Spektrální analyzátory

Transkript

1 Lubomír Slavík TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/ ), který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

2 Obsah přednášky základní definice analogové spektrální analyzátory analyzátor s přepínanými filtry analyzátor s přeladitelným filtrem paralelní analyzátory číslicové spektrální analyzátory s číslicovými filtry FFT analyzátory analyzátory signálu přístroje na trhu

3 Základní pojmy signál charakterizován jako funkce frekvence (frekvenční spektrum) analýza ve frekvenční oblasti

4 Základní pojmy pokračování vzájemná souvislost signálu a jeho spektra Fourierova transformace spojitá X j ft f xt e 2 dt Spektrální analyzátory diskrétní (DFT) algoritmizace = FFT (rychlá Fourierova transformace) X pro ekvidistantní vzorkování s krokem T S T N N 1 S j2 kf xnt e nk N ; k 0,1,..., N 1 n0 S f=1/nt S vzdálenost ve spektru N počet bodů výpočtu NT S celková doba vzorkování v případě periodických signálů Fourierova řada x t a cos kt b sin kt x t Ak coskt k 0 k k k 0 a k T 2 2 x t cos ktdt T bk x t sin ktdt T 0 T 0 A k a 2 k b 2 k

5 Rozdělení spektrálních analyzátorů dle způsobu analýzy využívající filtrace signálu využívající výpočtu DFT(FFT analyzátory) dle zpracování analogové číslicové dle způsobu zpracování sekvenční (sériové) paralelní analyzátory Spektrální analyzátory

6 Základní charakteristiky spektrálních analyzátorů frekvenční rozsah 3Hzaž 50GHz (s externím směšovačem 325 GHz) obvykle 9kHz 3GHz typ frekvenční stupnice lineární x logaritmická amplitudový rozsah U max = 168dBm až +30 dbm (vztaženo k 1mV) U U 20 max max log 1mV db dynamický rozsah je určen šumovým prahem U min (vstup bez signálu) a maximálním signálem U max, který nezpůsobí nelinearity DR U 20log U max min db dB počet zpracování fr. spektra za s wfms/s až 50 tis. /s měření fáze > měření impedance měření výkonu měření zkreslení vf analýza

7 Základní nastavení spektrálních analyzátorů střední frekvence span zobrazovaný rozsah frekvencí amplituda max. amplituda = referenční úroveň Spektrální analyzátory

8 Analogové spektrální analyzátory používají filtrace signálu pásmová propust stálá poměrná šířka pásma 1, 3, 10, 33, 100% střední frekvence filtru logaritmická stupnice Analyzátor s přepínanými filtry propustná pásma sousedních filtrů mají shodné mezní frekvence IA vstupní zesilovač PPx pásmová propust D demodulátor OA výstupní zesilovač obdoba v selektivním voltmetru ruční ladění s pásmovou propustí (např. 40dB/dek)

9 jeden přeladitelný filtr Analyzátor s přeladitelným filtrem (heterodynní spektrální analyzátor) možnost tracking generátoru pro analýzu dvojbranů VZ vstupní zesilovač S směšovač D demodulátor Z výstupní zesilovač GP generátor pily NŘO napětím řízený oscilátor MFF mezifrekvenční filtr f jako směšovač násobička snížení analyzované frekvence z f x na f M použití nad 100kHz f M1 x f 0 f M 2 f 0 mezifrekvenčním filtrem projde jen f M2 f x

10 Paralelní analyzátory pracují v reálném čase využití pro nestacionární děje IA vstupní zesilovač PPx pásmová propust Dx demodulátor

11 Číslicové spektrální analyzátory blokové schéma obecné pro číslicový přístroj VUS vstupní úprava signálu (převodníky, zesilovač, zeslabovač) AAF antialiasingový filtr (dolní propust, propouštějící frekvence nižší než je f S /2 VZP vzorkovač s pamětí AČP analogově číslicový převodník BČZ blok číslicového zpracování ČZJ číslicová zobrazovací jednotka ČAP číslicově analogový převodník RF rekonstrukční filtr AZJ analogová zobrazovací jednotka

12 blokové schéma Spektrální analyzátory s číslicovými filtry VZ vstupní zesilovač AAF antialiasingový filtr V vzorkovač AČP analogově číslicový převodník ČF číslicový filtr (pásmová propust, dolní propust) ČP číslicová paměť ZJ zobrazovací jednotka ŘJ řídicí jednotka KO krystalový oscilátor koeficienty filtrů se mění během procesu filtrace jeden filtr slouží jako několik filtrů výstup filtru je uchováván v paměti a opětovně přiveden na vstup filtru logaritmické měřítko

13 FFT spektrální analyzátory používají diskrétní Fourierovu transformaci DFT přímý výpočet příliš dlouhý (pro N bodovou transformaci počet mat. operací úměrný N 2 algoritmy zkracující výpočet Fast Fourier Transform využívají číslicových signálových procesorů (DSP) poskytují i fázové spektrum stupnice lineární pracují v reálném čase VZ vstupní zesilovač AAF antialiasingový filtr V vzorkovač AČP analogově číslicový převodník DSP signální procesor ČAP číslicově analogový převodník ŘJ řídicí jednotka KO krystalový oscilátor

14 Analyzátory signálu obsahují 2 FFT analyzátory měří i další funkce autokorelační funkce vzájemná korelační funkce výkonová spektrální hustota signálu koherentní funkce umožňují i časové zobrazení signálu (podobně jako osciloskop) používají kromě přímé i zpětnou DFT transformaci přechody z frekvenční do časové oblasti

15 Rohde Schwarz Tektronix Agilent Bruel &Kjaer (nf pásmo) Anritsu Spektrální analyzátory Spektrální analyzátory na trhu Renomované firmy Anritsu Agilent Tektronix Rohde Schwarz

16 Firmy z východu RiIgol GW Instek Aeroflex