Структура спектроанализатора

Современные спектроанализаторы (СА) в разной и все возрастающей степени используют цифровую обработку сигналов. Но описание структуры СА удобно и полезно начать с классической полностью аналоговой схемы.

Структурная схема аналогового СА

Упрощенная структурная схема аналогового СА СВЧ

 

Входной сигнал СВЧ проходит регулируемый (автоматически и, в необходимых случаях, мануально) радиочастотный аттенюатор, управляемый фильтр нижних частот, или фильтр, называемый преселектором, и подвергается преобразованию частоты. На схеме показано однократное преобразование, на самом деле в СА используется от двух до четырех каскадов преобразования, что решает известные проблемы устранения зеркального канала, выбора оптимальной промежуточной частоты (ПЧ) и др. Гетеродин первого каскада преобразования (первый гетеродин) выполнен как синтезатор, дискретно перестраиваемый по частоте, давая эквидистантную сетку частот. Управляющая этим гетеродином цепь условно показана как «генератор развертки». После смесителя на схеме показан тракт последней промежуточной частоты (тракты остальных ПЧ стереотипны). Принципиальные элементы в нем: усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, управляемый аттенюатор и управляемый полосовой фильтр с дискретным набором полос. Показанный на схеме условно детектор огибающей символизирует как последний, так и набор переключаемых оператором т.н. дисплейных детекторов разного вида. Принципиальный элемент видео-тракта – ФНЧ (видео-фильтр), символизирующий набор фильтров с разной полосой, позволяющий устанавливать разную степень сглаживания отображаемого спектра. Визуальное отображение результатов анализа осуществляется калибруемым по частоте и уровню дисплеем, синхронизованным со схемой управления первого гетеродина.

Первый гетеродин

Первый гетеродин последовательно генерирует сетку частот, обеспечивая соответствующую сетку входных частот СА , . Минимальная и максимальная частоты анализируемого диапазона устанавливаются оператором до и во время сеанса, шаг перестройки обусловливает разрешающую способность. Из двух теоретических возможностей соотношения частот сигнала и гетеродина : или , в данном случае возможна только вторая, т.к. может быть очень малой, например, 10 МГц. Первый гетеродин может отвечать предъявляемым к нему требованиям только если выполнен как синтезатор частот. Важнейшие из этих требований таковы:

– максимальный устанавливаемый диапазон перестройки должен соответствовать максимальному частотному диапазону СА: от до , где, в данном случае, – минимально и максимально возможные устанавливаемые частоты диапазона сигналов; максимальный частотный диапазон как правило очень широк, например, от 10 МГц до 4, 10, 20 или даже 50 ГГц;

– шаг перестройки должен варьироваться в очень широких пределах, а минимальный шаг быть очень малым, например, = ; заметим, что, например, при шаге перестройки 1 Гц и диапазоне перестройки 0.01–20 ГГц 1-ый гетеродин за один цикл перестройки должен настроиться на частотных точек (! ), причем на каждую – с ошибкой Гц (! );

– время переключения на следующую частотную точку и время переключения на следующую развертку частоты должны быть достаточно малыми, например, порядка 1–5 мкс (в зависимости от ), порядка 1 мс;

– уровень фазового шума гетеродина должен быть достаточно низким.

Дисплей

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.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: