КВП: Анализатор спектра. Назначение и принципы работы АС

Уровень 2: Применить анализатор спектра для исследования спектров гармонического, импульсного (прямоугольного, треугольного и пилообразного), шумового и комбинированного сигнала.

Уровень 3: Изучить и освоить методики поверки анализатора спектрапутем определения его основных метрологических характеристик. Выполнить учебную поверку анализатора спектра (АС) с помощью образцовых виртуальных приборов.

2.  Назначение и принципы работы АС

С помощью АС можно оценивать и измерять: стабильность частоты, чистоту спектральной линии; устойчивость к внешним факторам; параметры модуляции, ширину спектра частот; уровень паразитных составляющих; динамический диапазон; частотные характеристики; потери и нелинейность преобразования, развязку; подавление спектральных составляющих; искажения сигналов и др.

К функциям АС относятся абсолютное и относительное измерение частоты и уровня. Также АС обладает возможностью определения параметров шума и электромагнитной совместимости. Современные АС применяются при измерениях продуктов искажений и их побочных составляющих, сигналов с цифровой модуляцией и параметров АМ и ЧМ.

Основные характеристики АС:

-  чувствительность 10^-7…10^-14  Вт;

-  рабочий диапазон частот и полоса обзора (до десятков ГГц);

-  разрешающая способность по f ;

Приборы  можно разделить на следующие виды:

1. Аналоговые, использующие методы:

-  фильтрации (последовательный или параллельный анализ);

-  дисперсионные (или рециркуляционные).

2. Цифровые, использующие методы:

-  сжатия временного масштаба;

-  цифровой фильтрации и цифрового гетеродинирования;

-  вычислительные на базе БПФ.

Преобразование Фурье позволяет представить сложный периодический процесс  множеством простейших компонентов: гармонических колебаний со своими частотами, амплитудами и начальными фазами:

где А₀ - постоянная составляющая сигнала; K - порядковый номер гармоники, А_К- амплитуда K-ой гармоники; Y_К - начальная фаза K-ой гармоники; w₁- частота первой (основной) гармоники.

Спектр периодического сигнала является дискретным или линейчатым. В общем случае периодический сигнал содержит постоянную составляющую и набор гармонических колебаний с частотами w_K=Kw₁, K=1,2,3…, кратными основной частоте w₁.

Например, сигнал пилообразной формы может быть представлен суперпозицией бесконечного количества синусоидальных сигналов, частоты которых кратны основной частоте. Амплитуда и мощность этих синусоид уменьшаются с увеличением их частоты. По мере добавления каждой гармоники, форма сигнала становится более похожей на идеальную. Ряд Фурье пилообразного сигнала имеет вид:

.

Идеальный сигнал прямоугольной формы включает в себя бесконечное количество нечетных гармоник.   В таком случае ряд Фурье выглядит как:

Так как амплитуда гармоник высоких порядков во много раз меньше амплитуды основной частоты, то, как правило, вычисляют ограниченное число гармоник  (до 5-го … 9-го порядка).

Непериодические сигналы имеют непрерывный спектр, т.е., в их составе присутствуют все частоты без исключения. Амплитуды отдельных спектральных составляющих бесконечно малы, поэтому их спектральный состав описывают не амплитудами отдельных гармоник, а спектральной плотностью, под которой понимают отношение приращения амплитуды  к приращению частоты Dw на некоторой частоте.

В виртуальном АС, используемом в лабораторных исследованиях, реализован вычислительный принцип оценки уровня и частоты