Взвешенный мгновенный спектр

АНАЛИЗАТОРЫ СПЕКТРА

Предисловие

Цепи и сигналы – два аспекта передачи и преобразования информации в тракте любого радиотехнического устройства, каждый из них не имеет смысл без другого. Поэтому два главных аппаратных исследования, связанных с этими передачей и преобразованием – анализ цепей и анализ сигналов. Число параметров и характеристик сигналов, интересных для практики и теории, бесконечно. Очевидно, первое (но не единственное! ), с чего нужно начинать анализ сигналов, это спектральный анализ – при характеризации в частотной области, и форма сигнала – при характеризации во временной области.

Фактически спектральный анализ электромагнитных колебаний восходит к 17 веку, когда был открыт спектральный прибор – призма, реагирующий на частоту света, и начало изучаться и использоваться спектральное разложение света призмой. Еще раньше производились генерация и анализ спектральных составляющих звука на базе таких спектральных приборов, как струна, мембрана, воздушный резонатор. Однако переход к осознанному количественному спектральному анализу стал возможен только с работ Ж.-Б.Ж. Фурье, фактически открывшего спектрально-временной дуализм прикладных функций. С появлением радиотехники сразу возникла необходимость анализа сигналов, в частности, спектрального анализа. В качестве спектрального прибора использовался резонатор, в качестве вспомогательных явлений – интерференция и преломление в диспергирующей среде. Из двух принципиальных разновидностей аппаратного спектрального анализа – параллельного и последовательного действия – в универсальных спектроанализаторах выжила вторая, в то время как для специализированных часто используется первая.

Главной особенностью задачи спектрального анализа сигналов СВЧ является чрезвычайное разнообразие структур сигналов, используемых в различных радиоэлектронных приложениях, и разнообразие значений их параметров. Это чрезвычайно усложняет структуру, архитектуру и функциональную вариативность спектроанализатора, имеющего претензии на универсальность. Такие параметры прибора, как ширина обозреваемой частотной области, шаг частотной дискретизации, частотное разрешение, степень видеоусреднения, степень сглаживания измеряемых характеристик и др. должны иметь возможность варьировать при установке в очень широких пределах.

К настоящему времени спектроанализаторы СВЧ стали важнейшим измерительным и индицирующим средством характеризации высокочастотных и сверхвысокочастотных сигналов самой разнообразной структуры. Современный универсальный спектроанализатор ВЧ и СВЧ относится к четвертому поколению радиоизмерительных приборов; позволяет вести автоматическую регистрацию амплитудных (скалярный анализатор) и комплексных (векторный анализатор) спектров панорамно по частоте, вплоть до рабочей полосы 0–110 ГГц; в большой мере управляется и вычислительно обслуживается внутренним или внешним компьютером; использует как минимум тройное преобразование частоты, гетеродины которого построены на высокостабильных синтезаторах частоты; широко использует цифровые технологии, в частности, имеет полностью цифровой тракт, начиная с выхода последнего смесителя; автоматически представляет и сохраняет спектральные характеристики сигналов в различных форматах, масштабах и подробностях; может быть включен в систему метрологического трассирования вплоть до национальных стандартов.

Тем не менее, возможности увеличения эффективности векторных и скалярных спектроанализаторов далеко не исчерпаны. Косвенным свидетельством этому является ежегодное появление на рынке измерительных приборов СВЧ все новых, более совершенных моделей анализаторов ведущих мировых фирм. Можно предположить, что в связке с технологическими прорывами радиотехнического значения и рыночной коньюнктурой основными направлениями развития будут:

1) дальнейшая виртуализация системы, то есть передача выполняемых функций от радиотехнических устройств к компьютерам;

2) совершенствование системы измерительных калибровок;

3) дальнейшая автоматизация цикла измерений, вплоть до почти полного устранения ручных операций;

4) совершенствование системы интерпретации наблюдаемых данных на базе специально разработанной теории интерпретации спектрометрических данных;

5) дистанционное управление работой прибора;

6) расширение возможностей включения прибора в измерительный комплекс без доработки интерфейсов и т.п.

Теоретические предпосылки

Цель аппаратного спектрального анализа

Будем пока для простоты считать сигнал действительной конечной непрерывной функцией времени. Фактически при изложении на названном уровне обычно предполагается (явно или неявно), что сигнал детерминированный (в смысле – не случайный), то есть найденная аппаратно спектральная характеристика интерпретируется как характеристика данного сигнала, а не оценка характеристики некоторой совокупности реализаций (ансамбля) случайного процесса, полученная по одной реализации. Впрочем, предположение о детерминированности сигнала не сужает дальнейших технических возможностей, т.к. названная оценка легко получается из спектральной характеристики детерминированного сигнала.

Итак, в свете сделанных оговорок будем считать, что целью скалярного аппаратного спектрального анализа является получение амплитудного спектра (амплитудной спектральной плотности) сигнала , а целью векторного аппаратного спектрального анализа является получение комплексного спектра (комплексной спектральной плотности) . Здесь комплексный спектр определен как преобразование Фурье (интеграл Фурье) от сигнала:

а амплитудный спектр – как модуль комплексного спектра.

В свою очередь, при определенных условиях (всегда выполняющихся при сделанных предположениях) сигнал как временная функция может быть получен из комплексного спектра (но не амплитудного! ) обратным преобразованием Фурье:

Говорят, что в виде сигнал представлен во временной области, а в виде – в частотной области. Амплитудный спектр суть неполное представление сигнала в частотной области, именно поэтому, зная только его, невозможно восстановить . Это обстоятельство – один из главных стимулов для создания гораздо более сложных векторных спектроанализаторов (иногда – на опциональной основе).

Используя экспоненциальную форму комплексного числа , запишем комплексный спектр в виде

Как видим, комплексный спектр характеризуется двумя функциями: амплитудным спектром и фазовым спектром . Сделаем два замечания.

1) Как и при любом аппаратурном измерении, функции и находятся с ошибками (случайными и систематическими), меры которых сами являются функциями частоты ; то есть на самом деле мы получаем статистические оценки искомых функций. Частотные функции мер ошибок зависят как от специфических свойств спектральных оценок [2.1], так и структуры спектроанализатора и его обработки сигналов. Если первым зависимостям посвящены многочисленные работы (в основном, на общетеоретическом уровне), то исследование вторых представляет обширное поле для деятельности, частично освоенное на частном, утилитарном уровне.

2) Если представление сигнала во временной области получается обратным преобразованием Фурье из (а не непосредственной его записью), то и это представление есть оценка временной функции; временные функции мер ошибок этой оценки связаны непростыми зависимостями с частотными функциями мер ошибок спектральных оценок (плюс ошибки численного расчета обратного преобразования Фурье).

Параллельный и последовательный анализ

Для целей аппаратного спектрального анализа необходим спектральный прибор, реагирующий на частоту колебаний. Поиск рабочих физических эффектов для создания спектральных приборов шел с 17 века, когда было открыто и начало использоваться спектральное разложение света призмой. Тем не менее, и в середине двадцатого века можно было всего лишь констатировать, что «в основе действия спектральных приборов лежит одно из следующих явлений: интерференция, преломление при наличии дисперсии, резонанс» [2.2]. В радиотехнике, в том числе на СВЧ давно победили методы спектрального анализа с помощью резонанса, то есть с использованием резонаторов.

Существует две принципиальные возможности аппаратного спектрального анализа с помощью резонаторов. Первый способ состоит в применении набора резонаторов, настроенных на различные частоты и подвергающихся одновременно воздействию исследуемого колебания; этот способ называется одновременным (параллельным) анализом. Второй способ предполагает применение одного резонатора с переменной настройкой (модификацию этого способа мы рассмотрим ниже); этот способ называется последовательным анализом.

На первый взгляд, параллельный анализ имеет ряд преимуществ перед последовательным. Во-первых, кажется очевидным, что параллельный анализ более быстрый, т.к. скорость перестройки резонатора в последовательном анализе ограничена искажениями, создаваемыми переходными процессами. Во-вторых, последовательный анализ кажется малопригодным при быстро протекающих, быстро изменяющихся, нестационарных процессах. В-третьих, кажутся трудными и малоэффективными процессы калибровки считывания настройки резонатора в каждый момент времени.

Однако, логика технического прогресса в данной области привела к почти полной победе последовательного анализа, по крайней мере, в универсальных спектроанализаторах (правда, после некоторой модификации), оставившего параллельному анализу только исключительные, редкие ситуации: спонтанные, непрогнозируемые, неповторяющиеся СВЧ-«вспышки» и т.п. Решающими факторами этой «победы» оказались гибкость, автоматизируемость и точность анализа.

Упомянутая модификация последовательного анализа состоит в том, что вместо плавной управляемой перестройки резонатора используется управляемый сдвиг спектра самого сигнала во времени. Это стало возможным благодаря применению супергетеродинирования, в результате которого селективные функции отделены от функций перестройки и выполняются на постоянной промежуточной частоте, что обеспечивает возможность прецизионного регулирования параметров частотной селекции (полосы, крутизны среза и т.п.). В технике спектрального анализа супергетеродинный принцип сыграл столь же революционную роль, как и вообще в технике перестраиваемого приема сигналов.

На самом деле, техническое совершенствование как параллельного, так и последовательного анализа не является стратегической целью построения совершенного спектроанализатора будущего, именно потому, что эти методы опосредованы свойствами резонансной системы. Чтобы понять, к чему следует стремиться в аппаратном анализе сигнала, как ни парадоксально, необходимо отказаться от первого же утверждения, с которого мы начали данное изложение: что «… необходим спектральный прибор …». Действительно, как будет показано ниже, спектральный прибор, будь то резонатор или другая система, принципиально вносит свои искажения в получаемый продукт, отличающийся от желаемого спектра сигнала; более того, эти искажения бывает трудно учесть.

Стратегическая цель развития аппаратного анализа спектра должна основываться на непосредственной записи сигнала и выполнении численного преобразования Фурье от него (здесь мы для простоты обсуждения предполагаем детерминированный сигнал; спектральный анализ случайного сигнала будет рассмотрен позже). На языке сегодняшней цифровой техники сказанное означает оцифровку сигнала уже на сверхвысоких частотах и выполнение быстрого преобразования Фурье (БПФ) от него. Достижение этой цели сдерживается лишь недостаточной скоростью АЦП. Например, приняв достаточным период отсчетов в 6 градусов фазы, потребуем 60 отсчетов на периоде синусоиды, что на частоте сигнала требует скорости АЦП 60 отсчетов в секунду (о/с). При частоте =1 ГГц это означает о/с, при частоте 10 ГГц – о/с и т.д. Ясно, что применительно к интересующему нас диапазону СВЧ такие скорости лежат далеко за пределами возможностей современных АЦП. Этот вывод не изменится, если мы ограничимся всего лишь 20 отсчетами на периоде синусоиды. Более того, достижение скоростей в – о/c и более, по-видимому, потребует изменений структурных элементов АЦП на технологическом уровне. В настоящее время оцифровка сигнала (с последующей цифровой обработкой) производится лишь в тракте последней промежуточной частоты, так что предыдущие аналоговые элементы фильтрации вносят свою лепту в искажения получаемой спектральной характеристики.

Текущий спектр

Пусть бесконечный по длительности сигнал воспринимается спектроанализатором по мере поступления и обрабатывается в реальном или почти реальном времени. В этих условиях вычисление прямого преобразования Фурье в бесконечных пределах невозможно по двум причинам: во-первых, сигнал поступает на систему обработки лишь с некоторого конечного момента времени ; во-вторых, он известен (поступал) лишь до текущего момента . Приняв момент за начало отсчета времени, мы констатируем, что в качестве спектральной характеристики сигнала вынуждены взять функцию частоты, задаваемую усеченным интегралом Фурье:

Функция частоты , параметрически зависящая от времени , называется текущим спектром сигнала .

Введение этого понятия учитывает один из важнейших аспектов реального измерения и уточняет цель аппаратного спектрального анализа сигнала: этой целью не может быть получение «истинного» спектра ; максимум, на что можно рассчитывать, это текущий спектр . В связи с этим возникает ряд вопросов: при каких условиях и в каком смысле текущий спектр сходится при к «истинному» спектру ? Какова скорость этой сходимости? Какова оценка ошибки текущего спектра как функции времени? Рассмотрение этих вопросов увело бы нас далеко в сторону от цели данной главы. Рассмотрим лишь простой пример.

Пусть сигнал имеет вид . «Истинный» спектр (см. 3.10 ):

Для удобства перехода к пределу и избавления от мнимой части, текущий спектр вычислим, поместив начало отсчета времени в середине интервала наблюдения сигнала:

Нетрудно найти, что при .

До сих пор предполагался общий случай существования сигнала на всей оси времени (возможно, с убыванием на ). В частном случае сигнал финитен, то есть отличен от нуля на некотором конечном интервале времени . Тогда, если спектроанализатор был готов принимать и обрабатывать сигнал до момента и делал это до момента , текущий спектр к моменту совпал с «истинным» спектром , а дальнейшее измерение его не изменило. Если сигнал финитен, но очень длительный, для выполнения этих условий потребуется отказаться от требования обработки в реальном или почти реальном времени.

Мгновенный спектр

Усеченный мгновенный спектр

Главным недостатком спектральной характеризации сигнала с помощью преобразования Фурье является отсутствие локализации по времени; предоставляемая при этом, в соответствии с соотношением неопределенности «время-частота», бесконечная локализация по частоте не используется по техническим причинам. Отсутствие локализации по времени не позволяет контролировать какие-либо временные изменения спектральной характеристики. Требуются такие спектральные характеристики, которые бы совмещали умеренные локализации по времени и по частоте, тем самым давая промежуточное представление сигнала между временной и частотной областями. Радикальное решение этой задачи – представление сигнала в вейвлетном базисе. Однако и в Фурье-базисе имеются некоторые возможности. Один из вариантов – введение спектральной характеристики, называемой мгновенным спектром.

Частная конструкция мгновенного спектра – функция частоты и времени, определяемая как [2.2]:

то есть это спектр отрезка сигнала длительностью , непосредственно предшествующего моменту наблюдения . Назовем эту конструкцию усеченным мгновенным спектром. По мере течения времени мгновенный спектр получается скользящим интегрированием по перемещающемуся отрезку постоянной длины.

Чтобы лучше понять смысл новой характеристики, выразим ее через текущий спектр:

то есть на каждой частоте мгновенный спектр равен приращению текущего спектра на интервале времени длиной , предшествующем моменту наблюдения . Предполагая, что функция текущего спектра дифференцируема по аргументу , при малых можно это приращение выразить так:

Эту же приближенную формулу можно было получить сразу дифференцированием интеграла по параметру в определении мгновенного спектра.

Кроме пояснения смысла мгновенного спектра, формула дает полезный рецепт для приближенной оценки верхней грани скорости изменения текущего спектра нестационарного сигнала на каждой частоте . Действительно, с одной стороны, из этого равенства следует:

;

с другой стороны, записав комплексный текущий спектр в виде

и дифференцируя по , получаем:

Приравнивая правые части равенств и переходя к модулям, имеем:

и мы получили искомое неравенство:

Вид обычного дисплея СА

В разных моделях СА функции дисплея выполняет или ноутбук, осуществляющий одновременно управление прибором, обработку данных и вычисления, или собственный индикатор, оформленный как отдельный блок или входящий в общий блок прибора. И в том, и другом случае применяется цифровой формат сигнала, выводимого на экран. Такая индикация называется цифровой, а сам дисплей – «цифровым дисплеем». Применение цифровой техники позволяет легко выводить на экран обширную информацию о действующих установках, калибровках, маркерах и т.д., располагая ее на периферии экрана.

До появления и массового применения цифровых дисплеев индикаторы СА прошли долгий путь развития и совершенствования: от чисто аналогового дисплея (как и всего СА) до середины 70-х годов, главной проблемой которого была необходимость применения долгой развертки при узких полосах разрешения, затем – накопительная ЭЛТ с переменным свечением и регулировкой скорости угасания изображения, требующая перенастройки того и другого для каждого нового сеанса, наконец, цифровая индикация, дающая ряд преимуществ. Теперь, как только кривая представлялась в цифровом виде и записывалась в память, она становилась доступной для отображения на дисплее; стало просто обновлять изображение, минуя мерцания, размытость и блеклость. Данные в памяти обновляются со скоростью развертки, а содержимое памяти отображаются на экране без мерцания, поэтому можно следить за этими обновлениями одновременно с тем, как анализатор проходил по установленной полосе обзора частот.

Графическая часть экрана обычно разграфлена масштабной сеткой из горизонтальных и вертикальных линий (обычно по 10 тех и других). По горизонтали откладывается частота в линейном масштабе, с указанием опорного уровня, по вертикали – спектральная плотность мощности (СПМ) в линейном или (чаще) логарифмическом масштабе, с указанием опорного уровня, уровня верхней горизонтальной линии, цены деления, что позволяет непосредственно или, более точно, с помощью маркера определять абсолютную величину СПМ, например, в дБм/Гц. Вообще, с помощью одного маркера обычно можно определять частоту и мощностной уровень заданной точки кривой, а с помощью двух маркеров – частотную и мощностную разность (в децибельной мере) двух точек.

На рис. 2.3.2 показаны отображения на экране типичного дисплея СА. Предварительно сделаны установки ширины частотной развертки (Span), числа частотных дискретов N, полосы фильтра ПЧ (Res BW), полосы видео-фильтра (VBW), опорного уровня мощности (верхняя горизонтальная линия) и т.д. Кривая обнаруженной спектральной линии поставлена оператором в удобное положение по горизонтали в центре экрана (с помощью т.н. блока управления центральной частотой) и выбран удобный масштаб по вертикали, а верхняя точка кривой путем ручной установки опорного уровня (верхней горизонтальной прямой) помещена близко к этому уровню. Вместо интерпретации наблюдаемой кривой в терминах СПМ, можно эквивалентно считать, что кривая показывает некоторую безразмерную функцию (например, в дБ) , в сочетании с указанной мощностью сигнала (например, в дБм).

Радиочастотный аттенюатор

Первый по ходу сигнала существенный элемент схемы на рис. 2.3.1 – радиочастотный управляемый аттенюатор. Его назначение – обеспечить приемлемый (или даже оптимальный) уровень мощности сигнала на входе первого смесителя, избегая перегрузки, сжатия усиления и искажений. Обычно ослабление этого аттенюатора регулируется автоматически при ручной установке опорного уровня мощности во время действия сигнала. Кроме того, возможна ручная шаговая установка ослабления в широких пределах, например, в диапазоне 70 дБ с шагом 1, или 2, или 5 дБ [2.6].

Из не показанных на схеме элементов отметим блокирующий конденсатор на входе сигнала, предотвращающий повреждение СА сигналом (компонентой) ПТ или смещением постоянной составляющей информативного сигнала. Образуя с сопротивлением нагрузки -цепочку, он создает фильтр ВЧ, частотнозависимо ослабляющий низкие частоты, что заставляет выбирать нижнюю частоту диапазона анализа достаточно большой.

Другой не показанный элемент (возможно, опциональный) – специальный прецизионный опорный генератор с фиксированной частотой и амплитудой, подключаемый ко входу СА для более точной автокалибровки. При подключении этого генератора блокирующий конденсатор отключается.

Преселектор

В диапазоне СВЧ недостаточно селекции входных сигналов с помощью ФНЧ, обычного для СА более низких частот и препятствующего попаданию на первый смеситель внеполосных сигналов, преобразующихся в нежелательные отклики на ПЧ; по ряду причин приходится применять перестраиваемый фильтр, называемый преселектором.

Частотный план

Как всегда при разработке приемника с несколькими преобразованиями частоты, выбор промежуточных частот, частот второго и последующих гетеродинов и диапазона перестройки первого гетеродина осуществляется с помощью построения частотного плана, позволяющего избежать ряда «опасностей». В результате выбора, частота сигнала при данной настройке удовлетворяет уравнению

Приведем лишь пример результата выбора [2.6] (рис. 2.3.3) применительно к тройному преобразованию и входному диапазону частот сигналов 0–3 ГГц.

Пример частотного плана при тройном преобразовании частоты и входном диапазоне частот сигналов 0–3 ГГц

Усилитель тракта ПЧ с регулируемым усилением

Следующий существенный элемент, показанный на схеме рис. 2.3.1, – усилитель тракта последней ПЧ с регулируемым коэффициентом усиления. Он используется для подстройки вертикального положения кривой спектра сигнала на дисплее без воздействия на уровень сигнала на первом смесителе. Соответственно этой подстройке меняется опорный уровень мощности (мощность, соответствующая верхней горизонтальной линии), так что отображение СПМ сигнала не нарушается. Чтобы опорный уровень мощности не изменялся при ручной регулировке ослабления входного аттенюатора, последний сопряжен со схемой регулировки усиления обсуждаемого усилителя так, чтобы происходила полная компенсация изменения мощности на выходе тракта последней ПЧ и кривая спектра на дисплее оставалась в том же положении.

Фильтр последней ПЧ

Поскольку фильтр последней ПЧ имеет намного меньшую полосу, чем фильтры остальных ПЧ, именно он является тем спектральным прибором, о необходимости которого для аппаратного спектрального анализа говорилось в 2.1.2. Российский ГОСТ предписывает называть такого рода фильтры селективными анализирующими. Именно полоса и прямоугольность этого фильтра определяют разрешающую способность СА. Если этот фильтр аналоговый, то для повышения разрешающей способности СА, как указывалось выше (см. 2.1.7 ), необходим фильтр высокого порядка, обладающий, при надлежащем конструировании, большой прямоугольностью АЧХ. Прямоугольность АЧХ фильтра обычно оценивается полосовой избирательностью (избирательностью, коэффициентом прямоугольности), определяемой как отношение полос на низком и высоком уровнях АЧХ, например, на уровнях -60 дБ и -3 дБ. Чем меньше это отношение, тем выше избирательность (прямоугольность). Например, аналоговые фильтры, применявшиеся когда-то в СА фирмы Аджилент [2.6], были четвертого порядка (четырехполюсные), выполнены по синхронно настроенной схеме, имели форму АЧХ, близкую к гауссовой, с избирательностью 12.7: 1 по уровням -3, -60 дБ. Еще раньше та же фирма применяла для самых узких устанавливаемых полос фильтры пятого порядка с избирательностью 10: 1 по тем же уровням. Применение цифровых фильтров (для самых узких или для всех устанавливаемых полос) позволяет достичь еще более лучших избирательностей.

Детектор огибающей

Детектор огибающей – стандартный элемент тех приемников, которые извлекают информацию из временного поведения амплитуды сигнала; поэтому он не требует какого-либо обстоятельного рассмотрения. Кратко прокомментируем лишь выбор инерционности аналогового детектора в обстоятельствах спектрального анализа. В своей простейшей форме схема детектора включает диод и RC- цепочку в качестве нагрузки (с учетом паразитных емкостей). Если в полосе фильтра последней ПЧ в данный момент находится одна спектральная компонента стационарного (в смысле неизменности спектра за время частотной развертки) сигнала, то амплитуда сигнала на входе детектора постоянна. Но если эта полоса вмещает две (или более) неразрешенных спектральных компонент, то между ними происходят биения, картина которых (для случая двух компонент) показана на рис. 2.3.4.

Обработка сигналов в СА

До сих пор рассматривалась структура полностью аналогового СА и предполагалась полностью аналоговая обработка сигналов во всех блоках СА. Общая тенденция развития СА – постепенный переход к цифровой схемотехнике и обработке «от конца к началу» СА: сначала в видео-тракте и управлении дисплеем, затем также в части тракта последней ПЧ (например, в отношении самых узкополосных, а затем всех фильтров ПЧ), затем также в отношении всего тракта последней ПЧ и т.д. Как указывалось выше, этот процесс «цифровизации» сдерживается лишь недостаточной скоростью АЦП. В настоящее время большинство моделей СА выполнены в архитектуре с полностью цифровой последней ПЧ. Конечно, цифровая и аналоговая обработки сигналов различаются в ряде отношений, как и характеристики их эффективности. На этом этапе мы лишь кратко отметим эти различия для двух случаев: СА с цифровой обработкой в видео-тракте и в управлении дисплеем, и СА с цифровой обработкой начиная с тракта последней ПЧ. Рассматривать обработку сигнала в полностью аналоговом СА нет смысла: в настоящее время такой СА вряд-ли будет разрабатываться и производиться.

Последовательность преобразований сигнала

а) СА с цифровой обработкой только в видео-тракте и в управлении дисплеем. Глядя на структурную схему рис. 2.3.1, имеем следующую последовательность преобразований:

– подаваемый на входной разъем СА сигнал испытывает ослабление в управляемом входном радиочастотном аттенюаторе, регулируемом автоматически и мануально (в частном случае аттенюатор может находиться в положении нулевого ослабления);

– сигнал фильтруется перестраиваемым фильтром СВЧ, называемым преселектором;

– сигнал проходит несколько преобразований частоты, причем 1-ый гетеродин дискретно по частоте и по времени перестраивается, реализуя эквидистантные сетки времени и частоты; в результате на выходе 1-го смесителя в каждый момент времени присутствует сдвинутая по спектру копия входного сигнала; именно на этапе первого смешения к собственным флуктуациям сигнала прибавляются существенные (в сравнении с шумами входного аттенюатора и преселектора) флуктуации за счет фазовых и амплитудных шумов 1-го гетеродина и схемы управления им, а также шумов 1-го смесителя; для уменьшения первых обычно используется фазовая привязка к высокостабильному опорному генератору (показана на схеме, обычно кварцевый генератор) и схема оптимизации фазовых шумов (см. ниже), для уменьшения вторых необходимо тщательно выбирать режим смесителя; кроме того, «медленные» флуктуации мощности 1-го гетеродина, в зависимости от его конструкции, могут достигать величин, требующих применения автоматической регулировки его мощности (АРМ); каждый тракт от первого до предпоследнего ПЧ как минимум содержит фильтр постоянной настройки;

– после последнего смесителя сдвинутая по спектру (в соответствии с моментом времени) и фильтрованная в предыдущих трактах ПЧ копия сигнала попадает в тракт последней ПЧ, где подвергается регулируемому (в процессе подстройки вертикального положения кривой спектра на дисплее и в процессе ручной регулировки ослабления входного аттенюатора) усилению; ослаблению (возможно, нулевому) в регулируемом аттенюаторе последней ПЧ; фильтрации в фильтре последней ПЧ с устанавливаемой, в широком диапазоне значений, полосой , причем время «стояния» на очередной точке сетки частот находится в обратной зависимости от ; возможно, пропусканию через логарифмический усилитель (для расширения динамического диапазона СА);

– сигнал с выхода тракта последней ПЧ детектируется амплитудным детектором огибающей;

– с выхода детектора огибающей начинается полностью цифровой видеотракт: сигнал оцифровывается и дальнейшие операции выполняются с помощью цифровой техники; как минимум видеотракт содержит цифровой видео-фильтр с устанавливаемой полосой; этот фильтр чрезвычайно важен, т.к. он устраняет неинформативные колебания после детектора и осуществляет сглаживание получаемого спектра; эти две функции могут быть разделены, а функция сглаживания выполняться с помощью скользящего взвешенного интегрирования (суммирования) с регулированной постоянной времени;

– оцифровка это дискретизация по времени и квантование по уровню; квантование должно обеспечивать достаточно большое число двоичных разрядов для получения нужной точности, дискретизация должна быть достаточно частой для отслеживания информативных изменений амплитуды; частота дискретизации почти всегда больше частоты нанесения точек кривой на экране дисплея, особенно если больше ; поэтому каждая нанесенная точка есть результат обработки набора цифровых значений (каждый такой набор назовем блоком отсчетов, а соответствующую обработку – комбинированием отсчетов (иногда [2.6] эту обработку называют дисплейным детектированием); обычно в СА предусмотрено на выбор несколько видов комбинирования отсчетов; в разных СА реализованы разные варианты сочетания видео-фильтра и блока комбинирования отсчетов; так или иначе после видео-фильтра сигнал проходит блок комбинирования отсчетов, дающий одно значение на блок отсчетов; это значение как очередное отображается на экране дисплее; в необходимых случаях осуществляется интерполяция для представления последовательности точек на экране в виде непрерывной кривой.

б) СА с цифровым трактом последней ПЧ.

– обработка сигналов от входа СА до последнего смесителя совпадает со случаем а);

12 3 4 5 Следующая ⇒