Глава 19. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ

В этой главе рассмотрены спектральные анализаторы, основанные на методах фильтрации и непосредственного преобразования Фурье исследуемых сигналов. Корреляционные спектральные анализаторы рассмотрены в разд. 13.11 (принципы работы) и в гл. 18 (схемы).

19.1 Спектральные анализаторы, основанные на методе фильтрации (разд. 13.6)

Анализаторы с параллельными фильтрами.

В анализаторах с параллельными фильтрами осуществляется наиболее простой и понятный подход к спектральному разложению сигналов. Подобные анализаторы состоят из набора параллельно включенных фильтров, спектральные характеристики которых представляют собой узкие примыкающие друг к другу полосы, перекрывающие необходимые диапазоны частот. Для точного измерения спектра с помощью таких устройств необходимо иметь очень большое число элементарных фильтров с идеально прямоугольной полосой пропускания, причем центральные частоты примыкающих полос должны отстоять друг от друга на интервал, в точности равный ширине полосы, для того, чтобы полностью перекрыть анализируемый диапазон. Для получения спектра сигнала необходимо измерить значения модулей напряжений на выходе каждого фильтра и рассматривать их как точки спектра, соответствующие центральным частотам полос пропускания.

На рис. 19.1 приведена упрощенная блок-схема такого устройства. Каждый фильтр связан со своей схемой регистрации. Циклический опрос выходов всех схем с помощью

коммутатора позволяет получить спектр входного сигнала. Спектрометр Фрейштедта (1935 г.) является первой реализацией этого принципа. С помощью анализаторов с параллельными аналоговыми фильтрами трудно добиться высокого разрешения из-за относительно широкой полосы пропускания фильтров. Они используются главным образом в акустике (типичная ширина полосы пропускания фильтров равна октавы), но не пригодны для многих других целей, например для анализа механических вибраций, в котором для определения собственных частот требуется высокая избирательность.

Рис. 19.1.

Кроме того, хорошо известны и недостатки самих электрических фильтров. К ним относятся трудность получения высокой добротности, отличие частотной характеристики от идеально прямоугольной, большое время реакции, нерегулярности вне полосы пропускания (а иногда и внутри нее) и трудность изготовления фильтров очень низких частот. Поэтому были предприняты попытки заменить электрические фильтры, в частности использовать вместо них устройства с изменяемой частотой на базе магнитострикционных фильтров с очень высокой добротностью. Однако для последних характерны свои недостатки: нестабильность (главным образом температурная) и трудность получения однородных характеристик.

За счет дальнейших усовершенствований аналоговых многоканальных анализаторов, в частности цифрового кодирования сигналов на выходах фильтров и дальнейшей обработки в цифровом виде, можно добиться увеличения динамического диапазона амплитуд и точности.

Анализаторы с разверткой частоты.

Технические трудности, возникающие при создании анализаторов с параллельными фильтрами, удалось в некоторой степени преодолеть заменой всех фильтров одним с очень узкой полосой пропускания, - которую можно перемещать по всему диапазону исследуемых

частот. Таким фильтром является гетеродинная система, в которой частотная характеристика фильтра остается неизменной, а перемещение спектра достигается с помощью генератора гармонических колебаний с управляемой частотой.

На рис. 19.2 приведена блок-схема такого прибора. Используется фильтр очень высокого качества (обычно кварцевый) с центральной частотой полосы пропускания порядка 1 МГц.

Рис. 19.2.

Рис. 19.3.

Для отображения спектра на каком-либо выходном устройстве используется пилообразная развертка, величина напряжения которой в каждый момент времени пропорциональна частоте генератора. Напряжение развертки подается на вход X, а сигнал со схемы регистрации — на вход устройства отображения спектра.

К очевидным недостаткам этого прибора относятся противоречивые требования к достижению высокой точности и разрешения. Для достижения необходимой точности требуются очень длинные времена развертки, несовместимые с получением высокого разрешения. Кроме того, при быстрой развертке наблюдается изменение частотной характеристики фильтра, как показано на рис. 19.3 ( — ширина полосы, частота и амплитуда А соответствуют параметрам частотной характеристики при небольших скоростях развертки, — при больших

скоростях). Значение центральной частоты полосы пропускания увеличивается, частотная характеристика размывается и становится несимметричной, добротность уменьшается, что приводит к неудовлетворительной линейности в большом динамическом диапазоне и трудностям в достижении частотной стабильности.

Анализируемый сигнал должен оставаться постоянным на протяжении всего времени анализа, нижний предел которого определяется шириной полосы фильтра.

Рис. 19.4.

Время установления сигнала на выходе фильтра с шириной полосы равно , если ширина полосы выражена в герцах (с точностью порядка 1%). Поэтому максимальная скорость развертки составит фильтр с шириной полосы 20 Гц допускает скорость развертки

Анализаторы со сжатием времени.

На практике часто возникает необходимость анализировать сигналы гораздо более высоких частот, чем те, которые доступны спектральным анализаторам рассмотренных выше типов. Однако можно во много раз повысить возможности анализатора с разверткой частоты, если заставить его работать в другом, более коротком масштабе времени. Достигается это тем, что сигнал растягивается во времени при сохранении всех остальных параметров, или, что тоже самое, время сжимается по отношению к сигналу (отсюда выражение «сжатие времени»). При этом каждая из частот, составляющих сигнал, возрастает в раз, где называется коэффициентом сжатия (рис. 19,4). Ширина полосы фильтра становится равной допустимая скорость развертки возрастает в раз, спектральный диапазон анализатора возрастает в раз, и во столько же раз уменьшается продолжительность анализа.

Отметим, что свойство подобия преобразования Фурье, как показано в гл. 2, приводит к следующему соотношению между

сжатым сигналом и его образом Фурье [выражение (2.20)]:

Для того чтобы получить правильное значение амплитуды после сжатия, необходимо уменьшить ее в раз.

Этот метод был предложен Андерсоном в 1956 г. для анализа сигналов, получаемых на радио- и гидролокационных установках. При этом использовался анализ гибридного типа, т. е. сжатие времени осуществлялось в цифровой форме, а перед модуляцией и прохождением кварцевого фильтра сигнал снова преобразовывался в аналоговую форму (рис. 19.5).

Рис. 19.5.

Важным элементом схемы является цифровой сдвиговый регистр, в котором происходит накопление результатов, еще раз преобразованных в цифровую форму. Низкочастотный фильтр на входе анализатора ограничивает полосу частот сигнала и приводит ее в соответствие с частотой дискретизации (разд. 19.2). Затем происходит выборка последовательных значений сигнала, которые преобразуются в цифровую форму и записываются во входную циклическую память емкостью N слов на основе сдвигового регистра. Данные, записанные в память, считываются из нее с гораздо более высокой скоростью (в 1000—10 000 раз) и опять преобразуются в аналоговую форму, что приводит к сжатию масштаба времени исследуемого сигнала. Длительность считывания составляет — 100 мкс. Таким образом, обработка высокочастотного сигнала сводится к обработке низкочастотного сигнала, но в более высоком темпе. Отношение частоты считывания из входной памяти к частоте записи показывает, во сколько раз уменьшается время по сравнению со случаем отсутствия сжатия.

Недостатки такого типа анализаторов связаны с работой аналоговых схем и касаются главным образом динамического Диапазона амплитуд, который в этом случае ограничен 50—60 дБ,

а также частотной стабильности генератора колебаний с управляемой частотой.

Получение взаимных спектров. До сих пор говорилось только о спектральной плотности отдельного сигнала. Получение взаимной спектральной плотности двух сигналов требует гораздо более сложной аппаратуры, как было показано в гл. 13. Единственным случаем, когда еще можно использовать спектральный анализ, основанный на методе фильтрации, является случай очень высоких частот, недоступных анализу другими методами.