Работа анализатора спектра и принцип его работы

Что и для чего?

Обывателям кажется, что словосочетание «спектральный анализ» звучит очень уж заумно. На эту тему даже в известном телешоу как-то пошутили. При этом мы очень слабо себе представляем, насколько велика роль спектрального анализа в нашей жизни. Радиовещание, качественная звукозапись, мобильная связь были бы невозможны без применения анализатора спектра.

О необходимости создать подобный прибор в Европе задумались в начале XX столетия: бурное развитие радиовещания и множества связанных с ним отраслей требовали новых решений. В СССР же разработку новых направлений и средств радиоизмерительной техники доверили специально созданному в 1949 году НИИ-11 (сегодня предприятие называется «Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц»). Именно там и был создан первый отечественный спектроанализатор.

Назначение анализатора спектра

Назначение анализатора спектра – наблюдение и измерение распределения энергии электрических или электромагнитных колебаний в полосе частот. Сигнал, как известно, может быть представлен в двух видах – временном и частотном. Чтобы оценить какое-то электрическое явление и его изменения во времени, мы используем осциллограф.  При этом, каждое такое явление состоит из волн, которые имеют свои фазы, амплитуды и т.д. «Увидеть» сигнал в частотном представлении и помогает анализатор спектра.

Зачем это нужно?

Существует множество областей науки и производства, где анализатор спектра успешно применяется. Например, беспроводные технологии связи (Wi-Fi, Bluetooth) или радиовещание. Каждая служба, каждый передатчик или источник сигнала должен работать на своей, строго закрепленной за ним частоте. «Коридоры» при этом бывают настолько узкими, что сигнал неизбежно наслаивается один на другой. Различные устройства создают помехи друг для друга. Спектральный анализ позволяет увидеть границы своей частоты, и все, что к ней не относится. Соответственно, «лишний» сигнал или помехи можно подавить: «срезать» или просто приглушить.

Аналогично спектральный анализ используется звукорежиссерами для сведения музыкальных треков. При записи музыкального инструмента (или, равно – человеческого голоса) неизбежно возникают помехи – их создает само оборудование. Шум может быть и не слышен человеческому уху, но он влияет на общее качество записи. В хороших программах для мастеринга всегда присутствует хотя бы простейший спектроанализатор. На нем видно, что частота звучания, например, гитары, начинается от определенного уровня. Все, что ниже его (и это хорошо видно на экране!) – можно смело «срезать», улучшая качество звучания трека.

Помогает анализатор спектра и устранить частотный конфликт, если два музыкальных инструмента находятся примерно в одном коридоре. Тем, кто играл в музыкальных коллективах, хорошо знакома проблема, когда бас и барабанная «бочка» забивают звучание друг друга. На экране устройства перекрывающиеся частоты хорошо видны – это помогает решить проблему.

Как работает анализатор спектра?

Чтобы понять, как действует этот прибор, рассмотрим анализатор спектра, принцип работы которого является классическим. Разумеется, в современных цифровых устройствах большинство аналоговых узлов всей «внутренней цепочки» заменяются на более актуальные или даже новаторские. Но идея в целом остается неизменной.

Исследуемый входной сигнал проходит сквозь аттенюатор и фильтр. Оттуда он попадает на смеситель, на который в этот же момент подается напряжение гетеродина. Из смесителя сигнал выходит разностным по частоте (т.е. не только два исходных сигнала, но и гармоники, и разности/суммы первоначальных частот и гармоник ). Далее все это «идет» через фильтры, усиливается и попадает на детектор. Детектор сглаживает его, сигнал оцифровывается и выводится на монитор. Конечно, это в самых общих чертах. Каждый конкретный прибор имеет множество настроек и индивидуальных особенностей. Поэтому, чтобы разобраться, как пользоваться анализатором спектра, нужно прежде всего изучить инструкцию.

Перед работой с любым подобным устройством важно:

• Внешне осмотреть прибор на предмет повреждений. Узнать, когда последний раз производилась поверка устройства, и, если необходимо, произвести новую.
• Проверить сохранны ли пломбы, на месте ли предохранители.
• Внимательно осмотреть разъемы и гнезда, кабели и переходники.
• Убедиться, что исследуемый сигнал имеет допустимое для анализатора напряжение.

В большинстве современных спектроанализаторов есть функция «стандартных настроек», т.е. настроек по умолчанию. Однако грамотный специалист перед работой всегда отрегулирует прибор так как это ему необходимо. Обычно устанавливается центральная частота, либо начальная и конечная в полосе обзора. Если необходимо, устанавливается сдвиг частот. Также задается и сама  полоса обзора (обычно ее устанавливают вдвое больше, чем полоса, занимаемая сигналом) и параметры амплитуды.

Отдельно стоит сказать об «отношениях» спектрального анализа и ТВ. Набором спутниковых каналов, доступных по щелчку на пульте, сейчас уже никого не удивишь. У каждого мастера-настройщика антенн есть свои секреты, как пользоваться анализатором спектра спутникового сигнала, и пользоваться ли вообще. Умельцев, которые без него обходятся, предостаточно. Но те, кто пользуются, уверяют –  настройка антенны с такой «примочкой» занимает всего 10-15 минут.

Для работы требуется анализатор, «заточенный» под спутниковые частоты. Сегодня очень распространены специальные приборы для настройки спутниковых антенн, в которых анализатор спектра просто встроен, как функция. Общий принцип работы таков: у каждого спутника есть «маяк», который имеет свою частоту. Он необходим для настройки и идентификации аппарата. Координаты маяка нужного спутника вводят в анализатор и начинают сканирование. Поисковик находит маяк, и мастер сверяется с анализатором – та ли это частота, которая ему необходима. Если все в порядке, антенна «подцепляется» к спутнику, и уже в этот момент довольный клиент на диване у телеэкрана может начать выбирать свои «favorite» – любимые каналы.

Анализаторы спектра новинки-2020

Приборов на рынке сегодня огромное множество: от дорогостоящих устройств узнаваемых брендов до копеечных моделей, которые можно заказать с доставкой в китайских интернет-магазинах. Выбор анализатора спектра -  качественного и подходящего для каких-то конкретных целей -  дело ответственное и непростое. Стоит внимательно изучить спецификации товаров и проконсультироваться со специалистами. Мы же предлагаем вам небольшой обзор новинок рынка 2016 года, на которые стоит обратить внимание.

---

Tektronix RSA306B

Пожалуй, самая яркая новинка сезона. Этот малыш легко умещается на ладони и весит меньше килограмма! Не каждый портативный прибор может похвастаться такой «стройностью»! Работает через USB- подключение к ПК. Кроме того, производитель обещает цену в два раза ниже, чем у конкурентов.

Некоторые характеристики:

• Диапазон: от 9 кГц до 6.2 ГГц
• Полоса пропускания: 40 МГц
• Подходит для эксплуатации в помещениях и на улице, в тяжелых условиях
• ПО в комплекте (базовая версия)
• Опции для измерений для Bluetooth, LTE, WLAN, APCO 25

---

RIGOL DSA-700

Китайский производитель запустил в производство линейку недорогих спектроанализаторов буквально этим летом. В серии представлены две модели DSA-710 и DSA-705. Они являются младшей линейкой по отношению к модели анализатора DSA-815.

Некоторые характеристики:

• Диапазон: от 100 кГц до 1 ГГц (DSA-710), от 100 кГц-500МГц (DSA-705)
• Уровень собственных фазовых шумов: <-80 дБн/Гц @ 10 кГц; <-100 дБн/Гц @ 100 кГц 
• Полоса пропускания ПЧ (до -6дБ) 200 Гц, 9 кГц, 120 кГц
• Возможность проводить маркерные измерения
• Возможность сравнивать между собой до четырех спектрограмм
• Встроено несколько разных видов детекторов

---

ANRITSU MS2840A

Разработчики японской техники сосредоточили свое внимание на платформе среднего класса с широчайшим диапазоном частот. Поскольку большинство современных анализаторов спектра ориентированы на измерения в широкой полосе (для нужд беспроводной связи), пользователи, которым необходимы измерения в узком диапазоне, вынуждены приобретать чересчур дорогую технику. Именно для них и разработан MS2840A.

Некоторые характеристики:

• Диапазон: от 9 кГц до 44, 5 ГГц (в зависимости от модели). Возможно расширение до 325 ГГц с использованием дополнительного оборудования
• Разрешение: (RBW) 1 Гц-10 МГц
• Амплитуда: от +30 дБм до -166 дБм
• Низкий уровень фазовых шумов

---

Rohde&Schwartz FSW-85

Весной о выпуске нового анализатора спектра и сигналов заявили и R&S. Данная модель – первая в мире, оснащенная коаксиальным входным разъемом, который охватывает непрерывный диапазон от 1 гц до 85 ГГц. Такой прибор пригодится для разработок автомобильных радаров и новых беспроводных сетей.

Некоторыe характеристики:

• Диапазон: 2Гц-85 ГГц
• Низкий уровень фазового шума
• Полоса анализа до 2 ГГц
• Возможность одновременного выполнения нескольких задач

Кроме того, в этом году R&S обновили возможности других  моделей FSW. Теперь работа анализатора спектра этой серии возможна с общим анализом сигналов и анализом сигналов в реальном времени в полосе 512 МГц.

---

KEYSIGHT FieldfFox

Группа ручных анализаторов в этом году пополнилась сразу 6-ю моделями миллиметрового диапазона. Флагман – N9952A – работает на максимальной частоте в 50 ГГц. Эти комбинированные приборы заменяют собой три/четыре настольных аппарата. Их точность подходит для лабораторных измерений, а усиленный корпус позволяет работать «в полях». Производитель отмечает, что в новых моделях анализ спектра ведется в разы быстрее, чем у предыдущих поколений прибора.

Некоторыe характеристики:

• Диапазон: до 50 ГГц
• Динамический диапазон: 100 дБ
• Опции: анализ спектра, векторный анализ цепей, вольтметр, измеритель мощности. Работа в режиме анализатора спектра не требует прогревания