37) Анализ спектра сигналов. Параллельный и последовательный анализаторы.

А нализ спектра используется для количественной оценки формы сигналов, нелинейных искажений и параметров модулированных сигналов. Периодический сигнал любой формы можно представить в виде суммы гармонических составляющих, амплитуды и частоты которых определяются прямым преобразованием Фурье. Этот спектр можно изобразить графически, если по оси абсцисс откладывать частоты, а по оси ординат – величины амплитуд гармоник. Пример спектра прямоугольных колебаний типа меандр с размахом Е и частотой следования f₁ приведен на рис. Рис. 2.49. Спектральный анализ: а – анализируемый сигнал; б – его спектр

Д ля определения спектра сигнала используются специальные приборы – анализаторы спектра. Практически во всех анализаторах аналогового типа выделение гармонических составляющих производится узкополосными фильтрами.

а

Спектральные составляющие можно измерять одновременно или последовательно. Первый способ анализа спектра называется параллельным, а второй – последовательным. Параллельный анализ спектра. Структурная схема анализатора параллельного действия изображена на рис. 2.50. Исследуемый сигнал одновременно подается на группу полосовых фильтров (Ф1 … Фп), настроенных на разные частоты. Напряжения на выходах фильтров определяются составляющими спектра анализируемого сигнала.

Р ис. 2.50 Структурная схема анализатора спектра параллельного действия

Выходные напряжения фильтров детектируются детекторами (Д1 … Дп) и поступают на электронный коммутатор (К). Устройство управления (УУ) вырабатывает напряжение развертки ЭЛТ и синхронно управляет переключением коммутатора. В результате на экране элт отображается спектр исследуемого сигнала. Для создания параллельного анализатора требуется большое число фильтров, поэтому такие анализаторы не получили широкого распространения.

Последовательный анализ спектра. Структурная схема последовательного анализатора спектра, реализующего гетеродинное преобразование частоты, с ручной настройкой показана на рис. 2.51.

Он состоит из входного устройства (ВУ), перестраиваемого генератора (гетеродина) (Г), смесителя (С), усилителя промежуточной частоты (УПЧ), детектора (Д) и измерителя (И). Исследуемый сигнал u(t), содержащий ряд гармонических составляющих, через ВУ подается на смеситель, где он смешивается с сигналом гетеродина, имеющим частоту f_г. На выходе смесителя образуется колебания с частотами равными сумме и разности частот сигнала f_с и гетеродина f_г: f₁ = f_г + f_с и f₂ = f_г – f_с. Усилитель промежуточной частоты имеет узкую .

Р ис. 2.51. Структурная схема последовательного анализатора спектра

п олосу пропускания и настроен на разностную (промежуточную) частоту f_пч = f_г – f_с. Уровень сигнала промежуточной частоты определяется уровнем исследуемого сигнала (а точнее участка спектра сигнала со средней частотой f_с и шириной равной полосе пропускания УПЧ). Изменяя частоту гетеродина можно настроить прибор таким образом, что в полосу пропускания УПЧ попадает сигнал одной из гармоник (поскольку f_г – f_с = f_пч = const, то при изменении f_г изменяется f_с части спектра, которая определяет величину сигнала на выходе УПЧ). Сигнал гармоники детектируется детектором Д и поступает на измеритель, показывающий амплитуду гармоники.

Таким образом изменяя частоту гетеродина настраивают анализатор на частоты всех гармонических составляющих и получают спектр исследуемого сигнала (частоты считывают со шкалы гетеродина, а амплитуды – со шкалы измерителя). Структурная схема автоматического последовательного анализатора изображена на рис. 2.52, она содержит, помимо рассмотренных в предыдущей схеме узлов, калибратор (К), генератор качающейся частоты (ГКЧ), генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), усилитель вертикального отклонения (УВО) и электронно-лучевую трубку (ЭЛТ). Рис. 2.52. Структурная схема автоматического анализатора спектра последовательного типа

Генератор качающейся частоты выполняет функции гетеродина. Частота ГКЧ изменяется под действием линейно изменяющегося напряжения ГЛИН, при этом на выходе УПЧ последовательно появляются сигналы с амплитудами гармонических составляющих. Эти сигналы управляют отклонением по вертикали луча ЭЛТ. Отклонения луча по горизонтали осуществляется глин синхронно с изменением частоты ГКЧ. В результате на экране ЭЛТ отображается спектр исследуемого сигнала.

Калибратор (К) предназначен для создания на экране ЭЛТ меток, позволяющих привязать осциллограмму спектра к оси частот. Возможны два варианта использования калибратора. По первому варианту на дополнительной вход смесителя подается гармонический сигнал от перестраиваемого генератора (калибратора). На осциллограмме появляется метка (всплеск) от этого сигнала. Изменяя частоту калибратора, совмещают его метку с всплесками (линиями) спектра. Частота гармонических составляющих спектра определяется по шкале калибратора. Во втором варианте на смеситель подается частотно-модулированный сигнал, спектр которого состоит из ряда гармоник, отстоящих одна от другой на частоту модулирующего сигнала. При этом на экране появляется ряд меток. Изменяя среднюю частоту сигнала калибратора и частоту модуляции, совмещают метки с всплесками осциллограммы спектра.