Гетеродинные анализаторы спектра последовательного типа

Как уже отмечалось, в большинстве случаев достаточно иметь информацию об амплитуде и частоте составляющих спектра сигналов, а фазовый спектр не представляет интереса. Для измерения амплитудного спектра в большинстве случаев используют анализаторы спектра последовательного типа. С помощью приборов этого класса можно исследовать периодические и другие виды сигналов, спектры которых практически не изменяются за время измерения. Такие приборы получили наибольшее распространение.

Рассмотрим работу гетеродинного анализатора спектра по упрощенной структурной схеме (рис. 14.8, а).

Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение U _раз, которое воздействует на горизонтально отклоняющие пластины ЭЛТ, вызывая отклонение луча по оси X. Кроме того, это же напряжение поступает на управляющий элемент частотно-модулированного генератора (ЧМ генератора). При линейной модуляционной характеристике частота колебаний линейно меняется во времени (рис. 14.8,б). Постоянное по амплитуде напряжение ЧМ генератора вместе с исследуемым колебанием подается на смеситель. Пусть спектр колебания состоит из двух спектральных составляющих с амплитудами U _lи U ₂на частотах f ₁и f ₂, причем по амплитуде эти составляющие много

меньше напряжения U _гЧМ генератора (рис. 14.8, в). Тогда в области частот, меньших частоты генератора f _г, ток смесителя будет содержать составляющие разностных частот f _г — f ₁, и f _г — f ₂ с амплитудами, пропорциональными U ₁, и U₂. При перестройке генератора эти составляющие также будут смещаться по частоте по линейному закону, как показано на рис. 14.8, б. Колебание со смесителя попадает на усилитель промежуточной частоты УПЧ — высокоизбирательное устройство, настроенное на частоту f _р с амплитудно-частотной характеристикой K(f) (рис. 14.8, б).

Построение траектории светящегося пятна на экране ЭЛТ показано на рис. 14.8, б. При перестройке генератора сигналы U ₁и U₂ последовательно на экране ЭЛТ воспроизводят форму АЧХ УПЧ. Высота выбросов на экране ЭЛТ пропорциональна U ₁, и U₂ (рис. 14.8, г). Следовательно, по высоте выбросов можно судить об амплитудах спектральных составляющих, а их частоты определять по положению выбросов по горизонтальной оси на экране ЭЛТ и частоте f _г.

При исследовании спектра для удобства отсчета спектральных линий минимальную частоту ЧМ генератора f _min следует выбирать равной f _ф. Тогда первый выброс, обусловленный напряжением ЧМ генератора, происходит в момент времени t₀, а значения частот f ₁ и f ₂отсчитываются по шкале, нуль которой совмещен с началом развертки (рис. 14. 8 ,д).

Для отсчета частот спектральных составляющих необходимо знать масштаб по оси X, определяемый как приращение Δ f _гчастоты генератора, отнесенное к смещению Δ X пятна по оси абсцисс. Поскольку смещение АХ пропорционально изменению напряжения развертки Δ U _раз, масштаб пропорционален отношению Δ f _г/Δ U _раз, но зависимость f _г (U _раз) — модуляционная характеристика ЧМ генератора, поэтому характер масштаба определяется видом этой зависимости. Если модуляционная характеристика линейна, то отношение Δ f _г/Δ U _раз постоянно и масштаб тоже линейный.

Линейный масштаб свойствен большинству анализаторов спектра. В этом случае модуляционная характеристика ЧМ генератора имеет вид f _г = f _min + aU _рaз, где а - крутизна модуляционной характеристики. Напряжение развертки определяет отклонение пятна по оси абсцисс Х = S_хU _раз. Под действием колебания с частотой f _г — f ₁отклонение пятна по оси ординат

Y=S_yK _пр U _г K(f _г - f _l) K _д, (14.22)

где К _при К _д — коэффициенты передачи преобразователя и детектора.

Исключив из приведенных соотношений U _paз, получим уравнение траектории светящегося пятна:

Y=S_yK _д K _пр U _г K(f _min - f _l + aX /S _x). (14.23)

Отсюда ясно, что вид этой зависимости в некотором масштабе соответствует форме АЧХ УПЧ. Следовательно, наблюдаемые на экране ЭЛТ выбросы отображают зависимость К (f).

Ранее полагали, что напряжение на выходе УПЧ пропорционально его коэффициенту передачи на частоте воздействующего на него колебания. Такой подход справедлив только в статическом режиме, когда частота ЧМ генератора изменяется с настолько малой скоростью, что переходные процессы в УПЧ успевают полностью закончиться. На практике приходится учитывать влияние переходных процессов, за счет которых частотная характеристика может сильно деформироваться. На экране ЭЛТ при этом наблюдают динамическую частотную характеристику УПЧ. Вид динамической

частотной характеристики определяется статической частотной характеристикой УПЧ и скоростью изменения частоты воздействующего на УПЧ сигнала (рис. 14.9).

На рис. 14.9, а по оси ординат отложено отношение амплитуды напряжения U _K.ДИН на контуре в динамическом режиме к резонансному напряжению U _рез, а по оси абсцисс — обобщеннаярасстройка ξ. Параметром семейства является отношение τ_у/τ₀, где τ₀ — время пребывания в пределах полосы пропускания УПЧ спектральной составляющей. Как следует из рис. 14.8, б, скорость смещения частоты сигнала ЧМ генератора равна (f_mаx - f_min)/ Т _а, где f_max — максимальная частота ЧМ генератора; Т _а — время анализа спектра, определяемое длительностью прямого хода развертки. Очевидно, что

τ₀= 2Δ f _ф T _а/(f_mах - f_min). (14.24)

Поскольку τ_у ≈ 1/2 Δ f _ф, то

τ_y/τ₀ = (f_max - f_min)/ T _а(2Δ f _ф)². (14.25)

Кривая, соответствующая τ_у /τ₀ = 0, является резонансной кривой контура УПЧ. При увеличении скорости развертки частотные характеристики деформируются. Максимумы характеристик смещаются вправо от резонанса, причем смещение возрастает с увеличением скорости нарастания частоты. Это объясняется тем, что на частотах, меньших резонансной, из-за инерционности контура амплитуда колебания не успевает нарасти до установившегося значения и при дальнейшем увеличении частоты продолжает увеличиваться. Форма спадающего участка динамической частотной характеристики

обусловлена биениями между внешним сигналом изменяющейся частоты и собственными колебаниями контура. Анализ показывает, что росту отношения τ_у/τ₀ соответствует расширение полосы пропускания динамической характеристики 2Δ f _ДИН, как показано на рис. 14.9, б.

В анализаторах спектра нет необходимости точно воспроизводить частотную характеристику УПЧ, так как информация о спектре заложена в положении выбросов по оси X и в их амплитуде. Здесь вполне допустимо небольшое отклонение формы выбросов от формы АЧХ УПЧ, поэтому для анализатора спектра можно принять ТT_у/τ₀ = 1. Тогда время анализа вычисляется из соотношения

Т _а = (f_max - f_min)/(2Δ f _ф)² (14.26)

и может достигать десятков секунд, поэтому в анализаторах спектра используют трубки с послесвечением. Из рис. 14.9, а видно, что при переходе с одной скорости развертки на другую изменяется отношение U _к.дин/ U _рез, поэтому для точного измерения амплитуды составляющих спектра при таком переходе необходимо каждый раз проводить калибровку прибора.

Разрешающую способность анализатора спектра оценивают удвоенной полосой пропускания УПЧ. В динамическом режиме полоса пропускания УПЧ расширяется, что ухудшает разрешающую способность. Это ухудшение можно оценить по графику, приведенному на рис. 14.9,6, из которого следует, что, например, значению τ_у/τ₀ = 20 соответствует пятикратное расширение полосы. С переходом в динамический режим разрешающая способность ухудшается. На практике всегда используется динамический режим, поэтому анализатор характеризуется динамической разрешающей способностью Δ f _р.дин, определяемой из формулы

Δ f _р.дин = 2(2Δ f _дин). (14.27)

Если время анализа выбрано из (14.21), то динамическая полоса пропускания УПЧ 2Д/дин лишь незначительно превышает статическую полосу. Уменьшение времени анализа приводит к ухудшению разрешающей способности.

Ранее указывалось, что форма напряжения развертки может быть любой. При нелинейной развертке скорость изменения частоты ЧМ генератора непостоянна в разных точках экрана. В динамическом режиме это приводит к искажению спектра: колебание постоянной амплитуды будет вызывать выбросы разной высоты в зависимости от положения на экране, т.е. от частоты исследуемого колебания. Поскольку для анализаторов спектра характерен динамический режим, развертка всегда должна быть линейной.

Иногда приходится анализировать спектр последовательности импульсов с большой скважностью. Спектры таких импульсов содержат число составляющих, примерно равное скважности, а их раздельное наблюдение потребовало бы очень большого времени. Поэтому при анализе подобных спектров задача обычно состоит в выделении не отдельных спектральных составляющих, а огибающей спектра. Соответственно изменяются и требования к разрешающей способности: полосу пропускания УПЧ выбирают значительно уже лепестка спектра. При такой полосе постоянная времени контура УПЧ оказывается намного меньше периода повторения исследуемых импульсных сигналов. По окончании каждого импульса, воздействующего на контур, в последнем происходят свободные колебания, полностью затухающие к моменту прихода очередного импульса. Следовательно, ход процесса в контуре не изменяется, если рассматривать воздействие на него не периодической последовательности импульсов, а ряда одиночных импульсов со сплошным спектром.

При рассмотрении принципа работы анализатора предполагалось, что в полосу пропускания УПЧ попадает лишь сигнал с разностной частотой вида f _г— f _с = f _п. Однако в полосу пропускания УПЧ попадает также сигнал с частотой f ' _c =f _с + f _п (рис. 14.10).

Чтобы анализ спектра осуществлялся на частоте f _с, необходимо выполнение неравенства

2 f _п >Δ f _эф, (14.28)

где А/эф — эффективная ширина исследуемого спектра, в пределах которой заключена подавляющая часть энергии импульса.

Как известно, эффективная ширина спектра связана с длительностью импульса τ_и соотношением Δ f_{э ф} = К/τ_и, где К — коэффициент, зависящий от формы импульса, способа определения его длительности и отношения энергии, заключенной в пределах Δ f _эф, к общей энергии импульса. Так, для импульса прямоугольной формы при К = 6 в полосе частот А/эф сосредоточено 95 % энергии импульса.

Для сигналов с широкими спектрами приходится выбирать высокую промежуточную частоту. Полоса пропускания УПЧ может оказаться чрезмерно широкой, а разрешающая способность недостаточной. В этих случаях применяют двойное или тройное преобразование с понижением частоты. Узкополосная фильтрация сигнала происходит в УПЧ, следующим за последним смесителем.

В анализаторах спектра ось частот калибруется с помощью частотных меток либо с помощью маркера.

В простейшем случае для создания метки маркера используется генератор гармонического напряжения, частота которого устанавливается оператором и считывается со шкалы генератора. Это напряжение поступает на вход анализатора и вызывает выброс на экране ЭЛТ — частотную метку. Совмещая метку с выбросами, соответствующими спектральным составляющим, можно измерить частоты последних.

Погрешность измерения частоты зависит от неточности совмещения, погрешности определения частоты по шкале генератора и ширины полосы пропускания УПЧ. Определяющими являются две последние составляющие, так как первую можно исключить многократным повторением измерений.

Измерение частоты составляющих в широкополосном спектре удобнее производить по частотным меткам, получаемым от генератора импульсов, дающих дискретный спектр. Высоту выбросов можно измерять по масштабной сетке, помещенной перед экраном. При этом различают два вида анализаторов спектра, приборы, измеряющие отношение спектральных составляющих, и приборы для измерения абсолютного уровня. Появление анализаторов спектра, измеряющих абсолютный уровень, способствовало сокращению парка измерительных приемников, функции которых они заменили.

Наряду с приборами блочного типа, выполненными на основе общей базы, выпускаются и моноблочные приборы. Одним из таких приборов с повышенной степенью автоматизации является С4-74. Прибор С4-74 представляет собой панорамный супергетеродинный приемник с четырехкратным преобразованием частоты.

Частота настройки прибора автоматически или вручную перестраивается в пределах всего рабочего поддиапазона или в любом участке соответствующего поддиапазона с меньшими пределами перестройки.

Сигнал с выхода детектора анализатора спектра индицируется в виде откликов на экране ЭЛТ, горизонтальная развертка которой синхронизирована с перестройкой частоты свипгенератора. Структурная схема прибора приведена на рис. 14.12.

Исследуемый сигнал в зависимости от выбранного поддиапазона (300 Гц— 150 МГц или 150 — 300 МГц) через входной ступенчатый аттенюатор, переключатель и фильтр (фильтр низкой частоты ФНЧ) 0—150 МГц или полосовой фильтр (ПФ) 150 — 300 МГц поступает на соответствующий смеситель. На смеситель также поступает сигнал с гетеродина, частота которого в зависимости от выбранного режима изменяется от 263,5 до 413,5 МГц плавно (вручную или автоматически) или дискретно через 1 МГц. Преобразованный сигнал частотой 263,5 ± 0,5 МГц (поддиапазон 300 Гц — 150 МГц) усиливается, проходит через фильтр и поступает на второй смеситель, где с помощью гетеродина частоты 150 МГц преобразуется в сигнал частоты 113,5 ± 0,5 МГц. Усиленный сигнал 113,5 ± 0,5 МГц поступает на третий смеситель, где с помощью третьего гетеродина частоты 105,34 ± 0,5 МГц преобразуется в сигнал частоты 8160 кГц. Частота третьего гетеродина в зависимости от выбранного режима изменяется в пределах 1 МГц плавно (вручную или автоматически) или дискретно через 10 кГц. Сигнал частоты 8160 кГц фильтруется, а затем поступает на четвертый смеситель, где преобразуется в сигнал частоты 128 кГц.

На частотах 8160 и 128 кГц осуществляется разделение компонентов, линейное, логарифмическое усиление и детектирование сигнала. Усиленный по постоянному току сигнал поступает на вертикальные пластины ЭЛТ.

В приборе предусмотрено обратное преобразование (восстановление) исходного сигнала для обеспечения возможности производить измерение частот компонентов сигнала со сложной структурой спектра с погрешностью внутреннего частотомера.

Если исследуемое напряжение имеет вид повторяющихся импульсов, то необходимо, чтобы отклики, вызванные соседними импульсами, не перекрывались. Следовательно, длительность паузы τ_пз между импульсами должна превышать длительность отклика Т_а.

клика от предыдущего импульса. Чтобы с помощью дисперсионных линий проанализировать спектры непрерывных колебаний, их следует преобразовать в последовательность радиоимпульсов, называемых выборками. Выборки чередуются с паузами, длительность которых должна превышать время анализа. Для уменьшения отношения Т _а/τ_и применяется режим работы с преобразованием частоты. Напряжение гетеродина имеет вид прямоугольных импульсов с линейно изменяющейся во времени частотой. По окончании очередного импульса смеситель запирается и исследуемое напряжение не поступает на вход линии задержки, что соответствует паузе. Структурная схема такого анализатора подобна схеме анализатора с преобразованием, показанной на рис. 14.14. Единственное отличие состоит в способе запуска генератора развертки: в анализаторе непрерывных колебаний он происходит от внешнего источника. Пусть исследуемое напряжение имеет вид U_x = U_mcosω₀t. После

преобразования получим

U_x = U_m cos (ω₀ t - t²/2а), (14.41)

где U_m≠ 0при 0 < t < τ_и.

Интеграл в (14.34) соответствует спектральной функции прямоугольного импульса. Огибающая выходного напряжения

Следовательно, гармоническому напряжению соответствует отклик (14.42), положение которого по оси абсцисс определяется частотой ω₀, а высота главного лепестка пропорциональна амплитуде U_m. Как известно, ширина главного лепестка спектра прямоугольного радиоимпульса соответствует значению ΔΩ = 4π/τ_и. Разрешающую способность анализатора оценивают половиной ширины лепестка 2π/τ_и, так как при такой разности частот между гармоническими составляющими входного напряжения отклики разделяются. Чем меньше разность частот между соседними спектральными составляющими, тем большее время Т_a требуется для их разрешения.

Основными характеристиками таких анализаторов являются диапазон длительностей радиоимпульсов (или полоса анализа) и разрешение (или число каналов анализа). Анализаторы спектра с дисперсионными линиями задержки по своей структурной схеме сходны с гетеродинными анализаторами последовательного типа, а по быстродействию близки к анализаторам параллельного типа. Однако эти приборы распространены пока мало, что обусловлено недостаточной полосой пропускания дисперсионных линий задержки и их малым динамическим диапазоном. Работы по совершенствованию линий задержки ведутся, поэтому можно ожидать, что анализаторы такого типа в будущем будут применяться шире. А анализ спектра одиночных радиоимпульсов и радиоимпульсов с большой скважностью в настоящее время возможен только такими приборами.

Известен анализатор спектра в реальном времени С4-47 (С4-50) (серийно не выпускались), предназначенный для наблюдения и измерения спектров радиосигналов в реальном времени в диапазоне СВЧ, в том числе для анализа спектров импульсных кодированных сигналов и оценки изменения спектров во времени в координатах частота — амплитуда — время.

Анализатор спектра С4-47 выполнен на промежуточную частоту 160 МГц и подключается к выходу СВЧ преобразователя прибора С4-27. В СВЧ преобразователе осуществляется преобразование анализируемого сигнала СВЧ в сигнал промежуточной частоты 160 МГц с использованием гармоник гетеродинов, которые работают на частотах 170-700 МГц и 2-4 ГГц. Для повышения чувствительности при измерениях анализатором спектра С4-47 можно также использовать СВЧ преобразователи, работающие на первой гармонике гетеродина, например блоки СВЧ от анализаторов спектра СК4-61-СК4-67.

Прибор С4-47 построен по схеме супергетеродинного приемника с двукратным преобразованием частоты. Структурная схема прибора С4-47 приведена на рис. 14.15.

Анализируемый сигнал, преобразованный на частоту 160 МГц, подается через полосовой фильтр на смеситель 1 анализатора. Центральная частота УПЧ1 равна 60 МГц. В режиме анализа спектров радиоимпульсов полоса частот УПЧ1 составляет 10 МГц, в режиме анализа спектров непрерывных сигналов 3 МГц. С выхода УПЧ1 сигнал поступает на анализирующую ступень прибора, которая состоит из смесителя 2, ЧМ генератора, УПЧ2 и ДЛЗ, с помощью которой осуществляется разложение сигнала в спектр. В режиме анализа спектров радиоимпульсов запуск ЧМ генератора осуществляется сигналом с детектора, включенного на выход УПЧ2, либо импульсным внешним сигналом; в режиме анализа спектров непрерывных сигналов — периодическими синхроимпульсами, поступающими от блока управления. В этом режиме измерений можно реализовать весовую обработку сигнала по косинусоидальному закону.

С выхода ДЛЗ отклики, определяющие спектральные составляющие анализируемых импульсов или выборок непрерывного сигнала, через отсчетный аттенюатор и УВО подают на ЭЛТ. Для наблюдения спектра в анализаторе используют калиброванную развертку, что позволяет отсчитывать частотные интервалы в спектре непосредственно по масштабной сетке на экране ЭЛТ.

Анализатор спектра позволяет выполнить анализ спектров радиоимпульсов из кодовых пачек путем стробирования сигнала в УПЧ1. Для этого используют генератор стробимпульсов, который запускается внешним видеоимпульсом, предшествующим кодовой пачке.

Анализатор спектра позволяет наблюдать спектр в координатах частота — время — амплитуда и частота — время. В первом случае в анализаторе осуществляется дополнительная «медленная» развертка луча по вертикали и горизонтали. При этом спектрограммы соседних выборок сигнала или последовательно проходящих на вход радиоимпульсов сдвигаются на экране по вертикали и горизонтали, что в сочетании с детектированием откликов, поступающих с выхода ДЛЗ, создает имитацию временного рельефа спектра на экране. Напряжение медленной развертки (развертки оси времени) складывается соответственно с огибающими выходных откликов и напряжением развертки спектрограмм.

Если УВО отключается, а огибающие откликов ДЛЗ подаются на модулятор ЭЛТ, на экране анализатора индицируется только зависимость частоты от времени.

С помощью анализатора спектра С4-47 (С4-50) можно:

· наблюдать и измерять частоту спектральных составляющих радиоимпульсов и форму их спектра, в том числе следующих с весьма малой частотой повторения. Так как прибор определяет спектр каждого радиоимпульса, поступающего на его вход, то при фотографировании с экрана анализатора можно наблюдать спектры одиночных радиоимпульсов;

· оценивать изменение спектров от импульса к импульсу в координатах частота — амплитуда — время и частота — время как с внешним, так и с внутренним запуском развертки оси времени;

· наблюдать и измерять спектры кодированных импульсных сигналов, измерять спектры радиоимпульсов, заранее выбранных с помощью системы стробирования из кодовой пачки, оценивать изменение (в координатах частота — время — амплитуда) спектров от импульса к импульсу в пачке, а также взаимную когерентность импульсов в пачке при малых сдвигах во времени между ними;

· оценивать взаимную когерентность радиоимпульсов в двух одновременно подаваемых на вход анализатора последовательностях;

· определять частоту радиоимпульсов, оценивать уходы частоты и амплитуды от импульса к импульсу, в том числе определять закон изменения этих уходов во времени;

· измерять и наблюдать спектры непрерывных сигналов в реальном масштабе времени, определять закон уходов частоты во времени, отношение амплитуд различных частотных компонентов сложного сигнала и соответствующие частотные интервалы;

· определять девиацию частоты и закон частотной модуляции ЧМ сигнала при девиации 0,4 — 3 МГц и частотах повторения до 1 кГц;

· исследовать среду с быстро изменяющимся во времени коэффициентом передачи, зондируя ее радиоимпульсами с известными спектрами; таким путем, в частности, возможно изучение нестационарной плазмы, ионосферы и пр.