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.