Войти
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.
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):
Анализаторы спектра бывают четырех форм: настольные, портативные, переносные и сетевые.
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.
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:
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:
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:
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.
С анализатором спектра на основе БПФ разрешение по частоте составляет 
При анализе с преобразованием Фурье в цифровом анализаторе спектра необходимо выполнить выборку входного сигнала с частотой дискретизации 
Частотный спектр периода нагрева импульсного источника питания (расширенный спектр), вкл. спектрограмма за несколько минут 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.
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.
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.
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.
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%.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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 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 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.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с анализаторами спектра. |
