Тема 11. Анализаторы спектра сигналов

11.1 Общие сведения о спектрах сигналов

Во многих практических случаях возникает потребность представления сигналов не только во временной, но и в частотной области и измерения на этой основе параметров этих сигналов.

В спектральной теории радиотехнических сигналов наибольшее распространение получили системы, в основу которых положен тригонометрический базис. В этом случае любая периодическаяфункция, для которой выполняется условиеx(t) =x(t+nT), где Т – период,n– целое число; может быть представленарядомФурье одним из следующих видов:

(11.1)

(11.2)

(11.3)

где

Совокупность коэффициентов С_nназывается амплитудно-частотным спектром, а совокупность φ_n– фазо-частотным спектром.

Для спектрального анализа непериодическихсигналов используетсяинтегралФурье. Прямое преобразование Фурье позволяет переходить из временной области в частотную:

(11.4)

Обратное преобразование Фурье наоборот обеспечивает переход из частотной области во временную:

(11.5)

11.2 Фильтровые анализаторы спектра

11.2.1 Анализатор спектра параллельного типа

Принцип действия анализатора спектра параллельного (одновременного) типа поясняется на (рис.11.1). В состав анализатора входят следующие элементы:

- аттенюатор, предназначенный для согласования входного сопротивления анализатора с выходным сопротивлением источника сигнала и изменением уровня входного сигнала;

- полосовые фильтры (ПФ) с полосой пропускания ∆f_ПФ, предназначенные для выделения участка спектра исследуемого сигнала;

- детекторы (Дет), предназначенные для получения огибающей сигнала на выходах соответствующих полосовых фильтров;

- индикатор.

Рисунок 11.1 – Структурная схема анализатора спектра параллельного типа

Входной сигнал U(t), поступающий на вход анализатора после согласования по уровню, разделяется полосовыми фильтрами.

Напряжение с выхода каждого фильтра после детектирования подается через коммутатор на индикатор.

Количество фильтров n, необходимых для работы анализатора, равно

(11.6)

где ∆f_C– полоса частот анализируемого сигнала.

Время анализа параллельного анализатора (Т_а) определяется временем установления напряжения на выходе фильтра и зависит от полосы пропускания ПФ:(11.7)

Скорость параллельного анализатора зависит от числа фильтров:

Такие анализаторы могут измерять спектры любых сигналов, за короткое время позволяют анализировать весь спектр сигнала, но из-за большого числа фильтров сложны при реализации и обладают большими габаритными размерами.

11.2.2 Анализаторы спектра последовательного типа

Принцип действия анализатора спектра последовательного типа состоит в выделении отдельных составляющих спектра сигнала с помощью одного полосового фильтра путем перестройки его резонансной частоты (рис.11.2).

Основными элементами анализатора спектра с перестраиваемым фильтром является аттенюатор, перестраиваемый полосовой фильтр, детектор, индикатор, генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

Закономерность изменения резонансной частоты полосового фильтра и напряжение развертки индикатора определяются одним устройством – ГЛИН, что обеспечивает своевременный вывод амплитуды соответствующей гармоники на горизонтальную линию индикатора.

Рисунок 11.2 – Структурная схема анализатора с перестраиваемым фильтром

В таких анализаторах можно исследовать только сигналы, спектр которых за время анализа, т.е. за время перестройки фильтра в полосе обзора, не изменяется. Это периодически повторяющиесясигналы.

Недостаток: перестройка резонансной частоты полосового фильтра приводит к изменению его добротности Q(добротности контура), что в свою очередь приводит к изменению амплитуды отклика и полосы пропускания.