простоя анализатора спектра

БПФ в реальном времени

У анализатора спектра реального времени нет времени простоя - до некоторого максимального диапазона, часто называемого «полосой пропускания реального 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 искажений 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. Частота перекрытия составляет примерно 80%. Анализатор, использующий процесс БПФ с 1024 точками, будет повторно использовать приблизительно 819 отсчетов из предыдущего процесса БПФ.

Минимальное время обнаружения сигнала

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

Пример: для анализатора с полосой пропускания в реальном времени 40 МГц (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 6 ) примерно каждые 20 мкс. Это также дает нам степень перекрытия 80% (20 мкс - 4 мкс) / 20 мкс = 80%.

Сравнение дисплеев Swept Max Hold и Realtime Persistence
Упорство

Анализаторы спектра в реальном времени могут предоставить пользователям гораздо больше информации для более подробного изучения частотного спектра. Обычный анализатор спектра с разверткой может отображать, например, максимальные пики, минимальные пики, но анализатор спектра в реальном времени может отображать все вычисленные 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 при использовании представления «Постоянство» на анализаторе спектра в реальном времени.

Сигнал Bluetooth скрыт за сигналом беспроводной локальной сети
Скрытые сигналы

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

Типовая функциональность

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, называется центральной частотой . Это частота, которая находится посередине оси частот дисплея. Span определяет диапазон между начальной и конечной частотами. Эти два параметра позволяют настроить отображение в частотном диапазоне прибора, чтобы улучшить видимость измеренного спектра.

Пропускная способность разрешения

Как обсуждалось в разделе, посвященном работе , полосовой фильтр разрешения или фильтр RBW является полосовым фильтром в тракте ПЧ . Это полоса пропускания в РЧ цепи перед детектором (устройства измерения мощности). Он определяет минимальный уровень радиочастотного шума и то, насколько близки могут быть два сигнала, и анализатор по-прежнему разделяет 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 уменьшает 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 меньшей полосой пропускания, поэтому более высокая ширина полосы разрешения приводит к более высокому измеренному минимальному уровню шума.

Пропускная способность видео

Ширина полосы видеосигнала фильтр или фильтр Ф является фильтром нижних частот , непосредственно после детектора огибающего . 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, полезно это соотношение для времени развертки:

Здесь t sweep - время развертки, k - безразмерная константа пропорциональности, f 2  - f 1 - частотный диапазон развертки, RBW - ширина полосы разрешения, а VBW - ширина полосы 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.

  • Обнаружение образца - обнаружение образца просто использует среднюю точку заданного 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 - при обнаружении среднего значения используются все точки данных в пределах интервала для учета значения точки отображения. Это достигается путем усреднения мощности ( среднеквадратичного значения ), усреднения напряжения или логарифмического усреднения мощности.

Отображаемый средний уровень шума

Отображается Средний Уровень шума (DANL) только то , что он говорит , что это-средний уровень шума на экране анализатора. Это может быть либо с определенной полосой разрешения (например, -120 дБм при полосе разрешения 1 кГц), либо нормализованное 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 увеличения чувствительности анализатора спектра на вход анализатора спектра можно подключить предусилитель с меньшим коэффициентом шума. co

Использование радиочастоты

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

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

При тестировании на электромагнитную совместимость анализатор спектра используется для основного предварительного тестирования на соответствие требованиям; 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, чтобы обеспечить визуальное обнаружение и анализ электромагнитных сигналов в определенной полосе частот. Это называется панорамным приемом и используется для определения частот источников помех для беспроводного сетевого оборудования, такого как Wi-Fi и беспроводные маршрутизаторы.

Анализаторы спектра также могут использоваться для оценки защиты от радиочастот. РЧ-экранирование имеет особое значение при выборе места для установки магнитно-резонансной томографии, поскольку паразитные радиочастотные поля могут привести к появлению артефактов на МР-изображении.

Аудио-частота использует

Спектральный анализ может использоваться на звуковых частотах для анализа гармоник звукового сигнала. Типичное приложение - 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 цифрового компьютера общего назначения с выбранной звуковой картой и соответствующим программным обеспечением. 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 общих гармонических искажений , устраняет основную частоту с помощью режекторного фильтра и измеряет общий оставшийся сигнал, который представляет собой полное гармоническое искажение плюс шум; он не дает детализации анализатора по гармоникам.

Аудиоинженеры также используют анализаторы спектра для оценки своей работы. В этих приложениях анализатор спектра будет показывать уровни громкости в полосах частот в типичном диапазоне человеческого слуха , а не отображать волну. В приложениях для живого звука инженеры могут использовать их для получения 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, оптическое волокно или оптический соединитель, к которому может быть присоединен оптоволоконный кабель.

Существуют разные методы разделения длин волн. Один из методов заключается 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), а затем результирующий сигнал 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 нарастания 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 линейно нарастающего напряжения для визуального представления спектра оптической мощности.

Частотная характеристика анализаторов оптического спектра имеет тенденцию быть относительно ограниченной, например, 800–1600 нм (ближний инфракрасный диапазон), в зависимости от предполагаемой цели, 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 датчиков различных типов, 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, механический люфт, дефекты подшипников и другие. Анализ вибрации также может использоваться в конструкциях для выявления структурных резонансов или для выполнения модального анализа.

Смотрите также

использованная литература

Сноски

внешние ссылки

  • Шри Веларатна, " [1] ", Звук и вибрация (январь 1997 г., выпуск, посвященный 30-летию). Исторический обзор аппаратуры анализаторов спектра.