Розуміння основних засад роботи аналізатора спектра

Магазин Gtest® - авторизований постачальник аналізаторів спектру в Україні:

https://gtest.com.ua/uk/vimiryuvalni-priladi/analizator-radiochastotnogo-spektru

Автор: Пол Денисовскі, експерт з випробувань та вимірювань

Нижче наведено запровадження основи роботи аналізатора спектра.

Аналізатори спектру - це прилади, що працюють у частотній області та показують залежність потужності від частоти. Це також фундаментальний показник, який можна отримати за допомогою аналізатора спектра: графік залежності потужності від частоти.

Більшість спектраторських аналізаторів автоматизують деякі вимірювання залежності потужності від частоти, такі як глибина модуляції AM або точка перетину третього порядку. Ці виміри можна було б виконувати вручну, але автоматизація підвищує ефективність та точність. Інші вимірювання, такі як смуга пропускання, що займається, або коефіцієнт витоку в сусідній канал, було б складно або неможливо виміряти вручну.

Для роботи аналізатора спектра необхідні чотири основні параметри. Ці чотири параметри:

• Центр та охоплення
• Референтний рівень
• Дозвіл смуги пропускання
• Смуга пропускання відео

Ці настройки використовуються під час практично будь-яких вимірювань спектра.

Центр та охоплення

Центр та діапазон визначають діапазон частот, який необхідно виміряти, встановлюючи кінцеву та початкову частоти.

Наприклад, вимірювання потужності в діапазоні частот від 840 до 860 МГц. Ці значення можна ввести в аналізатор спектру як початкову та кінцеву частоти, але частіше використовуються центральна та смуга огляду. Назви говорять самі за себе: центральна частота – це частота всередині екрана, а смуга огляду – це ширина екрану. Діапазон від 840 до 860 МГц відповідає центральній частоті 850 МГц та смузі огляду 20 МГц. Найчастіше центральна частота досліджуваного сигналу відома, і за допомогою смуги огляду простіше збільшувати та зменшувати масштаб, просто збільшуючи чи зменшуючи смугу огляду.

Референтний рівень

Опорний рівень знаходиться на верхньому краю екрану і відповідає максимальній очікуваній потужності на вході спектрального аналізатора. У більшості випадків опорний рівень налаштовується таким чином, щоб максимальний рівень сигналу був трохи нижчим від цього рівня.

Уникайте встановлення занадто низького або надто високого рівня. Встановлення надто високого опорного рівня звужує динамічний діапазон та знижує можливість спостереження невеликих змін амплітуди. Якщо опорний рівень надто низький, крива виходить за межі екрана. Встановлення занадто низького опорного рівня може також вплинути на результати вимірювань.

Після входу ВЧ, деякі з перших секцій аналізатора спектру включають активні компоненти, такі як змішувачі і підсилювачі. При надто високому рівні вхідного сигналу ці пристрої можуть увійти до компресії, що призводить до спотворень і негативно впливає на результати вимірювань, іноді дуже суттєво. Щоб запобігти цьому, між ВЧ-входом та цими чутливими компонентами встановлюється регульований вхідний атенюатор. Після встановлення опорного рівня це значення використовується аналізатором спектру для регулювання вхідного ослаблення та/або посилення підсилювача ПЧ, щоб уникнути навантаження приладу.

Дозвіл смуги пропускання

Для базових вимірювань спектра смуга роздільної здатності, безумовно, є найважливішим параметром. Більшість аналізаторів спектра використовують гетеродинні схеми для вимірювання спектра шляхом сканування смугою огляду. Крива залежності потужності від частоти будується зліва направо, зазвичай із повтореннями.

Один із способів краще зрозуміти смугу дозволу - уявити її як вікно, що переміщається по смузі огляду та вимірює рівень. У будь-якому випадку, фільтр або вікно смуги роздільної здатності не квадратний, а має гаусову або подібну форму. Вікно також не переміщається, натомість спектр ковзає повз нього. Результат той же, і багато НВЧ-інженерів дійсно розглядають смугу роздільної здатності як вікно, що переміщається або фільтр, що перетинає смугу огляду.

Смуга роздільної здатності впливає на здатність розділяти або розпізнавати близькі сигнали. Два вузькі сигнали можна розділити тільки в тому випадку, якщо смуга роздільної здатності менша за відстань між ними. При використанні ширшої смуги роздільної здатності обидва сигнали потрапляють під фільтр при його проходженні та відображаються на трасі як один сигнал.

Середній рівень шуму

Іншим аспектом смуги дозволу є її впливом геть рівень шуму. Більш конкретно, смуга роздільної здатності впливає рівень шуму, також званий середнім рівнем шуму (DANL). Рівень шуму збільшується або зменшується залежно від вибраної смуги роздільної здатності.

Що відбувається з рівнем шуму при зменшенні роздільної здатності? Як приклад використовується простий CW-сигнал і великий діапазон частот — 2 ГГц.

При роздільній здатності 3 МГц середнє значення рівня шуму становить приблизно -73 дБм.

Звуження смуги роздільної здатності до 300 кГц знижує рівень шуму до -84 дБм

При смузі пропускання 30 кГц рівень шуму падає до -93 дБм.

При RBW, що дорівнює 3 кГц, рівень шуму має середнє значення -104 дБм.

Зменшення смуги роздільної здатності в 10 разів знижує рівень шуму приблизно на 10 дБ. На практиці, щоб побачити сигнали, близькі до рівня шуму, слід використовувати вужчу смугу роздільної здатності.

Смуга дозволу та час розгортки

Зменшення смуги роздільної здатності забезпечує краще поділ сигналів і зниження рівня шуму, то чому б не використовувати завжди мінімально можливу смугу роздільної здатності? Смуга роздільної здатності - це, по суті, фільтр, і вузькі фільтри вимагають більше часу для встановлення або досягнення стабільного результату, порівняно з ширшими фільтрами. Це означає, що при використанні меншої смуги роздільної здатності швидкість розгортання уповільнюється для отримання точних результатів. Занадто швидке розгортання призводить до помилок як амплітуди, і частоти.

Основним фактором, що визначає час розгортки аналізатора спектра, є смуга роздільної здатності. Який час розгортки є оптимальним? Більшість аналізаторів автоматично розраховують час розгортки на основі смуги роздільної здатності та діапазону. Цей параметр можна перевизначити, але зменшення часу розгортки, що автоматично розраховується, зазвичай не рекомендується.

Оптимальна смуга роздільної здатності практично повністю залежить від вимірюваного сигналу і часто визначається експериментально. Існує компроміс між швидкістю та селективністю/шумом. У більшості аналізаторів спектра неможливо вибрати довільне значення смуги роздільної здатності, але можна вибирати її з певним кроком, наприклад, 1 кГц, 3 кГц, 10 кГц, 30 кГц.

Смуга пропускання відео

Останній базовий параметр – це відеосмуга. Щоб зрозуміти, що таке відеосмуга, необхідно пояснити термін «відеосигнал». Криві є огинаючою потужністю на окремих частотах, і ця огинаюча називається відеосигналом. Відеосигналом він названий тому, що у минулому цей сигнал подавався на вертикальне відведення електронно-променевої трубки для відображення відеосмуги на екрані. У сучасних спектроаналізаторах відеосмуги використовується як фільтр для усереднення або згладжування кривої, що відображається.

На відміну від смуги пропускання роздільної здатності, смуга пропускання відеосигналу впливає лише на те, як відображається сигнал, а не на те, як він вимірюється чи купується.

При зменшенні відеосмуги до 200 кГц у сигналі можна побачити неабияку кількість шуму. Цей шум зменшується при зменшенні відеосмуг до 20 кГц і ще більше при зменшенні до 2 кГц. Зменшення відеосмуги зменшує тільки шум на трасі, але не знижує рівень шуму, як це відбувається при зменшенні роздільної здатності. Крім того, це не покращує здатність розрізняти чи розділяти близькі сигнали.

Вибір смуги пропускання відео

Смуга пропускання відеосигналу впливає лише на зовнішній вигляд траси, тому певною мірою правильне налаштування смуги пропускання відеосигналу залежить від сфери застосування. Більшість сучасних аналізаторів спектру автоматично налаштовують та оновлюють смугу пропускання відеосигналу на основі інших параметрів, таких як смуга роздільної здатності. У багатьох випадках менша або вужча смуга пропускання відеосигналу є бажаною, оскільки це знижує рівень шуму на трасі. Але, як і смуга роздільної здатності, смуга пропускання відеосигналу впливає на час розгортки: чим менше або вже смуга пропускання відеосигналу, тим більше час розгортки.

Короткий зміст

Чотирьма найважливішими основними параметрами аналізатора спектра є:

• Центр/діапазон, який визначає діапазон частот
• Опорний рівень, що трохи перевищує максимальне очікуване значення потужності, що зберігає слід на дисплеї, а також допомагає аналізатору вибирати відповідні значення для вхідного ослаблення та посилення.
• Смуга роздільної здатності, де нижча смуга роздільної здатності допомагає розділяти близькі сигнали і знижувати рівень шуму, але збільшує час розгортки
• Смуга пропускання відеосигналу, що не впливає на дозвіл сигналу або рівень шуму, але дозволяє згладжувати або фільтрувати трасу, що відображається.