Хотя мы определили анализ спектра и векторный анализ сигнала как отдельные виды измерений, цифровые технологии и цифровая обработка сигналов делают это различие весьма размытым. Здесь критичным является то, на каком этапе сигнал был оцифрован. Раньше, когда цифровые преобразователи были ограничены десятками килогерц, оцифровывался только видео-сигнал анализаторов спектра. Поскольку видео-сигнал не нес никакой информации о фазе, на дисплей выводились только данные об амплитуде. Но даже такое ограниченное использование цифровой технологии давало значительные преимущества: немерцающий дисплей медленных разверток, экранные маркеры, различные виды усреднений, а также вывод данных на компьютеры и принтеры.
Поскольку сигналы, которые требуется измерять, со временем становятся все более и более сложными, последние поколения анализаторов спектра обладают многими возможностями векторного анализа, которые ранее были присущи только БПФ-машинам и векторным анализаторам сигнала. Анализатор спектра может оцифровать сигнал практически непосредственно на входе, либо после некоторого усиления, либо после одной или нескольких ступеней понижающих преобразований. В любом из этих случаев сохраняются относительная фаза и амплитуда. Вдобавок к вышеперечисленным преимуществам, можно провести и истинные векторные измерения. Так что возможности инструмента определяются возможностями цифровой обработки сигнала, присущей непосредственно прибору или дополнительному программному обеспечению, работающему в составе прибора или на компьютере, подсоединенном к анализатору извне. На Рис. 1-7 показан пример такой способности. Обратите внимание, что символы квадратурной фазовой манипуляции отображаются как кластеры, а не как точки, что показывает погрешности в модуляции измеряемого сигнала.

Мы надеемся, что данная книга даст вам все необходимые знания для использования вашей конкретной модели анализатора спектра, и позволит вам полностью раскрыть все возможности этого многостороннего инструмента.



Глава 2

Основные принципы работы анализатора спектра

В этой главе мы сфокусируемся на теоретических основаниях работы анализатора спектра. И хотя современные технологии позволяют заменить множество аналоговых цепей современными цифровыми их воплощениями, весьма полезно будет изучить архитектуру классического анализатора спектра и использовать ее как отправную точку дальнейших обсуждений. Позже мы еще рассмотрим возможности и плюсы спектрального анализа при наличии цифровых компонент. В Главе 3 будут рассмотрены цифровые архитектуры современных анализаторов спектра.

Рис. 2-1 представляет собою упрощенную блок-схему супергетеродинного анализатора спектра. «Гетеродинировать» - означает смешивать, то есть переносить частоту, а «супер» относится к супераудио-частотам или частотам выше звукового диапазона*. Исходя из блок-схемы на Рис. 2-1, видно, что входной сигнал проходит через аттенюатор, а затем через фильтр нижних частот (позже мы поймем, зачем здесь фильтр) на смеситель, где он смешивается с сигналом от гетеродина (локального осциллятора, LO). Поскольку смеситель – нелинейный элемент, на его выходе будут не только два первоначальных сигнала, но и их гармоники, а также суммы и разности первоначальных частот и их гармоник. Если какой-то из продуктов смешения попадает в полосу фильтра промежуточной частоты (ПЧ), то далее он обрабатывается (усиливается и, возможно, сжимается по логарифмической шкале). Он существенно сглаживается детектором огибающей, оцифровывается и выводится на дисплей. Генератор пилообразного напряжения создает горизонтальное движение по дисплею слева направо, а также перестраивает гетеродин таким образом, что его частота изменяется пропорционально напряжению «пилы».
Если вы знакомы с супергетеродинными АМ-приемниками - теми, что принимают обычные сигналы радиовещания, - вы заметите сильное сходство между ними и блок-схемой на Рис. 2-1. Разница только в том, что сигнал с выхода спектроанализатора подается на дисплей, а не на динамик, и что гетеродин перестраивается электронно, а не вручную.
Раз выходной сигнал анализатора спектра – это кривая в X-Y-плоскости дисплея, давайте посмотрим, какую информацию мы можем из нее получить. Дисплей разграфлен масштабной сеткой на 10 главных горизонтальных полос и, обычно, на 10 главных вертикальных полос. Горизонтальная ось калибруется по частоте, которая увеличивается линейно слева направо. Установка частоты обычно двухэтапный процесс. Сначала мы подгоняем частоту центральной линии масштабной сетки с помощью блока управления центральной частоты. Затем мы подгоняем обзор, приходящийся на все 10 горизонтальных полос, с помощью блока управления полосой обзора. Эти блоки управления независимы, так что если мы меняем центральную частоту, полоса обзора не меняется. Как вариант, мы можем устанавливать начальную и конечную частоты вместо установки центральной частоты и полосы обзора. В любом случае, мы можем определять абсолютную частоту любого сигнала, отображенного на дисплее, и частотную разность двух любых сигналов.
Вертикальная ось калибруется по амплитуде. Обычно предлагается выбор между линейной шкалой, калиброванной в вольтах, и логарифмической шкалой, калиброванной в децибелах. Логарифмическая шкала используется намного чаще, чем линейная, так как позволяет отображать намного больший динамический диапазон. Логарифмическая шкала позволяет одновременно отображать сигналы с перепадом в 70 – 100 дБ (отношения напряжений 3100 – 100000, отношения мощностей 10⁷ – 10¹⁰). С другой стороны, линейную шкалу можно использовать для сигналов, отличающихся не более чем на 20 – 30 дБ (отношение напряжений 10 – 32). В любом случае, мы задаем верхнюю линию калибровочной сетки, уровень отсчета, опорный уровень, абсолютную величину с точностью до калибровки¹ и используем цену деления горизонтальной полосы, чтобы найти величину другого значения по вертикали. Так мы можем измерить как абсолютную величину сигнала, так и разность амплитуд двух сигналов.
Калибровка шкал по частоте и амплитуде показывается в виде аннотационной надписи на дисплее. На Рис. 2-2 показан дисплей типичного анализатора спектра. А теперь снова обратим внимание на Рис. 2-1.

Радиочастотный аттенюатор
Первым элементом нашего анализатора является входной радиочастотный аттенюатор. Его назначение – обеспечить подачу на смеситель сигнала приемлемого уровня, дабы избежать перегрузки, компрессии усиления и искажений. Поскольку ослабление – это защитная цепь анализатора, обычно оно устанавливается автоматически, в зависимости от опорного уровня. Однако ручная установка ослабления также доступна – с шагом 10, 5, 2 и даже 1 дБ. На изображенной ниже схеме показан пример цепи аттенюатора с максимальным ослаблением 70 дБ и шагом 2 дБ. Блокирующий конденсатор используется для предотвращения повреждения анализатора сигналом постоянного тока или смещением постоянной составляющей сигнала. К сожалению, он заодно ослабляет и низкочастотные сигналы, чем повышает минимальную начальную частоту анализатора до 100 Гц в случае одних анализаторов и до 9 кГц в случае иных.
В некоторых анализаторах сигнал опорной амплитуды может быть подведен так, как показано на Рис. 2-3, обеспечивая сигнал с точной амплитудой и частотой, которым анализатор пользуется для автокалибровки.

Низкочастотный фильтр или преселектор
Низкочастотный фильтр блокирует доступ высокочастотных сигналов в смеситель. Это предотвращает смешение внеполосных сигналов с сигналом гетеродина и дальнейшее появление нежелательных откликов на промежуточной частоте. В микроволновых анализаторах спектра низкочастотный фильтр заменяется преселектором, который является настраиваемым фильтром и отсеивает все частоты кроме тех, которые нам в данный момент нужны. В Главе 7 мы подробнее рассмотрим работу и назначение фильтрации на входе.

Настройка анализатора
Нам нужно знать, как настроить наш анализатор спектра на нужный нам частотный диапазон. Настройка есть функция центральной частоты фильтра ПЧ, частотного диапазона гетеродина, и диапазона частот, которые разрешено подавать на смеситель из внешнего мира (тех, которым разрешено проходить через фильтр нижних частот). Из всех продуктов, поступающих со смесителя, два имеют наибольшую амплитуду и поэтому наиболее желательны: это продукт на частоте разности частот гетеродина и сигнала и продукт на частоте суммы этих частот. Если мы сможем сделать так, чтобы интересующий нас сигнал лежал выше или ниже частоты гетеродина на величину ПЧ, то один из нужных нам продуктов смешения попадет в полосу пропускания фильтра ПЧ, будет продетектирован и создаст амплитудный отклик на дисплее.
Как нам выбрать частоту гетеродина и ПЧ, чтобы создать анализатор с желаемым частотным диапазоном? Предположим, что мы хотим настроить диапазон 0 – 3 ГГц. Какую ПЧ нужно выбрать? Давайте попробуем выбрать 1 ГГц. Поскольку эта частота находится внутри частотного диапазона настройки, мы можем иметь входной сигнал на частоте 1 ГГц. И поскольку выход смесителя также включает исходные входные сигналы, входной сигнал на частоте 1 ГГц должен давать нам постоянный выход смесителя на ПЧ. Таким образом, сигнал 1 ГГц будет проходить сквозь систему, и давать постоянный амплитудный отклик на дисплее, независимо от настройки гетеродина. В результате будет «дыра» в частотном диапазоне, в которой мы не сможем правильно изучать сигналы, поскольку амплитудный отклик будет независим от гетеродина. Поэтому ПЧ 1 ГГц нам не подходит.
Значит, мы должны выбрать вместо такой ПЧ более высокую частоту, к которой мы должны настраиваться. В анализаторах спектра фирмы Agilent, настраиваемых до частоты 3 ГГц, ПЧ выбирается около 3.9 ГГц. Теперь если мы желаем настраиваться от 0 Гц (в действительности от некоторой малой частоты, поскольку мы не можем наблюдать сигнал нулевой частоты из-за архитектуры прибора) до 3 ГГц, в каком диапазоне должен перестраиваться гетеродин? Если он стартует с ПЧ (f_LO - f_F=0) и перестраивается до частоты, большей, чем ПЧ на 3 ГГц, мы можем покрыть диапазон частотой f_LO - f_F. Используя эти рассуждения, можем записать уравнение настройки:

f_SIG = f_LO - f_F ,

где f_SIG – частота сигнала;
f_LO – частота гетеродина;
f_F – ПЧ.

Если мы желаем определить частоту гетеродина, необходимую для настройки анализатора на низкую, среднюю и высокую частоты сигнала (скажем, 1 кГц, 1.5 ГГц, 3 ГГц), мы должны сначала переписать уравнение настройки в терминах f_LO:

f_LO = f_SIG + f_F .

Затем мы должны вставить значения частот сигнала и ПЧ:
f_LO =1 кГц+3.9 ГГц=3.900001 ГГц,
f_LO =1.5 ГГц+3.9 ГГц=5.4 ГГц,
f_LO =3 ГГц+3.9 ГГц=6.9 ГГц.