Давайте вернемся к вопросу о том, как нам отобразить аналоговые показания наиболее правдиво при помощи цифровых технологий. Представим себе ситуацию, изображенную на Рис. 2-17, где у нас на дисплее есть только шум и один-единственный незатухающий волновой сигнал.

Детектирование мгновенного значения
Для первого метода давайте просто изберем в качестве точки данных мгновенный уровень в центре каждого блока (см. Рис. 2-19). Это и будет метод детектирования мгновенного значения. Чтобы наша кривая была непрерывной, создадим систему, которая будет соединять наши точки векторами. Из сравнения Рис. 2-17 и 2-20 очевидно, что картинка у нас получается достаточно правдоподобная. Разумеется, чем больше точек на кривой, тем лучше будет воспроизведение оригинального аналогового сигнала. Количество доступных для отображения точек на дисплее различно для разных анализаторов. На приборах серии ESA и PSA количество точек дисплея для кривых в частотной области может быть установлено от минимальных 101 до максимальных 8192 точек. Как показано на Рис. 2-21, увеличение количества точек, несомненно, приближает нашу картинку к аналоговому оригиналу.

Хотя метод детектирования мгновенного значения хорошо справляется с индикацией случайности шума, в этом режиме неудобно проводить анализ синусоидального сигнала. Если бы мы собрались смотреть 100-МГц гребень при помощи анализатора Agilent ESA E4407B, его полосу обзора можно установить от 0 до 26.5 ГГц. Даже при 1001 доступной точке дисплея, каждая точка тогда будет представлять блок в 26.5 МГц, что гораздо шире полосы максимального разрешения в 5 МГц.

В результате, истинное значение амплитуды гребня будет отображаться только в том случае, если продукт смешения случайно попадает точно в центр ПЧ, когда производится выборка. На Рис. 2-22а показана полоса обзора в 5 ГГц с полосой разрешения 1 МГц, отображаемая в режиме детектирования мгновенного значения. Зубцы гребня должны бы быть относительно одинаковы по амплитуде, как показано на Рис. 2-22б (где используется режим пикового детектирования). Следовательно, мгновенный режим не улавливает все сигналы, и не обязательно отражает истинное пиковое значение отображаемых сигналов. Когда полоса разрешения уже, чем интервал выборки (т.е. ширина блока), то выборочный режим может давать ошибочные результаты.

Пиковое детектирование (положительного максимума)
Одним из способов гарантировать то, что все синусоиды отобразятся со своими реальными амплитудами, является отображение максимальной величины, находящейся в каждом блоке. Это – режим детектирования положительного максимума, или просто пиковый режим. Его результат проиллюстрирован на Рис. 2-22б. Пиковый режим является установленным по умолчанию во многих анализаторах, поскольку он гарантирует, что ни одна синусоида не будет пропущена, вне зависимости от соотношения между полосой разрешения и шириной блока. Однако, в отличие от метода мгновенного значения, пиковый режим не дает хорошего отображения случайного шума, поскольку он выделяет только максимальное значение в каждом блоке и игнорирует истинную случайность шума. Поэтому анализаторы спектра, использующие пиковый режим по умолчанию, обычно предоставляют мгновенный режим в качестве альтернативного.

Детектирование отрицательного максимума
Режим отрицательного максимума отображает минимальное значение из каждого блока. Обычно он присутствует в большинстве анализаторов, хотя и не используется так часто, как другие способы детектирования. Отделение незатухающих сигналов от импульсных при тестах на электромагнитную совместимость – вот одно из применений режима отрицательного максимума. Позже мы еще рассмотрим, как этот режим применяется в процессе идентификации сигналов при использовании внешних смесителей для высокочастотных измерений.

Нормальное детектирование
Для того чтобы отображать случайный шум лучше, чем это делает пиковый режим, и одновременно избегать проблемы с пропущенными сигналами, как в случае с режимом мгновенного значения, во многих анализаторах спектра предлагается режим нормального детектирования, неформально также называемый «розенфелл»⁹. Если сигнал в рамках одного блока и рос, и падал, что было бы продетектировано режимами положительного и отрицательного максимума, то алгоритм классифицирует данный сигнал как шум. В таком случае в нечетной точке отображается максимальное значение, а в четной – минимальное, взятое из соответствующих этим точкам блоков (см. Рис. 2-25). На Рис. 2-23а и 2-23б сравниваются нормальный режим и режим мгновенного значения.¹⁰
Что же будет, если нам попадется синусоидальный сигнал? Мы знаем, что при качании продукта смешения через фильтр ПЧ на дисплее отображается кривая АЧХ этого фильтра. Если эта кривая распространяется на множество точек дисплея, то мы сталкиваемся с ситуацией, когда отображаемый сигнал только растет, пока продукт смешения приближается к центральной частоте, а затем только спадает, когда продукт смешения от центральной частоты удаляется. В любом из этих случаев детекторы положительного и отрицательного максимума обнаружат изменение амплитуды только в одном направлении, и, исходя из алгоритма нормального детектирования, для каждого блока будет отображаться только максимальное значение (см. Рис. 2-24).

Что произойдет, когда полоса разрешения будет узкой относительно ширины блока? Сигнал в рамках блока будет и расти, и спадать. Если блоку случится быть нечетным, то все в порядке. Максимальное значение из этого блока будет построено на экране в качестве следующей точки данных. Однако же, если блок будет четным, то отобразится минимальное значение, взятое из него. В зависимости от соотношения величин полосы пропускания и ширины блока, это минимальное значение может отличаться от истинного пикового значения (того, которое бы мы хотели видеть на дисплее) как незначительно, так и очень сильно. В самом худшем случае, когда ширина блока гораздо больше полосы разрешения, разница между максимумом и минимумом в рамках одного блока будет полной разностью между пиком сигнала и шумом. Это рассмотрено в примере на Рис. 2-25. Взгляните на блок под номером 6. Пиковое значение предыдущего блока всегда сравнивается с таковым из текущего блока. Наибольшее из этих двух значений отображается, если блок – нечетный, как в случае с блоком номер 7. Пик сигнала на самом деле появляется в блоке 6, но не отображается до блока 7.

Алгоритм нормального детектирования:
Если сигнал растет и спадает в рамках блока:
Четные блоки отображают минимум (отрицательный пик). Максимум запоминается. Нечетные блоки отображают максимум PSA (положительный пик), определяемый сравнением пика текущего блока с пиком предыдущего (запомненным). Если сигнал только растет или только спадает в рамках блока, отображается пик. См. Рис. 2-25.

Этот процесс может привести к тому, что максимум на дисплее может быть сдвинут вправо на одну точку, однако этот сдвиг в процентном отношении от всего обзора дисплея – малая величина. Некоторые анализаторы спектра, например, приборы серии PSA от Agilent, компенсируют этот потенциальный эффект сдвигом начальной и конечной частоты гетеродина.

Другой вид ошибки – это отображение двух пиков вместо одного реального. На Рис. 2-26 показано, что происходит в таком случае. Контур двух пиков показан с применением пикового детектирования с более широкой полосой разрешения.

Итак, пиковое детектирование наилучшим образом справляется с отделением незатухающих сигналов от шума. Режим мгновенного значения больше всего пригоден для наблюдения шума, а нормальный режим – для наблюдения сигналов и шума одновременно.

⁹ Розенфелл – это не имя человека, а описание алгоритма, который определяет, рос (rose) и спадал (fell) ли сигнал в рамках одного блока, представленного точкой на дисплее; иногда может встречаться в текстах как «rose’n’fell».
¹⁰ Из-за своей пригодности для измерения шума, детектор мгновенного значения обычно используют в приложениях шумового маркера. Аналогично, измерение мощности канала и мощности смежного канала требует детектор такого типа, который мог бы выдавать результаты, не искаженные пиковым детектированием. Для анализаторов без усредняющих детекторов, детектор мгновенного значения – это наилучший вариант.