Тема 11. Анализаторы спектра сигналов

Общие сведения о спектрах сигналов

 

Во многих практических случаях возникает потребность представления сигналов не только во временной, но и в частотной области и измерения на этой основе параметров этих сигналов.

В спектральной теории радиотехнических сигналов наибольшее распространение получили системы, в основу которых положен тригонометрический базис. В этом случае любая периодическая функция, для которой выполняется условие x(t) = x(t + nT), где Т – период, n – целое число; может быть представлена рядом Фурье одним из следующих видов:

(11.1)

(11.2)

(11.3)

где

Совокупность коэффициентов С_n называется амплитудно-частотным спектром, а совокупность φ_n – фазо-частотным спектром.

Для спектрального анализа непериодических сигналов используется интеграл Фурье. Прямое преобразование Фурье позволяет переходить из временной области в частотную:

(11.4)

Обратное преобразование Фурье наоборот обеспечивает переход из частотной области во временную:

(11.5)

Фильтровые анализаторы спектра

Анализатор спектра параллельного типа

 

Принцип действия анализатора спектра параллельного (одновременного) типа поясняется на (рис.11.1). В состав анализатора входят следующие элементы:

- аттенюатор, предназначенный для согласования входного сопротивления анализатора с выходным сопротивлением источника сигнала и изменением уровня входного сигнала;

- полосовые фильтры (ПФ) с полосой пропускания ∆f_ПФ, предназначенные для выделения участка спектра исследуемого сигнала;

- детекторы (Дет), предназначенные для получения огибающей сигнала на выходах соответствующих полосовых фильтров;

- индикатор.

Рисунок 11.1 – Структурная схема анализатора спектра параллельного типа

Входной сигнал U(t), поступающий на вход анализатора после согласования по уровню, разделяется полосовыми фильтрами.

Напряжение с выхода каждого фильтра после детектирования подается через коммутатор на индикатор.

Количество фильтров n, необходимых для работы анализатора, равно

(11.6)

где ∆f_C – полоса частот анализируемого сигнала.

Время анализа параллельного анализатора (Т_а) определяется временем установления напряжения на выходе фильтра и зависит от полосы пропускания ПФ: (11.7)

Скорость параллельного анализатора зависит от числа фильтров:

Такие анализаторы могут измерять спектры любых сигналов, за короткое время позволяют анализировать весь спектр сигнала, но из-за большого числа фильтров сложны при реализации и обладают большими габаритными размерами.

Анализаторы спектра последовательного типа

 

Принцип действия анализатора спектра последовательного типа состоит в выделении отдельных составляющих спектра сигнала с помощью одного полосового фильтра путем перестройки его резонансной частоты (рис.11.2).

Основными элементами анализатора спектра с перестраиваемым фильтром является аттенюатор, перестраиваемый полосовой фильтр, детектор, индикатор, генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

Закономерность изменения резонансной частоты полосового фильтра и напряжение развертки индикатора определяются одним устройством – ГЛИН, что обеспечивает своевременный вывод амплитуды соответствующей гармоники на горизонтальную линию индикатора.

Рисунок 11.2 – Структурная схема анализатора с перестраиваемым фильтром

В таких анализаторах можно исследовать только сигналы, спектр которых за время анализа, т.е. за время перестройки фильтра в полосе обзора, не изменяется. Это периодически повторяющиеся сигналы.

Недостаток: перестройка резонансной частоты полосового фильтра приводит к изменению его добротности Q (добротности контура), что в свою очередь приводит к изменению амплитуды отклика и полосы пропускания.

 

Цифровые анализаторы спектра

 

В настоящее время применяются три разновидности цифровых анализаторов спектра, основой которых является преобразование сигнала в цифровой код и вычисление составляющих спектра с помощью цифровых вычислительных устройств.