Фильтровые анализаторы спектра
Принцип действия анализатора спектра параллельного (одновременного) действия поясняется рисунком.
Рис. 12. 1 Структурная схема анализатора спектра параллельного типа.
В состав анализатора входят следующие основные элементы: · аттенюатор, предназначенный для согласования входного сопротивления анализатора с выходным сопротивлением источника сигнала и измерения уровня входного сигнала; · полосовые фильтры с полосой пропускания, соответствующей определенному участку спектра исследуемого сигнала; · детекторы, предназначенные для получения огибающего сигнала на выходах соответствующих полосовых фильтров; · индикатор для отображения спектра исследуемого сигнала. Такие анализаторы могут измерять спектры любых сигналов за короткое время, но из-за большого числа фильтров сложны при реализации и обладают большими габаритными размерами. Принцип работы анализатора спектра последовательного типа с перестраиваемым фильтром состоит в выделении отдельных составляющих спектра исследуемого сигнала с помощью одного полосового фильтра путем перестройки его резонансной частоты. Основными элементами такого прибора являются аттенюатор, перестраиваемый полосовой фильтр, детектор, индикатор, генератор линейно изменяющегося напряжения.
Рис. 12.1. Структурная схема анализатора с перестраиваемым фильтром.
В данной схеме закономерность изменения резонансной частоты полосового фильтра и напряжение развертки индикатора определяется одним устройством – ГЛИН, что обеспечивает своевременный вывод амплитуды соответствующей гармоники на горизонтальную линию индикатора. 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. В анализаторах спектра с перестраиваемым полосовым фильтром снимается конструктивная избыточность, присущая анализаторам параллельного типа. Однако перестройка резонансной частоты полосового фильтра приводит к изменению его добротности, что в свою очередь приводит к изменению амплитуды отклика и полосы пропускания. Этот недостаток устраняется в гетеродинных системах с не перестраиваемым полосовым фильтром. Принцип действия гетеродинного анализатора спектра последовательного типа состоит в выделении отдельных составляющих спектра таким образом, что в полосу пропускания полосового не перестраиваемого фильтра по очереди попадают спектральные составляющие с различными частотами. Это достигается введением в схему анализатора управляемого гетеродина, смесителя и усилителя промежуточной частоты. Кроме того, в состав схемы входят аттенюатор, ГЛИН, детектор, индикатор и калибратор, состоящий из генератора и модулятора.
Рис. 12.2 Структурная схема гетеродинного анализатора спектра.
Сигнал с аттенюатора поступает на смеситель и одновременно с ним на смеситель поступает сигнал с генератора качающейся частоты (гетеродина), частота которого изменяется во времени по линейному закону. Гетеродин настраивается таким образом, чтобы его средняя частота была близка к несущей частоте исследуемого сигнала. Линейная генерация по частоте осуществляется с помощью специального генератора пилообразного напряжения. Это напряжение поступает также в канал горизонтального отклонения индикатора, т.е. перестройка частоты гетеродина синхронизирована с движением пятна на экране ЭЛТ. Преобразованный сигнал с выхода смесителя усиливается в УПЧ. После детектирования выделенный сигнал поступает на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ, что позволяет представить горизонтальную ось ЭЛТ в частотном масштабе. Чем больше амплитуда выделенного в УПЧ сигнала (гармоники), тем больше отклонение луча в вертикальном направлении. Высота изображения линии на экране будет пропорциональна среднему значению мощности соответствующего участка спектра в полосе частот, пропускаемых УПЧ. Данная схема анализатора представляет, по сути, комбинацию супергетеродинного приемника и электронного осциллографа. Супергетеродинный приемник при этом выполняет функции узкополосного автоматического перестраиваемого фильтра. Перестройка осуществляется за счет изменения частоты гетеродина, что эквивалентно перемещению спектра исследуемого сигнала по шкале частот относительно средней частоты настройки узкополосного фильтра. Благодаря синхронной работе гетеродина и разверток осциллографа на экране ЭЛТ можно наблюдать амплитудно-частотный спектр исследуемого сигнала. При работе с данными приборами необходимо иметь в виду и учитывать наличие динамической составляющей погрешности. Если время переходного процесса в фильтре соизмеримо с временем изменения частоты колебаний на его входе в диапазоне, соответствующем полосе пропускания фильтра, то разрешающая способность анализатора будет ухудшаться и возникнут искажения изображения спектра. Для определения некоторых параметров спектра в анализаторе обычно предусматривают калибратор. Цифровые анализаторы спектра (ЦАС). В настоящее время широко распространены цифровые методы анализа спектра, основой которых является преобразование исследуемого сигнала в цифровой код и вычисление составляющих спектра с помощью ЭВМ. Цифровой анализатор со сжатием сигнала во временной области. В таких приборах при небольшом времени анализа за счет искусственного расширения спектра исследуемого сигнала удается обеспечить высокую разрешающую способность. Расширение спектра при этом реализуется в цифровой форме. Суть положительного эффекта такого устройства можно пояснить на основе того, что если искусственно в n раз расширить спектр сигнала и во столько же раз увеличить полосу пропускания, то продолжительность анализа сократится во столько же раз при неизменной разрешающей способности. Принцип действия блока сжатия информации строится на предварительном преобразовании сигнала, поступающего на его вход. Из анализируемого сигнала берутся выборки мгновенных значений с частотой, определяемой теоремой Котельникова. С помощью АЦП они преобразуются в цифровой код и последовательно записываются в ЗУ. Записанный в ЗУ блок информации считывается, но со скоростью, значительно превышающей скорость записи (в десятки тысяч раз). Затем считанная информация преобразуется в аналоговую форму. Таким образом, получается сжатая во времени копия сигнала, которая может быть получена анализатором последовательного типа. Спектр сжатой копии и полоса пропускания анализирующего фильтра расширяются. Однако время анализа уменьшается во столько раз, во сколько длительность сжатой копии меньше длительности сигнала, записанного в ЗУ. Анализаторы на цифровых фильтрах. Цифровые фильтры (ЦФ) выполняют операцию частотной фильтрации и позволяют получать при наличии управляющих воздействий различные АЧХ и ФЧХ, обеспечивая высокую стабильность параметров ЦФ, не нуждаются в подстройке.
Рис. 12.3 Блок сжатия во временной области.
Рис. 12.4 Структурная схема анализатора спектра на цифровых фильтрах.
ЦФ могут быть реализованы как аппаратными, так и программными средствами. Процедура фильтрации в ЦФ представляет собой определенный алгоритм обработки входного сигнала, в результате чего на выходе фильтра появляются новые цифровые коды, соответствующие результатам фильтрации. Передаточная функция ЦФ может быть представлена в виде дискретного преобразования Лапласа. Коэффициенты передаточной функции определяют характеристики фильтра, для изменения которых достаточно задать другие значения некоторым коэффициентам, т е. занести в ячейки памяти новые числа. Таким образом, результат фильтрации определяется формой анализируемого сигнала и параметрами АЧХ фильтра, зависящими от значений коэффициентов реализуемой передаточной функции фильтра. Упрощенная схема анализатора спектра на цифровых фильтрах представлена на рисунке.
Рис. 12.5 Структурная схема анализатора спектра на основе БПФ.
Входной сигнал преобразуется в последовательность кодов, соответствующих числовым значениям сигнала в моменты выборки. Совокупность кодов с выхода ЦФ поступает на цифровой детектор, где рассчитывается среднеквадратическое значение напряжения. После усреднения данных спектр сигнала отображается на экране анализатора в виде спектральных полос. |
5989
5727