Понимание основных принципов работы анализатора спектра

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик анализаторов спектра в Украине: 
https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/analizatory-radiochastotnogo-spektra

Автор: Пол Денисовски, эксперт по испытаниям и измерениям

Ниже приведено введение в основы работы анализатора спектра.

Анализаторы спектра — это приборы, работающие в частотной области и показывающие зависимость мощности от частоты. Это также самый фундаментальный показатель, который можно получить с помощью анализатора спектра: график зависимости мощности от частоты.

Большинство анализаторов спектра автоматизируют некоторые измерения зависимости мощности от частоты, такие как глубина модуляции AM или точка пересечения третьего порядка. Эти измерения можно было бы выполнять вручную, но автоматизация повышает эффективность и точность. Другие измерения, такие как занимаемая полоса пропускания или коэффициент утечки в соседний канал, было бы сложно или невозможно измерить вручную.

Для работы анализатора спектра необходимы четыре основных параметра. Эти четыре параметра:

• Центр и охват
• Референтный уровень
• Разрешение полосы пропускания
• Полоса пропускания видео

Эти настройки используются при проведении практически любых измерений спектра.

Центр и охват

Центр и диапазон определяют диапазон частот, который необходимо измерить, устанавливая конечную и начальную частоты.

Например, для измерения мощности в диапазоне частот от 840 до 860 МГц. Эти значения можно ввести в анализатор спектра как начальную и конечную частоты, но чаще используются центральная и полоса обзора. Названия говорят сами за себя: центральная частота — это частота в середине экрана, а полоса обзора — это ширина экрана. Диапазон от 840 до 860 МГц соответствует центральной частоте 850 МГц и полосе обзора 20 МГц. Чаще всего центральная частота исследуемого сигнала известна, и с помощью полосы обзора проще увеличивать и уменьшать масштаб, просто увеличивая или уменьшая полосу обзора.

Референтный уровень

Опорный уровень находится на верхнем краю экрана и соответствует максимальной ожидаемой мощности на входе анализатора спектра. В большинстве случаев опорный уровень настраивается таким образом, чтобы максимальный уровень сигнала был немного ниже этого уровня.

Следует избегать установки слишком низкого или слишком высокого уровня. Установка слишком высокого опорного уровня сужает динамический диапазон и снижает возможность наблюдения небольших изменений амплитуды. Если опорный уровень слишком низкий, кривая выходит за пределы экрана. Установка слишком низкого опорного уровня также может повлиять на результаты измерений.

После ВЧ-входа, некоторые из первых секций анализатора спектра включают активные компоненты, такие как смесители и усилители. При слишком высоком уровне входного сигнала эти устройства могут войти в компрессию, что приводит к искажениям и отрицательно влияет на результаты измерений, иногда весьма существенно. Чтобы предотвратить это, между ВЧ-входом и этими чувствительными компонентами устанавливается регулируемый входной аттенюатор. После установки опорного уровня это значение используется анализатором спектра для регулировки входного ослабления и/или усиления усилителя ПЧ, чтобы избежать перегрузки прибора.

Разрешение полосы пропускания

Для базовых измерений спектра полоса разрешения, безусловно, является наиболее важным параметром. Большинство анализаторов спектра используют гетеродинные схемы для измерения спектра путём сканирования по полосе обзора. Кривая зависимости мощности от частоты строится слева направо, обычно с повторениями.

Один из способов лучше понять полосу разрешения — представить её как окно, перемещающееся по полосе обзора и измеряющее уровень. В любом случае, фильтр или окно полосы разрешения не квадратный, а имеет гауссову или подобную форму. Окно также не перемещается, вместо этого спектр скользит мимо него. Результат тот же, и многие СВЧ-инженеры действительно рассматривают полосу разрешения как перемещающееся окно или фильтр, пересекающее полосу обзора.

Полоса разрешения влияет на способность разделять или распознавать близко расположенные сигналы. Два узких сигнала можно разделить только в том случае, если полоса разрешения меньше расстояния между ними. При использовании более широкой полосы разрешения оба сигнала попадают под фильтр при его прохождении и отображаются на трассе как один сигнал.

Средний уровень шума

Другим аспектом полосы разрешения является её влияние на уровень шума. Более конкретно, полоса разрешения влияет на уровень шума, также называемый средним уровнем шума (DANL). Уровень шума увеличивается или уменьшается в зависимости от выбранной полосы разрешения.

Что происходит с уровнем шума при уменьшении полосы разрешения? В качестве примера используется простой CW-сигнал и довольно большой диапазон частот — 2 ГГц.

При полосе разрешения 3 МГц среднее значение уровня шума составляет приблизительно -73 дБм.

Сужение полосы разрешения до 300 кГц снижает уровень шума до –84 дБм

При полосе пропускания 30 кГц уровень шума снова падает до -93 дБм.

При RBW, равной 3 кГц, уровень шума имеет среднее значение -104 дБм.

Уменьшение полосы разрешения в 10 раз снижает уровень шума примерно на 10 дБ. На практике, чтобы увидеть сигналы, близкие к уровню шума, следует использовать более узкую полосу разрешения.

Полоса разрешения и время развертки

Уменьшение полосы разрешения обеспечивает лучшее разделение сигналов и снижение уровня шума, так почему бы не использовать всегда минимально возможную полосу разрешения? Полоса разрешения — это, по сути, фильтр, и узкие фильтры требуют больше времени для установления или достижения стабильного результата по сравнению с более широкими фильтрами. Это означает, что при использовании меньшей полосы разрешения скорость развёртывания замедляется для получения точных результатов. Слишком быстрое развёртывание приводит к ошибкам как амплитуды, так и частоты.

Основным фактором, определяющим время развёртки анализатора спектра, является полоса разрешения. Какое время развёртки является оптимальным? Большинство анализаторов автоматически рассчитывают время развёртки на основе полосы разрешения и диапазона. Этот параметр можно переопределить, но уменьшение автоматически рассчитываемого времени развёртки обычно не рекомендуется.

Оптимальная полоса разрешения практически полностью зависит от измеряемого сигнала и часто определяется экспериментально. Существует компромисс между скоростью и селективностью/шумом. В большинстве анализаторов спектра невозможно выбрать произвольное значение полосы разрешения, но можно выбирать её с определённым шагом, например, 1 кГц, 3 кГц, 10 кГц, 30 кГц.

Полоса пропускания видео

Последний базовый параметр — это видеополоса. Чтобы понять, что такое видеополоса, необходимо объяснить термин «видеосигнал». Кривые представляют собой огибающую мощности на отдельных частотах, и эта огибающая называется видеосигналом. Видеосигналом он назван потому, что в прошлом этот сигнал подавался на вертикальный отвод электронно-лучевой трубки для отображения видеополосы на экране. В современных спектроанализаторах видеополоса используется в качестве фильтра для усреднения или сглаживания отображаемой кривой.

В отличие от полосы пропускания разрешения, полоса пропускания видеосигнала влияет только на то, как отображается сигнал, а не на то, как он измеряется или приобретается.

При уменьшении видеополосы до 200 кГц в сигнале можно заметить изрядное количество шума. Этот шум уменьшается при уменьшении видеополосы до 20 кГц и ещё больше при уменьшении до 2 кГц. Уменьшение видеополосы уменьшает только шум на трассе, но не снижает уровень шума, как это происходит при уменьшении полосы разрешения. Кроме того, это не улучшает способность различать или разделять близкие сигналы.

Выбор полосы пропускания видео

Полоса пропускания видеосигнала влияет только на внешний вид трассы, поэтому в определённой степени правильная настройка полосы пропускания видеосигнала зависит от области применения. Большинство современных анализаторов спектра автоматически настраивают и обновляют полосу пропускания видеосигнала на основе других параметров, таких как полоса разрешения. Во многих случаях меньшая или более узкая полоса пропускания видеосигнала представляется желательной, поскольку это снижает уровень шума на трассе. Но, как и полоса разрешения, полоса пропускания видеосигнала влияет на время развёртки: чем меньше или уже полоса пропускания видеосигнала, тем больше время развёртки.

Краткое содержание

Четырьмя важнейшими основными параметрами анализатора спектра являются:

• Центр/диапазон, которые определяют диапазон частот
• Опорный уровень, немного превышающий максимальное ожидаемое значение мощности, сохраняющий след на дисплее, а также помогающий анализатору выбирать подходящие значения для входного ослабления и усиления.
• Полоса разрешения, где более низкая полоса разрешения помогает разделять близко расположенные сигналы и снижать уровень шума, но увеличивает время развертки
• Полоса пропускания видеосигнала, не влияющая на разрешение сигнала или уровень шума, но позволяющая сглаживать или фильтровать отображаемую трассу