В диапазоне СВЧ наблюдение формы сигнала (зависимости его во времени) не позволяет получить полную информацию о нем. Так, осциллограмма радиосигнала с частотной модуляцией практически мало отличим от синусоидального сигнала, наличие в составе сигнала дополнительных гармонических составляющих маскируется большой величиной гармоники несущей частоты и пр. Анализ спектральных характеристик радиосигналов в диапазоне СВЧ более информативен и позволяет измерить его мощность, частоту, коэффициент модуляции и пр. Практически анализатор спектра в СВЧ диапазоне является таким же универсальным прибором для исследования радиосигналов, каким на низких частотах является осциллограф.
Напомним спектральные характеристики радиосигнала. Для сигнала u (t) вводят спектральную функцию (или спектральную плотность), определяемую прямым преобразованием Фурье.
Эта функция комплексная, имеет размерность В/Гц и представляет распределение амплитуд и фаз гармонических составляющих по частотной оси. Спектральная функция существует при абсолютной интегрируемости функции сигнала. Для реальных сигналов это условие обычно всегда выполняется.
Спектральная функция- это функционал уже закончившегося процесса (интеграл берется до "бесконечного" времени). В реальных условиях измерять можно только текущий частотный спектр
характеризующий незаконченный процесс. Чаще измеряют модуль этого выражения - его называют амплитудной спектральной функцией или амплитудным спектром сигнала. Фазу измерить сложнее, поэтому в стандартных измерительных задачах этого не делают.
Для периодических бесконечных сигналов спектральная функция представляет собой последовательность дельта-функций, смещенных друг относительно друга на частоту повторения сигнала. Для этого случая используют спектральное представление в виде ряда Фурье:
где T - период повторения сигнала (u (t ± kT) = u (t), k = 0,1,2,3).
Ряд Фурье представляет собой совокупность гармонических колебаний с кратными частотами. Составляющая с нулевой частотой U0 является постоянной составляющей сигнала. Последовательности амплитуд Un и начальных фаз φn гармоник представляют собой амплитудный и фазовый спектры периодических сигналов.
Особый класс сигналов, который исследуется в спектральном представлении - это шумовые и случайные сигналы. Важной характеристикой шумового сигнала является его спектральная плотность мощности:
Здесь S (w,T) - спектральная плотность реализации случайного процесса на интервале [-T/2,T/2]. Размерность спектральной плотности мощности [В2·с] совпадает с размерностью энергии сигнала, поэтому иногда говорят об энергетическом спектре случайного сигнала. Фактически это характеристика распределения мощности случайного сигнала по частоте.
Сформулируем измерительные задачи спектрального анализа сигналов СВЧ. Это определение амплитуд и частот гармонических составляющих периодических сигналов, измерение амплитудной спектральной функции непериодических сигналов и спектральной плотности мощности случайных сигналов.
Стандартные анализаторы спектра СВЧ диапазона строятся преимущественно по принципу последовательного анализа. Спектральные составляющие выделяют узкополосным фильтром. Фактически такой прибор является узкополосным селективным вольтметром с супергетеродинным принципом перестройки по частоте. Используют электронную перестройку частоты и панорамный принцип индикации результата. На выходе фильтра ставят измеритель уровня (квадратичный детектор). Результат измерения подают на отсчетное устройство - осциллографический индикатор.
Структурная схема прибора с последовательным методом анализа представлена на рисунке 8.
Рисунок.8 - Структурная схема анализатора спектра последовательного типа.
Она напоминает схему измерителя АЧХ (анализатора цепей СВЧ). Управление перестройкой частоты гетеродина производится генератором пилообразного напряжения uупр (t). Он задает время анализа Ta, то есть время, за которое анализатор сканирует заданный диапазон частот спектра (полосу анализа Δfа). Этим же напряжением производят горизонтальное отклонение луча осциллографического индикатора. Гетеродин является генератором качающейся частоты (ГКЧ) с постоянной амплитудой и меняющейся по линейному закону частотой
Сигнал с ГКЧ поступает на смеситель. Предположим, что на вход анализатора подан синусоидальный сигнал с частотой fс. Тогда на выходе смесителя возникают колебания с комбинационными частотами, в том числе с разностной частотой fс - fг (t). Сигнал с разностной (и меняющейся во времени) частотой подают на вход узкополосного УПЧ, который и производит процедуру частотного анализа спектра. Закон изменения частоты от времени показан на графике, где для наглядности ось времени повернута вниз.
Рисунок 9 - Принцип действия последовательного анализатора спектра.
В момент t0, когда выполняется c г ПЧ f - f (t) = f 0, на выходе УПЧ появляется радиоимпульс. Его огибающая повторяет форму АЧХ фильтра УПЧ. Детектор выделяет напряжение (видеоимпульс), повторяющее его огибающую. Этот сигнал поступает на осциллографический индикатор. При наличии в составе спектра сигнала нескольких гармоник, процесс формирования видеоимпульса происходит аналогично, но в разные моменты времени. Совокупность откликов спектроанализатора на каждую гармоническую составляющую входного сигнала называют спектрограммой. Величины откликов пропорциональны амплитудам входных гармоник, расположение откликов на оси Х соответствует частотам гармонических составляющих входного сигнала.
Полученная спектрограмма напоминает часто используемое графическое изображение амплитудного спектра периодического сигнала в виде вертикальных линий, длина которых равна амплитуде соответствующих гармонических составляющих сигнала.
При широкой полосе анализа и узкой полосе пропускания требуемое время анализа может достигать десятков секунд. Поэтому в анализаторах спектра применяют запоминающие осциллографические трубки. Полоса пропускания УПЧ делается регулируемой, что позволяет подобрать оптимальное соотношение между временем анализа и формой отклика спектроанализатора.
Одно из условий неискаженной спектрограммы - неизменность спектра сигнала за время анализа. Иными словами, в процессе сканирования спектр сигнала не должен меняться - это соответствует условию, когда период сигнала T<<Tа. В каждой частотной точке сигнал должен рассматриваться как периодический. В противном случае возникают искажения спектрограммы.
Искажают спектрограмму и помехи, которые попадают на выход анализатора по зеркальному каналу. Напомним, что для супергетеродинного способа преобразования частоты характерно наличие паразитного зеркального канала прохождения сигнала. Кроме полезного сигнала с разностной частотой fс - fг (t) = fУПЧ, в полосу пропускания УПЧ попадает сигнал с частотой, ниже частоты гетеродина на значение промежуточной частоты fг (t) - fс = fУПЧ. Этот канал называют "зеркальным"; гармоника, попадающая на эту частоту, будет преобразована и создаст паразитный отклик, накладывающийся на полезный. Возникнет искажение спектрограммы. Для исключения паразитных сигналов необходимо осуществлять фильтрацию сигнала на входе анализатора.
Основные параметры последовательных спектроанализаторов:
Рабочий диапазон частот - это тот частотный диапазон, в котором работает данный прибор. Рабочий диапазон может быть разбит на поддиапазоны.
Полоса анализа - это диапазон частот, в котором производится обзор спектра сигнала за один ход развертки. Может регулироваться от максимальной полосы до нуля. В последнем случае спектроанализатор превращается в измерительный приемник с ручной перестройкой частоты.
Время анализа Та - это время обзора рабочей полосы частот. Регулируется в широких пределах и для последовательных спектроанализаторов может достигать десятков секунд. Предусматривают и ручной режим перестройки по частоте - его используют при узких полосах УПЧ в режиме запоминания изображения.
Разрешающая способность - минимальная разность частот двух спектральных составляющих, при которых они фиксируются раздельно и могут быть измерены. Количественно задается разностью частот двух гармонических составляющих, которые на экране создают спектрограмму сливающихся на уровне 0,5 откликов. Отметим, что разрешающая способность впрямую не определяет точность измерения амплитуд и частот гармоник- она показывает возможность визуально различить отклики от гармонических составляющих.
Различают статическую и динамическую разрешающие способности. Статическая определяется шириной полосы пропускания УПЧ.
Динамическая разрешающая способность определяется степенью расширения отклика из-за динамических искажений в фильтре. Так, при коэффициенте динамических искажений μ=10 разрешающая способность ухудшается (увеличивается) более чем в 3 раза. Поэтому при исследовании сигналов с близкими гармониками используют увеличение времени анализа при минимально возможной полосе пропускания УПЧ.
Чувствительность - это минимальный уровень входного синусоидального сигнала, который может быть измерен на экране спектроанализатора с заданной точностью. Она ограничена, как правило, внутренними шумами прибора. Количественно она оценивается как минимальное значение синусоидального сигнала, при котором его отклик превышает уровень шумов на экране прибора в заданное число раз (например, на 20 дБ). Иногда в паспорте прибора указывают уровень собственных шумов прибора, который позволяет оценить чувствительность по любому отношению сигнал/шум.
Максимальный уровень входного сигнала определяется уровнем допустимых искажений исследуемого спектра при воздействии сигнала на входные активные блоки прибора. При перегрузках большим сигналом в спектрограмме могут появляться дополнительные паразитные составляющие, а амплитуды существующих могут измениться.
Динамический диапазон - это соотношение максимального и минимального уровней гармоник, при котором искажения спектра пренебрежимо малы. Не следует путать это понятие с диапазоном измеряемых амплитуд сигнала, который при наличии входного аттенюатора может быть шире, чем динамический диапазон. Наличие в реальных сигналах больших и малых уровней гармоник предъявляет жесткие требования к динамическому диапазону. Как правило, он определяется нелинейностью входных блоков спектроанализатора (смесителя, усилителя и пр). Современные спектроанализаторы имеют широкий динамический диапазон (90 - 120 дБ)
Амплитудно-частотная характеристика - это зависимость измеренной амплитуды гармоники при изменении ее частоты в пределах полосы обзора и постоянной амплитуде на входе. Она определяет систематические погрешности при измерении спектров в широком диапазоне частот.
Метрологические параметры - это погрешность измерения уровня гармоник ΔU и погрешность измерения частоты гармоники Δf. Погрешность измерения амплитуды включает погрешность калибровки на фиксированной частоте и погрешность неравномерности собственной АЧХ, погрешность калиброванного аттенюатора и пр. Погрешность измерения частоты определяется точностью калибровки шкалы.
Анализатор спектра С4-27 предназначен для исследования спектров периодически повторяющихся радиоимпульсов и непрерывных сигналов.
С его помощью можно проводить следующие виды измерений:
Определение уровня и частоты гармонических сигналов;
Наличие паразитных амплитудной и частотной модуляции;
Определение соотношения гармонических составляющих в спектрах сигналов сложной формы;
Для импульсных сигналов: измерение частоты несущей и ширины лепестков спектра, оценку длительности импульса и искажения его формы по виду спектра.
Прибор обеспечивает следующие технические и метрологические параметры:
Частотный диапазон прибора 10 МГц…39,6 ГГц с разбивкой на 5 поддиапазонов;
Полоса обзора регулируется в пределах 0,1 - 5 МГц и 2-80 МГц;
Полоса пропускания УПЧ регулируется в пределах 3-70; имеется две фиксированные полосы 1 кГц и 300 кГц;
Динамический диапазон (по уровню интермодуляционных искажений) 50 дБ;
Чувствительность, измеряемая по синусоидальному сигналу 2 ГГц при максимальной полосе УПЧ не хуже 10 - 3 мкВт.
Погрешность установки частоты ± (2.10 - 2 f + 1), МГц.
Погрешность отсчета уровня по сетке 10%.
Входное сопротивление коаксиального входа 50 Ом (разъем 7/3), волноводные входы 16 х 8, 11 х 5,5 и 7,2 х 3,4 мм.
Анализатор спектра С4-27 представляет собой супергетеродинный приемник с тройным преобразованием частоты и электронной перестройкой в пределах установленной полосы обзора. Он состоит из двух блоков СВЧ - СВЧ преобразователь и анализатор спектра на промежуточной частоте 160 МГц. Упрощенная структурная схема преобразователя СВЧ представлена на рисунке 10.
Рисунок 10 - Структурная схема СВЧ преобразователя прибора С4-27
Он представляет собой пятидиапазонный преобразователь, в котором производится перенос спектра исследуемого сигнала на частоты диапазона (160±40З) МГц. Используется первая, вторая и третья гармоники триодного гетеродина, перекрывающего диапазон частот 0,01 - 1, 9 ГГЦ. На частотах 1,9 - 39,6 ГГц используются первая, вторая, четвертая и десятая гармоники клистронного гетеродина. Частота входного сигнала грубо оценивается по шкале гетеродина.
Особенностью СВЧ преобразователя является отсутствие дополнительной селекции входного сигнала. Это не позволяет подавлять паразитные каналы приема (зеркальный и побочные), что проявляется в виде ложных отметок сигнала на экране анализатора.
Анализатор спектра сигнала ПЧ (рисунок 11) представляет собой приемник на частоту 160 МГц.
Рисунок 11 - Блок анализатора ПЧ прибора С4-27.
Первое преобразование переносит исследуемый спектр на частоту 75,16 МГц. После фильтрации и усиления сигнал попадает на второй смеситель с фиксированной частотой гетеродина. Частота третьей ПЧ 8,16 МГц. На этой частоте производится окончательное усиление сигнала и узкополосная фильтрация, определяющая форму отклика на экране. Амплитуда отклика пропорциональна уровню гармоники на входе прибора. Ширина отклика связана с шириной полосы пропускания УПЧ, который содержит плавно перестраиваемый LC-фильтр, а также два кварцевых фильтра с полосами 1 и 300 кГц.
После детектирования огибающая выходного сигнала УПЧ подается на канал вертикального отклонения осциллографического индикатора. Развертка изображения осуществляется пилообразным напряжением, управляющим напряжением первого гетеродина блока ПЧ.
Для проведения частотных измерений предусмотрен калибратор. Он представляет собой генератор радиосигнала частотой 160 МГц, модулированного синусоидой с частотой 0.1, 1 или 10 МГц. Это сигнал подается на вход анализатора, и на экране появляется его спектр. Расстояние между откликами соответствует образцовой частоте сигнала модуляции. Такой спектр представляет собой частотные метки, которые позволяют откалибровать ось частот анализатора спектра.
Для калибровки оси амплитуд подают гармонический сигнал от внешнего генератора с известной амплитудой.
1. Измерения в электронике. Справочник / Под ред. В.А. Кузнецова. - Москва.: Энергоатомиздат, 1987. - 512 с.
2. А.М. Меерсон, Радиоизмерительная техника, Ленинград, "Энергия", Ленинградское отделение.
Страницы: 1, 2, 3, 4
