Приборы для радиоизмерения (стр. 5 из 6)

Рисунок 9 - Принцип действия последовательного анализатора спектра.

В момент t0, когда выполняется c г ПЧ f - f (t) = f 0, на выходе УПЧ появляется радиоимпульс. Его огибающая повторяет форму АЧХ фильтра УПЧ. Детектор выделяет напряжение (видеоимпульс), повторяющее его огибающую. Этот сигнал поступает на осциллографический индикатор. При наличии в составе спектра сигнала нескольких гармоник, процесс формирования видеоимпульса происходит аналогично, но в разные моменты времени. Совокупность откликов спектроанализатора на каждую гармоническую составляющую входного сигнала называют спектрограммой. Величины откликов пропорциональны амплитудам входных гармоник, расположение откликов на оси Х соответствует частотам гармонических составляющих входного сигнала.

Полученная спектрограмма напоминает часто используемое графическое изображение амплитудного спектра периодического сигнала в виде вертикальных линий, длина которых равна амплитуде соответствующих гармонических составляющих сигнала.

При широкой полосе анализа и узкой полосе пропускания требуемое время анализа может достигать десятков секунд. Поэтому в анализаторах спектра применяют запоминающие осциллографические трубки. Полоса пропускания УПЧ делается регулируемой, что позволяет подобрать оптимальное соотношение между временем анализа и формой отклика спектроанализатора.

Одно из условий неискаженной спектрограммы - неизменность спектра сигнала за время анализа. Иными словами, в процессе сканирования спектр сигнала не должен меняться - это соответствует условию, когда период сигнала T<<Tа. В каждой частотной точке сигнал должен рассматриваться как периодический. В противном случае возникают искажения спектрограммы.

Искажают спектрограмму и помехи, которые попадают на выход анализатора по зеркальному каналу. Напомним, что для супергетеродинного способа преобразования частоты характерно наличие паразитного зеркального канала прохождения сигнала. Кроме полезного сигнала с разностной частотой fс - fг (t) = fУПЧ, в полосу пропускания УПЧ попадает сигнал с частотой, ниже частоты гетеродина на значение промежуточной частоты fг (t) - fс = fУПЧ. Этот канал называют "зеркальным"; гармоника, попадающая на эту частоту, будет преобразована и создаст паразитный отклик, накладывающийся на полезный. Возникнет искажение спектрограммы. Для исключения паразитных сигналов необходимо осуществлять фильтрацию сигнала на входе анализатора.

Основные параметры последовательных спектроанализаторов:

Рабочий диапазон частот - это тот частотный диапазон, в котором работает данный прибор. Рабочий диапазон может быть разбит на поддиапазоны.

Полоса анализа - это диапазон частот, в котором производится обзор спектра сигнала за один ход развертки. Может регулироваться от максимальной полосы до нуля. В последнем случае спектроанализатор превращается в измерительный приемник с ручной перестройкой частоты.

Время анализа Та - это время обзора рабочей полосы частот. Регулируется в широких пределах и для последовательных спектроанализаторов может достигать десятков секунд. Предусматривают и ручной режим перестройки по частоте - его используют при узких полосах УПЧ в режиме запоминания изображения.

Разрешающая способность - минимальная разность частот двух спектральных составляющих, при которых они фиксируются раздельно и могут быть измерены. Количественно задается разностью частот двух гармонических составляющих, которые на экране создают спектрограмму сливающихся на уровне 0,5 откликов. Отметим, что разрешающая способность впрямую не определяет точность измерения амплитуд и частот гармоник- она показывает возможность визуально различить отклики от гармонических составляющих.

Различают статическую и динамическую разрешающие способности. Статическая определяется шириной полосы пропускания УПЧ.

Динамическая разрешающая способность определяется степенью расширения отклика из-за динамических искажений в фильтре. Так, при коэффициенте динамических искажений μ=10 разрешающая способность ухудшается (увеличивается) более чем в 3 раза. Поэтому при исследовании сигналов с близкими гармониками используют увеличение времени анализа при минимально возможной полосе пропускания УПЧ.

Чувствительность - это минимальный уровень входного синусоидального сигнала, который может быть измерен на экране спектроанализатора с заданной точностью. Она ограничена, как правило, внутренними шумами прибора. Количественно она оценивается как минимальное значение синусоидального сигнала, при котором его отклик превышает уровень шумов на экране прибора в заданное число раз (например, на 20 дБ). Иногда в паспорте прибора указывают уровень собственных шумов прибора, который позволяет оценить чувствительность по любому отношению сигнал/шум.

Максимальный уровень входного сигнала определяется уровнем допустимых искажений исследуемого спектра при воздействии сигнала на входные активные блоки прибора. При перегрузках большим сигналом в спектрограмме могут появляться дополнительные паразитные составляющие, а амплитуды существующих могут измениться.

Динамический диапазон - это соотношение максимального и минимального уровней гармоник, при котором искажения спектра пренебрежимо малы. Не следует путать это понятие с диапазоном измеряемых амплитуд сигнала, который при наличии входного аттенюатора может быть шире, чем динамический диапазон. Наличие в реальных сигналах больших и малых уровней гармоник предъявляет жесткие требования к динамическому диапазону. Как правило, он определяется нелинейностью входных блоков спектроанализатора (смесителя, усилителя и пр). Современные спектроанализаторы имеют широкий динамический диапазон (90 - 120 дБ)

Амплитудно-частотная характеристика - это зависимость измеренной амплитуды гармоники при изменении ее частоты в пределах полосы обзора и постоянной амплитуде на входе. Она определяет систематические погрешности при измерении спектров в широком диапазоне частот.

Метрологические параметры - это погрешность измерения уровня гармоник ΔU и погрешность измерения частоты гармоники Δf. Погрешность измерения амплитуды включает погрешность калибровки на фиксированной частоте и погрешность неравномерности собственной АЧХ, погрешность калиброванного аттенюатора и пр. Погрешность измерения частоты определяется точностью калибровки шкалы.

5.1 Краткие технические данные анализатора спектра С4-27 и его структурная схема

Анализатор спектра С4-27 предназначен для исследования спектров периодически повторяющихся радиоимпульсов и непрерывных сигналов.

С его помощью можно проводить следующие виды измерений:

Определение уровня и частоты гармонических сигналов;

Наличие паразитных амплитудной и частотной модуляции;

Определение соотношения гармонических составляющих в спектрах сигналов сложной формы;

Для импульсных сигналов: измерение частоты несущей и ширины лепестков спектра, оценку длительности импульса и искажения его формы по виду спектра.

Прибор обеспечивает следующие технические и метрологические параметры:

Частотный диапазон прибора 10 МГц…39,6 ГГц с разбивкой на 5 поддиапазонов;

Полоса обзора регулируется в пределах 0,1 - 5 МГц и 2-80 МГц;

Полоса пропускания УПЧ регулируется в пределах 3-70; имеется две фиксированные полосы 1 кГц и 300 кГц;

Динамический диапазон (по уровню интермодуляционных искажений) 50 дБ;

Чувствительность, измеряемая по синусоидальному сигналу 2 ГГц при максимальной полосе УПЧ не хуже 10 - 3 мкВт.

Погрешность установки частоты ± (2.10 - 2 f + 1), МГц.

Погрешность отсчета уровня по сетке 10%.

Входное сопротивление коаксиального входа 50 Ом (разъем 7/3), волноводные входы 16 х 8, 11 х 5,5 и 7,2 х 3,4 мм.

Анализатор спектра С4-27 представляет собой супергетеродинный приемник с тройным преобразованием частоты и электронной перестройкой в пределах установленной полосы обзора. Он состоит из двух блоков СВЧ - СВЧ преобразователь и анализатор спектра на промежуточной частоте 160 МГц. Упрощенная структурная схема преобразователя СВЧ представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Структурная схема СВЧ преобразователя прибора С4-27

Он представляет собой пятидиапазонный преобразователь, в котором производится перенос спектра исследуемого сигнала на частоты диапазона (160±40З) МГц. Используется первая, вторая и третья гармоники триодного гетеродина, перекрывающего диапазон частот 0,01 - 1, 9 ГГЦ. На частотах 1,9 - 39,6 ГГц используются первая, вторая, четвертая и десятая гармоники клистронного гетеродина. Частота входного сигнала грубо оценивается по шкале гетеродина.

Особенностью СВЧ преобразователя является отсутствие дополнительной селекции входного сигнала. Это не позволяет подавлять паразитные каналы приема (зеркальный и побочные), что проявляется в виде ложных отметок сигнала на экране анализатора.

Анализатор спектра сигнала ПЧ (рисунок 11) представляет собой приемник на частоту 160 МГц.

Рисунок 11 - Блок анализатора ПЧ прибора С4-27.

Первое преобразование переносит исследуемый спектр на частоту 75,16 МГц. После фильтрации и усиления сигнал попадает на второй смеситель с фиксированной частотой гетеродина. Частота третьей ПЧ 8,16 МГц. На этой частоте производится окончательное усиление сигнала и узкополосная фильтрация, определяющая форму отклика на экране. Амплитуда отклика пропорциональна уровню гармоники на входе прибора. Ширина отклика связана с шириной полосы пропускания УПЧ, который содержит плавно перестраиваемый LC-фильтр, а также два кварцевых фильтра с полосами 1 и 300 кГц.