Фильтровой метод анализа спектра

Основные методы анализа спектра электромагнитных колебаний

Для анализа спектра электромагнитных колебаний используются различные методы, основными из которых являются:

фильтровые методы, реализующие метод фильтрации;

дисперсионные методы, базирующиеся на дисперсионно-временном методе анализа;

рециркуляционные методы, реализующие так называемый рециркуляционный (интерференционный) метод;

цифровые, использующие алгоритм дискретного преобразования Фурье (ДПФ).

Фильтровой метод анализа спектра состоит в выделении спектральных составляющих сигнала с помощью узкополосного фильтра. Данный метод может быть реализован путем параллельного (одновременного) или последовательного анализа. Параллельный анализ осуществляется с помощью ряда узкополосных фильтров, каждый из которых выделяет одну составляющую спектра. Последовательный анализ состоит в выделении отдельных составляющих спектра либо с помощью одного узкополосного перестраиваемого фильтра, либо путем такого преобразования сигнала, при котором в полосу пропускания фильтра поочередно попадают спектральные составляющие сигнала с различными частотами.

При параллельном анализе необходимое количество фильтров n определяется частотным диапазоном (полосой анализируемых частот) Δf = fmax – fmin и полосой пропускания отдельного фильтра 2Δfф (рис. 8.2). В этом случае число фильтров определится по формуле

n = Δf/2Δfф (8.4)

В идеальном случае полоса пропускания отдельного фильтра 2Δfф определяет разрешающую способность анализатора спектра

Δfр = 2Δfф. (8.5)

Но такое может быть только при идеальной прямоугольной частотной характеристике фильтра.

Рис. 8.2. К определению разрешающей способности анализатора спектра

На практике можно говорить лишь о приближении к идеальной частотной характеристике прямоугольной формы. Поэтому считают Δfф = qΔfф, где q > 1. Отсюда, разрешающая способность анализатора определится по формуле

Δfр = 2qΔfф. (8.6)

От разрешающей способности анализатора зависит такой важный параметр, как скорость анализа спектра

V = n/Δf²ф (8.7)

Как видно из формулы (8.7), скорость анализа резко снижается при сужении полосы пропускания фильтра.

Параллельный метод анализа спектра обладает такими достоинствами как малое время анализа и возможность анализа спектра одиночных импульсов. Однако из-за сложности реализации системы фильтров такой метод не получил широкого распространения.

Более широко распространен последовательный метод анализа спектра, сущность которого состоит в следующем. Входной сигнал, спектр которого необходимо измерить, без преобразования подается на узкополосный фильтр, частоту настройки которого можно изменять. В результате этого на выходе фильтра последовательно будут появляться гармонические составляющие спектра входного сигнала, интенсивность которых может быть измерена с помощью различного вида индикаторов (от обычных вольтметров среднеквадратического значения до осциллографических). Значения частот гармоник при этом могут быть считаны со шкалы перестройки фильтра.

Такой метод обладает рядом недостатков, например, невозможностью перестраивать фильтр в широких пределах без ухудшения его селективных свойств, а также процесс анализа не автоматизирован и занимает достаточно большое время.

Более распространенным методом является последовательный метод с преобразованием частоты (рис. 8.3).

Рис. 8.3. К реализации последовательного метода анализа спектра с преобразованием частоты.

Входной сигнал в виде радиоимпульсов частоты fсигн. в данной схеме поступает на вход преобразователя частоты ПЧ. На второй вход ПЧ подается напряжение гетеродина с частотой fгет. На выходе ПЧ образуются радиоимпульсы длительностью τ, с частотой заполнения fпч =fсигн.- fгет. (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Временные диаграммы к методу последовательного анализа спектра

Данные импульсы поступают в усилитель промежуточной частоты (УПЧ), где последовательно будут попадать в его полосу пропускания. С выхода УПЧ будут сниматься усиленные радиоимпульсы с частотой заполнения, равной fпч. После детектирования и усиления эти уже видеоимпульсы подаются на пластины Y осциллографического индикатора. На пластины Х при этом будет подаваться напряжение генератора развертки. Учитывая то, что генератор развертки управляет работой гетеродина (осуществляет частотную модуляцию колебаний гетеродина), можно считать горизонтальную развертку осью частот. Таким образом, на экране ЭЛТ будут наблюдаться составляющие спектра входного сигнала в виде выбросов, имеющих конечную ширину, которая определяется формой амплитудно-частотной характеристики УПЧ. Амплитуда этих выбросов будет пропорциональна спектральной плотности импульсов промежуточной частоты, а их огибающая будет представлять собой спектральную характеристику исследуемого сигнала.

Разрешающая способность при последовательном анализе определяется также, как и при параллельном. В качестве полосы пропускания фильтра здесь применяется полоса пропускания фильтра УПЧ .

Время анализа для последовательного метода зависит от ширины исследуемой области частот и избирательности фильтра УПЧ. Если время анализа в полосе частот фильтра УПЧ составляет
τа = 1/Δfпч, то полное время анализа в диапазоне частот Δf=fв – fн будет в Δ f /Δfпч раз больше, т.е.

Та посл. = = (8.8)

Как видно из формулы (8.8), при уменьшении ширины пропускания анализирующего фильтра, время анализа резко увеличивается. Поэтому для обеспечения разрешающей способности в несколько Гц последовательный анализ не применяется.