Спектрални анализатори

Спектрални анализатори са устройства, намиращи широко приложение в електрониката за анализ на честотния спектър на радиочестоти и аудиосигнали. С тях е възможно осъществяването на голям брой различни измервания, което ги превръща в безценен инструмент в немалко приложения. Развитието на цифровата технология за обработка на сигнала позволява днес спектроанализаторите да се превърнат в едно от най-универсалните измервателни устройства. Използват се за измерване на честота и честотни разлики, абсолютна и относителна мощност, различни видове модулации, нелинейни изкривявания, шум. С тях могат да се установят честотните съставки на сигнала, как се разпределя мощността по отделните спектрални съставки, има ли паразитни честотни съставки, колко по-силни са те от шума, колко изразен е фазовият шум и т. н.

Използването на спектрални анализатори позволява решаването на проблеми като определяне на спектралните съставки на сигнала, което често се налага в безжичните комуникации. В тези случаи от особена важност е познаването на паразитните честотни съставки извън честотния канал. В практиката, също така, често се налага да се оценява изкривяването на комуникационно съобщение, модулиращо носещата. Спектралните анализатори намират приложение и при измерванията за наличие на случайна или умишлена електромагнитна интерференция в съседни канали и в много други.

Методи за спектрален анализ
Спектралният анализ най-общо може да се определи като изследване на сигналите в честотна област. В практиката най-широко приложение намират два метода за спектрален анализ на сигнали - паралелен и последователен. Последователният обикновено се използва за анализ на периодични сигнали, които слабо се променят по време на анализа, а паралелният - за единични и периодични сигнали. И в двата случая се използват лентово-пропускащи филтри, като при паралелният се използват набор от филтри, настроени на различни честоти. В последователните анализатори на спектъра се използва пренастройваем филтър. Предимство на паралелния метод за спектрален анализ пред последователния е скоростта на анализа, но съответно е и по-сложен.

Видове спектрални анализатори
Съществуват няколко различни категории спектрални анализатори, които се считат за по-подходящи при едно или друго приложение. От тях като по-основни обикновено се определят суперхетеродинният спектроанализатор, анализаторите, използващи бързо Фурие преобразуване и звуковите спектрални анализатори.

Принципът на работа на суперхетеродинния спектроанализатор е свързан с постепенно обхождане на определен честотен диапазон чрез лентов филтър. Когато филтърът премине през честотата на входния сигнал, това се отбелязва на дисплея. Този вид спектрални анализатори обикновено се приемат за по-традиционния тип и са сред най-широко използвания вид в практиката.

При втория тип спектрални анализатори се използва форма на трансформация на Фурие, позната като бързо преобразуване на Фурие (FFT). В този случай аналоговият сигнал се превръща в цифров, който чрез преобразуване на Фурие се представя от времева в честотна област. В този случай се наблюдават ограничения в честотния обхват, чувствителността и динамичния обхват спрямо суперхетеродинния спектроанализатор. Тези анализатори обикновено са с по-висока себестойност и често биват по-тясно специализирани.

Звуковите спектрални анализатори се базират на същите основни принципи, но се фокусират върху звуковите честоти, поради което са и с по-ниска себестойност.

Суперхетеродинен спектроанализатор
При тези анализатори входният сигнал се смесва в смесител със сигнала от локалния осцилатор, при което неговата честота се преобразува в по-висока междинна честота. На изхода на смесителя се съдържат честотите на входния сигнал, на локалния осцилатор, техните разлика и сбор. След това, изследваният сигнал постъпва в междинночестотен филтър, където се отчита наличието на сигнал, като спектроанализаторът се пренастройва по честота. След като сигналът е открит в обходения честотен диапазон, се отчита от детектора. Изходното му ниво управлява амплитудата на сигнала по оста У. Следи се за синхронизация между стойностите по Х и настройката на локалния осцилатор. На дисплея се появява информация за амплитудата към честотата на всеки входен сигнал.

Сред основните елементи на суперхетеродинния спектрален анализатор са атенюатор (attenuator), входен филтър, смесител, IF филтър, локален осцилатор, детектор, генератор на развивката, дисплей.

Първият елемент, до който достига входният сигнал, е атенюаторът. Неговата функция е да регулира нивото на сигнала, влизащ в смесителя до подходящо ниво. Също така той осигурява известна защита на смесителя от много силни сигнали. По отношение на смесителя, който се явява ключов елемент за анализатора, изискването е той да може да работи с широк диапазон от сигнали при много ниски нива на паразитни сигнали.
IF филтърът ограничава широчината на видимата лента, увеличавайки разделителната способност.

Локалният осцилатор в спектралния анализатор определя до голяма степен работата на анализатора като цяло. Неговите характеристики определят много от характеристиките на анализатора. Необходимо е той да може да бъде настройван в много широк диапазон от честоти, за да може анализаторът да сканира в необходимия обхват. Също така е необходимо да бъде с много добри характеристики по отношение на фазовия шум.

Детекторът преобразува сигнала от IF филтъра в напреженов сигнал, който може да бъде предаден на дисплея. Обикновено изходният сигнал е в логаритмичен вид.
В сравнение със спектралния анализатор, използващ трансформация на Фурие, суперхетеродинните спектроанализатори имат някои предимства и недостатъци. Предимствата се изразяват основно във възможността да работят в широк честотен диапазон и сравнително невисоката себестойност. Недостатъците им са свързани с невъзможността да измерват фаза, те измерват само амплитудата на сигналите в дадени честоти. Също така не са подходящи за измерване на преходни процеси.

Анализатори базирани на FFT анализ
Този тип анализатори намират по-малко приложение, но се характеризират с някои съществени предимства. Блоковата им схема се различава от тази на суперхетеродинния спектроанализатор, тъй като е необходима възможност за цифрово-аналогово преобразуване и бързо Фурие преобразуване. Обикновено анализатори, базирани на FFT анализ, се състоят от следните няколко блока: атенюатор/усилвател за регулиране на сигнала до подходящо ниво за аналогово-цифровото преобразуване, аналогов нискочестотен филтър AAF (аnalogue low pass anti-aliasing filter), блок за аналогово-цифрово преобразуване, FFT анализатор, дисплей.
Като предимства на FFT технологията обикновено се посочват бързото отчитане на формата на сигнала, способността да се засичат неповтарящи се процеси и фазата на сигнала. Недостатъците са свързани с честотните ограничения и себестойността.
Според специалисти, комбинирането на предимствата на суперхетеродинния спектрален анализ и FFT анализа може за подобри значително характеристиките на тестовото оборудване.

Технически характеристики
Сред основните технически характеристики на спектралните анализатори са честотния диапазон, разделителна способност по честота, диапазон на измерваните входни нива, входен импеданс, разделителна способност при измерване по ниво, честотна лента на измерване, динамичен обхват на екрана, време за автономна работа, нивото на шума. Сред функциите, които могат да притежават спектралните анализатори, са: автоматична настройка и последователно програмиране, функция за коригираща таблица, могат да разполагат с настройки за разделяне на прозорците или с отделни прозорци. Сред предлаганите опции са опция за следящ генератор, предварително усилване, ватметър, софтуер за дистанционно управление. Захранването може да бъде външно, от вграден акумулатор или AC/DC/ батерия.