Что измеряет анализатор спектра

Что измеряет анализатор спектра

Спектроанализатор – прибор для измерения и отображения спектра сигнала – распределения энергии сигнала по частотам. В этой статье рассматриваются основные виды анализаторов спектра и иллюстрируется их применение для редактирования и реставрации звука. Особое внимание уделяется современным анализаторам, основанным на FFT – быстром преобразовании Фурье.

Зачем анализировать спектр?

Традиционно в цифровой звукозаписи аудиодорожка представляется в виде осциллограммы, отображающей форму звуковой волны (waveform), то есть зависимость амплитуды звука от времени. Такое представление достаточно наглядно для опытного звукорежиссёра: осциллограмма позволяет увидеть основные события в звуке, такие как изменения громкости, паузы между частями произведения и зачастую даже отдельные ноты в сольной записи инструмента. Но одновременное звучание нескольких инструментов на осциллограмме «смешивается» и визуальный анализ сигнала становится затруднительным. Тем не менее, наше ухо без труда различает отдельные инструменты в небольшом ансамбле. Как же это происходит?

Когда сложное звуковое колебание попадает на барабанную перепонку уха, оно с помощью серии слуховых косточек передаётся на орган, называемый улиткой. Улитка представляет собой закрученную в спираль эластичную трубочку. Толщина и жёсткость улитки плавно меняются от края к центру спирали. Когда сложное колебание поступает на край улитки, это вызывает ответные колебания разных частей улитки. При этом резонансная частота у каждой части улитки своя. Таким образом улитка раскладывает сложное звуковое колебание на отдельные частотные составляющие. К каждой части улитки подходят отдельные группы слуховых нервов, передающие информацию о колебаниях улитки в головной мозг (более подробно о слуховом восприятии можно прочитать в статье «Основы психоакустики» И. Алдошиной в журнале «Звукорежиссер» №6, 1999). В результате в мозг поступает информация о звуке, уже разложенная по частотам, и человек легко отличает высокие звуки от низких. Кроме того, как мы вскоре увидим, разложение звука на частоты помогает различить отдельные инструменты в полифонической записи, что значительно расширяет возможности редактирования.

Полосовые спектроанализаторы

Первые звуковые анализаторы спектра разделяли сигнал на частотные полосы с помощью набора аналоговых фильтров. Дисплей такого анализатора (рис. 1) показывает уровень сигнала во множестве частотных полос, соответствующих фильтрам.

Рис. 1. Третьоктавный анализатор Specan32, эмулирующий известный прибор KlarkTeknik DN60

На рис. 2 приведён пример частотных характеристик полосовых фильтров в анализаторе, удовлетворяющем стандарту ГОСТ 17168-82. Такой анализатор называется третьоктавным, так как в каждой октаве частотного диапазона имеется три полосы. Видно, что частотные характеристики полосовых фильтров перекрываются; их крутизна зависит от порядка используемых фильтров.

Рис. 2. Частотные характеристики фильтров третьоктавного спектроанализатора

Важным свойством спектроанализатора является баллистика – инерционность измерителей уровня в частотных полосах. Она может регулироваться заданием скорости нарастания (атаки) и спада уровня. Типичное время атаки и спада в таком анализаторе – порядка 200 и 1500 мс.

Полосовые спектроанализаторы часто применяются для настройки АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) акустических систем на концертных площадках. Если на вход такому анализатору подать розовый шум (имеющий одинаковую мощность в каждой октаве), то дисплей покажет горизонтальную линию, с возможной поправкой на вариацию шума во времени. Если розовый шум, проходя через звукоусилительную систему зала, исказился, то изменения его спектра будут видны на анализаторе. При этом анализатор, как и наше ухо, будет малочувствителен к узким провалам АЧХ (менее 1/3 октавы).

Преобразование Фурье

Преобразование Фурье – это математический аппарат для разложения сигналов на синусоидальные колебания. Например, если сигнал x(t) непрерывный и бесконечный по времени, то его можно представить в виде интеграла Фурье:

Интеграл Фурье собирает сигнал x(t) из бесконечного множества синусоидальных составляющих всевозможных частот ω, имеющих амплитуды X_ω и фазы φ_ω.

На практике нас больше интересует анализ конечных по времени звуков. Поскольку музыка не является статичным сигналом, её спектр меняется во времени. Поэтому при спектральном анализе нас обычно интересуют отдельные короткие фрагменты сигнала. Для анализа таких фрагментов цифрового аудиосигнала существует дискретное преобразование Фурье:

Здесь N отсчётов дискретного сигнала x(n) на интервале времени от 0 до N–1 синтезируются как сумма конечного числа синусоидальных колебаний с амплитудами X_k и фазами φ_k. Частоты этих синусоид равны kF/N, где F – частота дискретизации сигнала, а N – число отсчётов исходного сигнала x(n) на анализируемом интервале. Набор коэффициентов X_k называется амплитудным спектром сигнала. Как видно из формулы, частоты синусоид, на которые раскладывается сигнал, равномерно распределены от 0 (постоянная составляющая) до F/2 – максимально возможной частоты в цифровом сигнале. Такое линейное расположение частот отличается от распределения полос третьоктавного анализатора.

FFT-анализаторы

FFT (fast Fourier transform) – алгоритм быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье. Благодаря ему стало возможным анализировать спектр звуковых сигналов в реальном времени.

Рассмотрим работу типичного FFT-анализатора. На вход ему поступает цифровой аудиосигнал. Анализатор выбирает из сигнала последовательные интервалы («окна»), на которых будет вычисляться спектр, и считает FFT в каждом окне для получения амплитудного спектра X_k. Вычисленный спектр отображается в виде графика зависимости амплитуды от частоты (рис. 3). Аналогично полосовым анализаторам, обычно используется логарифмический масштаб по осям частот и амплитуд. Но из-за линейного расположения полос FFT по частоте спектр может выглядеть недостаточно детальным на нижних частотах или излишне осциллирующим на верхних частотах.

Рис. 3. Дисплей FFT-анализатора

Если рассматривать FFT как набор фильтров, то, в отличие от полосовых фильтров третьоктавного анализатора, фильтры FFT будут иметь одинаковую ширину в герцах, а не в октавах. Поэтому розовый шум на FFT-анализаторе будет уже не горизонтальной линией, а наклонной, со спадом 3 дБ/окт. Горизонтальной линией на FFT-анализаторе будет белый шум – он содержит равную энергию в равных линейных частотных интервалах.

Параметр N – число анализируемых отсчётов сигнала – имеет решающее значение для вида спектра. Чем больше N, тем плотнее сетка частот, по которым FFT раскладывает сигнал, и тем больше деталей по частоте видно на спектре. Для достижения более высокого частотного разрешения приходится анализировать более длинные участки сигнала. Если сигнал в пределах окна FFT меняет свои свойства, то спектр будет отображать некоторую усреднённую информацию о сигнале со всего интервала окна.

Когда нужно проанализировать быстрые изменения в сигнале, длину окна N выбирают маленькой. В этом случае разрешение анализа по времени увеличивается, а по частоте – уменьшается. Таким образом, разрешение анализа по частоте обратно пропорционально разрешению по времени. Этот факт называется соотношением неопределённостей.

Весовые окна

Один из простейших звуковых сигналов – синусоидальный тон. Как будет выглядеть его спектр на FFT-анализаторе? Оказывается, это зависит от частоты тона. Мы знаем, что FFT раскладывает сигнал не по тем частотам, которые на самом деле присутствуют в сигнале, а по фиксированной равномерной сетке частот. Например, если частота дискретизации равна 48 кГц и размер окна FFT выбран 4096 отсчётов, то FFT раскладывает сигнал по 2049 частотам: 0 Гц, 11.72 Гц, 23.44 Гц, . 24000 Гц.

Если частота тона совпадает с одной из частот сетки FFT, то спектр будет выглядеть «идеально»: единственный острый пик укажет на частоту и амплитуду тона (рис. 4, белый график).

Если же частота тона не совпадает ни с одной из частот сетки FFT, то FFT «соберёт» тон из имеющихся в сетке частот, скомбинированных с различными весами. График спектра при этом размывается по частоте (рис. 4, зелёный график). Такое размытие обычно нежелательно, так как оно может закрыть собой более слабые звуки на соседних частотах. Можно также заметить, что амплитуда максимума зелёного графика ниже реальной амплитуды анализируемого тона. Это связано с тем, что мощность анализируемого тона равна сумме мощностей коэффициентов спектра, из которых этот тон составлен.

Рис. 4. Спектр синусоидального тона различных частот с весовыми окнами и без них

Чтобы уменьшить эффект размытия спектра, сигнал перед вычислением FFT умножается на весовые окна – гладкие функции, похожие на гауссиан, спадающие к краям интервала. Они уменьшают размытие спектра за счёт некоторого ухудшения частотного разрешения. Если рассматривать FFT как набор полосовых фильтров, то весовые окна регулируют взаимное проникновение частотных полос.

Простейшее окно – прямоугольное: это константа 1, не меняющая сигнала. Оно эквивалентно отсутствию весового окна. Одно из популярных окон – окно Хэмминга. Оно уменьшает уровень размытия спектра примерно на 40 дБ относительно главного пика.

Весовые окна различаются по двум основным параметрам: степени расширения главного пика и степени подавления размытия спектра («боковых лепестков»). Чем сильнее мы хотим подавить боковые лепестки, тем шире будет основной пик. Прямоугольное окно меньше всего размывает верхушку пика, но имеет самые высокие боковые лепестки. Окно Кайзера обладает параметром, который позволяет выбирать нужную степень подавления боковых лепестков.

Другой популярный выбор – окно Хана. Оно подавляет максимальный боковой лепесток слабее, чем окно Хэмминга, но зато остальные боковые лепестки быстрее спадают при удалении от главного пика. Окно Блэкмана обладает более сильным подавлением боковых лепестков, чем окно Хана.

Для большинства задач не очень важно, какой именно вид весового окна использовать. Главное, чтобы оно было. Популярный выбор – Хан или Блэкман. Использование весового окна уменьшает зависимость формы спектра от конкретной частоты сигнала и от её совпадения с сеткой частот FFT.

Рисунок 4 сделан для синусоид, однако, исходя из него, нетрудно представить, как будет выглядеть спектр реальных звуковых сигналов. Каждый пик в спектре будет иметь некоторую размытую форму, в зависимости от своей частоты и выбранного весового окна.

Чтобы компенсировать расширение пиков при применении весовых окон, можно использовать более длинные окна FFT: например, не 4096, а 8192 отсчета. Это улучшит разрешение анализа по частоте, но ухудшит по времени.

Спектрограмма

Часто возникает необходимость проследить, как спектр сигнала меняется во времени. FFT-анализаторы помогают сделать это в реальном времени при воспроизведении сигнала. Однако в ряде случаев оказывается удобна визуализация изменения спектра во всём звуковом отрывке сразу. Такое представление сигнала называется спектрограммой. Для её построения применяется оконное преобразование Фурье: спектр вычисляется от последовательных окон сигнала (рис. 5), и каждый из этих спектров образует столбец в спектрограмме.

Рис. 5. Вычисление спектрограммы сигнала

По горизонтальной оси спектрограммы откладывается время, по вертикальной – частота, а амплитуда отображается яркостью или цветом. На спектрограмме гитарной ноты на рис. 6 видно развитие звучания: оно начинается с резкой атаки и продолжается в виде гармоник, кратных по частоте основному тону 440 Гц. Видно, что верхние гармоники имеют меньшую амплитуду и затухают быстрее, чем нижние. Также на спектрограмме прослеживается шум записи – равномерный фон тёмно-синего цвета. Справа показана шкала соответствия цветов и уровней сигнала (в децибелах ниже нуля).

Рис. 6. Спектрограмма гитарной ноты с разными размерами окна FFT

Если менять размер окна FFT, становится хорошо видно, как меняется частотное и временное разрешение спектрограммы. При увеличении окна гармоники становятся тоньше, и их частота может быть определена более точно. Однако размывается во времени момент атаки (в левой части спектрограммы). При уменьшении размера окна наблюдается обратный эффект.

Особенно полезна спектрограмма при анализе быстро меняющихся сигналов. На рис. 7 показана спектрограмма вокального пассажа с вибрато. По ней легко определить такие характеристики голоса, как частота и глубина вибрато, его форма и ровность, наличие певческой форманты. По изменению высоты основного тона и гармоник прослеживается исполняемая мелодия.

Рис. 7. Спектрограмма вокального пассажа с вибрато

Применения спектрограммы

Современные средства реставрации звука, такие как программа iZotope RX, активно используют спектрограмму для редактирования отдельных частотно-временных областей в сигнале. С помощью этой техники можно найти и подавить такие нежелательные призвуки, как звонок мобильного телефона во время важной записи, скрип стула пианиста, кашель в зрительном зале и т.п.

Проиллюстрируем использование спектрограммы для удаления свиста поклонников из концертной записи.

Рис. 8. Удаление нежелательных призвуков с помощью спектрограммы

На рис. 8 свист легко находится: это светлая кривая линия в районе 3 кГц. Если бы частота свиста была постоянной, то его можно было бы подавить с помощью режекторного фильтра. Однако в нашем случае частота меняется. Для выделения свиста на спектрограмме удобно воспользоваться инструментом «волшебная палочка» из программы iZotope RX II. Одно нажатие приводит к выделению основного тона свиста, повторное нажатие выделяет гармоники. После этого свист можно удалить, просто нажав на клавишу Del. Однако более аккуратный способ – воспользоваться модулем Spectral Repair: это позволит избежать «дыр» в спектре после удаления свиста. После применения этого модуля в режиме ослабления с вертикальной интерполяцией (Attenuate vertically) свист практически полностью исчезает из записи: как визуально, так и на слух.

Еще одно полезное применение спектрограммы – анализ присутствия в записи следов компрессии MP3 или других кодеков с потерями. У большинства записей оригинального (несжатого) качества частотный диапазон простирается до 20 кГц и выше; при этом энергия сигнала плавно спадает с ростом частоты (как на рис. 6, 7). В результате психоакустической компрессии верхние частоты сигнала квантуются сильнее нижних, и верхняя граница спектра сигнала обнуляется (как на рис. 8). При этом частота среза зависит от содержания кодируемого сигнала и от битрейта кодера. Ясно, что кодер стремится обнулять только те частоты в сигнале, которые в данный момент не слышны (замаскированы). Поэтому частота среза, как правило, меняется во времени, что образует на спектрограмме характерную «бахрому» с островками энергии на тёмном фоне.

Спектрограмма часто позволяет найти в записи дефекты, которые неочевидны при прослушивании, но могут сказаться при последующей обработке. Например, паразитная наводка от ЭЛТ-видеомонитора на частоте 15–16 кГц может ускользнуть от уха пожилого звукорежиссёра. Однако спектрограмма ясно покажет её в виде горизонтальной линии (рис. 9) и позволит уточнить частоту для настройки режекторного фильтра.

Рис. 9. Паразитная наводка от видеомонитора с частотой 15.6 кГц

Аналогичная ситуация иногда возникает и с низкочастотными помехами, такими как задувание ветра в микрофон или постоянная составляющая (смещение по постоянному току, DC offset). Они могут располагаться на инфранизких частотах и не обнаруживать себя без помощи спектроанализатора или осциллографа.

Заключение

Среди опытных звукорежиссёров старой школы распространено мнение, что анализировать и редактировать сигналы следует исключительно на слух, не полагаясь на индикаторы и анализаторы. Разумеется, анализаторы – не панацея в случае отсутствия слуха. Вряд ли кто-то серьёзно воспринимает идею сведения композиции «по приборам».

Не отрицая важности критического прослушивания звука на каждой стадии редактирования, мы всё же предлагаем использовать анализаторы спектра в тех задачах, где это может привести к более точным результатам. Конечно, можно определить на слух паразитный тон на частоте 15 кГц и подобрать режекторный фильтр подходящей добротности для его удаления. Но намного проще увидеть этот тон на спектроанализаторе и сразу более точно оценить его свойства: «плывёт» ли частота, есть ли боковые пики. В конечном счёте, это позволит более аккуратно удалить помеху. Аналогичная ситуация и со многими другими задачами редактирования, особенно – в реставрации звука.

Спектр и спектрограмма – способы представления звука, более близкие к слуховому восприятию, нежели осциллограмма. Надеюсь, что эта статья откроет новые возможности в анализе и редактировании звука для тех, кто ранее с этими представлениями не работал.

Что такое анализатор спектра?

Анализатор спектра предназначен для измерения и визуализации сигнального спектра. В быту этот прибор не используется, но его часто можно встретить в лабораториях и на производстве в промышленных предприятиях. Спектроанализаторы реагируют на изменение амплитуды звуковой волны.

Что такое анализатор спектра?

Это устройство для визуализации и анализа спектра сигнала. Сигнальный спектр представляет собой набор синусоидальных волн в конкретный момент времени. С помощью анализатора спектра можно увидеть распределение энергии по частотам и получить амплитудно-частотную характеристику сигнала. На основании полученных данных можно заглушить шумы и помехи, вернуть сигнал в закрепленную за ним частоту. После выяснения того, что такое анализатор спектра радиочастот, следует ознакомиться с работой прибора. Устройство применяется:

• при измерении частотных характеристик в микроволновой и радиоволновой областях;
• во время тестирования кабельного телевидения, радио;
• для решения узкоспециализированных задач, направленных на повышение совместимости двух радиоприборов, проверки устойчивости готовой техники к помехам и т.д.;
• для калибровки генераторов;
• во время контроля, испытаний, тестирования качества электронных изделий;
• для изучения спектральных показателей;
• для проверки соответствия устройств мобильной и радиосвязи действующим стандартам;
• в процессе диагностики импульсного соответствия и работы генераторов.

Принцип работы и назначение

Интерес к тому, как работает анализатор спектра, вполне естественен. Основное назначение анализатора спектра – наблюдение и измерение колебаний энергии в частотной полосе. Эти процедуры нужно проводить для того, чтобы радиоприборы работали исключительно в своей полосе, не создавая друг для друга помех. По результатам полученных с помощью анализатора измерений осуществляется дальнейшая настройка техники. Принцип действия анализатора спектра зависит от его типа. В основе работы свипирующих приборов лежит супергетеродинный приемник:

1. Входящий радиочастотный сигнал смешивается с частотой локального осциллятора. Результатом этого процесса становится сигнал с более низкой промежуточной частотой (ПЧ).
2. Новый сигнал проходит через несколько усилительных каскадов.

В современном свипирующем оборудовании используют цифровые компоненты (сигнальные процессоры, микропроцессоры и т.д.). Принципы работы анализатора спектра в реальном времени будут сильно отличаться:

1. Устройство собирает информацию во временной области, а после с помощью преобразования Фурье переводит ее в частотную область.
2. Принятые устройством радиочастотные сигналы преобразуются далее. Усиление и ослабление.
3. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) оцифровывает последнюю ПЧ. Дальнейшая обработка производится цифровыми процессорами.

У некоторых моделей цифровых анализаторов существуют режимы демодуляции. При их активации входной сигнал оцифровывается без частотного преобразования. Модулирующие сигналы обрабатываются, как и радиочастотные.

Типы анализаторов спектра радиочастот

Существует много видов измеряющего спектрального оборудования. Классифицируют приборы исходя из их основных характеристик:

• По принципу действия: последовательные (сканирующие) и параллельные (многоканальные).
• По способу обработки поступающей информации: аналоговые и цифровые.
• По виду анализа: скалярные (для получения информации исключительно о гармонических составляющих) и векторные (для получения информации о гармонических и фазовых составляющих).
• По диапазону частот: низкочастотные, широкополосные, работающие в оптическом диапазоне.

Последовательные анализаторы спектра считаются более распространенными. Они сканируют частотную полосу с помощью маломощного генератора электрических колебаний. Селективный усилитель промежуточной частоты последовательно выделяет спектральные составляющие, и их отклики воспроизводятся на экране. Анализаторы параллельного типа укомплектованы высокодобротными резонаторами, настроенными на определенные частоты. При одновременном воздействии сигнала каждый узкополосный фильтр выделяет по одной его составляющей, что позволяет вести параллельный анализ данных.

Основные характеристики

Спектроанализаторами часто измеряют частоту, мощность, шум, искажения, модуляцию спектра. Спектральный состав сигнала очень важен в системах с ограниченной по ширине полосой частот. Переданная мощность тоже играет значительную роль. Если этот показатель будет слишком маленьким, то звуковая волна не достигнет точки назначения. Слишком большие значения мощности быстро истощают запас аккумуляторов, повышают рабочую температуру системы, вызывают дополнительные помехи.

Оценка качества модуляции нужна для того, чтобы убедиться в корректности работы системы. При аналоговой модуляции измеряют уровни полосы боковых частот, заполнение полосы частот, коэффициент модуляции. При цифровой модуляции оценивают дисбаланс IQ, модуль вектора погрешности, зависимость погрешности от фазы времени. К основным характеристикам анализирующих приборов относят:

• Разрешающую способность. Эта характеристика представляет собой минимальный интервал частот, при котором прибор выделит соседние составляющие спектра как отдельные линии, а затем сможет измерить их уровни. Разрешающая способность бывает динамической и статической.
• Диапазон частот. Это частотный интервал, в котором возможен спектральный анализ. Диапазон в устройстве может быть разбит на поддиапазоны. Обычно в приборах предусмотрена возможность исследовать сигналы не по всему интервалу, а только в конкретной его части. Ее называют полосой обзора. Такой подход применяется для того, чтобы повысить точность анализа.
• Время анализа. Обозначает скорость измерений. На него влияет динамическая разрешающая способность и время, необходимое для получения показаний с резонаторов.
• Погрешность по частоте. Показывает с какой точностью устройство определяет диапазон между спектральными составляющими.
• Погрешность по амплитуде. Зависит от инструментальной погрешности анализатора и сигнального спектра.

Виды анализаторов спектра

Все приборы можно поделить на низкочастотные, радиочастотные и оптические. Низкочастотные способны работать в диапазонах от нескольких герц до сотен килогерц. Радиочастотные работают с полосой до сотен гигагерц. Анализаторы спектра бывают:

• Полосовыми. На дисплее устройства отображается множество полос, демонстрирующих уровень сигнала. В первых моделях такой техники использовались аналоговые фильтры. Полосовые анализаторы часто используют для настройки амплитудно-частотных характеристик акустических систем в театрах, на концертных площадках. В них для анализа сигнала применяется преобразование Фурье.
• FFT-анализаторы. Они способны анализировать звуковые сигналы в режиме реального времени. Чтобы предупредить размытие тона по частоте при измерениях используются весовые окна.
• Представляющие сигнал спектрограммой. Эти приборы позволяют визуально отслеживать изменения звуковой волны во времени. Время отображается по горизонтальной оси, частота – по вертикальной, а звуковую амплитуду обозначают отдельным цветом. Отсчет может быть разным.

Современные модели анализаторов поддерживают функции всех перечисленных выше типов приборов. Они также работают с аналоговыми и цифровыми фильтрами, что значительно расширяет сферу их применения.

Как выбрать анализатор спектра?

Оборудование подбирают исходя из поставленных задач. Основные правила выбора анализаторов:

1. Определение класса устройства. Техника этого вида бывает бюджетной и премиальной. Дорогие спектроанализаторы работают с разными типами частот.
2. Оценка необходимой точности и чувствительности измерений. Для некоторых видов работ нужны высокоточные и сверхчувствительные приборы, которые не могут быть бюджетными.
3. Наличие/отсутствие возможности подключения дополнительных плат. Модульность позволяет в дальнейшем подключать к устройству новые измерительные приборы, повысить точность проводимого анализа.

Анализаторы с высокой точностью собирающие сведения об интенсивности отдельных гармоник применяют в электротехнических лабораториях. Звукорежиссерам из-за вида деятельности приходится пользоваться приборами для измерения низких частот. С их помощью можно определить степень разборчивости звука.

Что такое анализатор спектра? Что такое анализатор спектра? https://sernia.ru/ Анализатор спектра предназначен для измерения и визуализации сигнального спектра. В быту этот прибор не используется, но его часто можно встретить в лабораториях и на производст.

Различие между измерительным приемником и анализатором спектра

Различие между измерительным приемником и анализатором спектра

Измерительный приемник

Измерительные приёмники построены по принципу приёмников супергетеродинного типа, так как они должны иметь большую чувствительность и высокую селективность. При испытаниях с целью подтверждения соответствия требованиям ЭМС обычно используются измерительные приемники, параметры которых оптимизированы для осуществления указанных испытаний.

Ранее измерительные приемники имели ручное управление, и оператор должен был снимать показания измерительного прибора на каждой частоте, где эти показания близки к предельно допустимому значению. Это была длительная процедура, при которой были возможны ошибки. Современные измерительные приемники полностью автоматизированы и функционируют с использованием специального программного обеспечения при управлении через стандартный интерфейс, соответствующий требованиям IEEE-488.

Это позволяет осуществлять измерения, устанавливая правильные параметры измерительного приемника во всей полосе частот измерений с помощью персонального компьютера. В результате минимизируется время измерений при перекрытии полосы частот без пропусков. Результаты измерений сохраняются в памяти персонального компьютера и могут быть представлены в виде файла или в распечатанном виде.

Измерительный приемник имеет отличительные особенности в сравнении с анализатором спектра, указанные ниже:

• существенно более высокая чувствительность, что позволяет отделять полезные сигналы от шумов при уровнях сигналов гораздо более низких, чем предельно допустимые уровни помех;
• избирательность входных цепей и стойкость к перегрузкам;
• измерительный приемник специально предназначен для осуществления измерений в соответствии с требованиями стандартов СИСПР. Для этой цели выбираются соответствующие полосы частот, виды детекторов, динамический диапазон сигналов;
• точность измерений частоты и амплитуды сигналов выше, чем у анализаторов спектра;

Анализатор спектра

Это прибор для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот. Обычный анализатор спектра стоит, безусловно, значительно дешевле, чем измерительный приемник. Оборудование этого вида широко используется при таких испытаниях и проверках, когда необходимо обеспечить быстрый просмотр полосы частот.

Спектральный дисплей с немедленным отображением исключительно полезен для выявления частот, на которых действуют нежелательные радиочастотные помехи, и характера этих помех, особенно если имеется возможность сузить полосу просмотра до небольшой части полного спектра. Анализатор спектра, имеющий в своем составе следящий генератор, пригоден для проведения контроля высокочастотных откликов цепей.

Вместе с тем, обычный анализатор спектра не является альтернативой по отношению к измерительному приемнику в установках для проведения испытаний на соответствие требованиям ЭМС вследствие ограниченных чувствительности и динамического диапазона сигналов, а также восприимчивости к перегрузкам.
На рис. 1 приведена структурная схема типичного анализатора спектра.

Рис. 1. Структурная схема анализатора спектра

Входной сигнал подается непосредственно на смеситель, где определяется полная полоса частот анализатора. При этом не предусматривается повышение избирательности входных цепей или возможность предварительного усиления сигналов. Это приводит к трем последствиям:

1. Повышается уровень собственных шумов, и если принять во внимание ослабление сигналов в преобразователях и кабелях, то чувствительность анализатора оказывается едва достаточной для выделения сигнала из шумов при уровнях сигналов, близких к предельно допустимым уровням помех.
2. Диодный смеситель является весьма недолговечным компонентом и легко повреждается при воздействии кратковременного входного сигнала переходного характера или при наличии длительной перегрузки на входе. Если вы не будете предпринимать меры для защиты входных цепей, то обнаружите, что перечень необходимых ремонтных работ будет быстро увеличиваться.
3. Широкополосные сигналы большой мощности могут перегрузить смеситель, в результате чего возникает нелинейный режим работы, даже если уровень сигнала в полосе частот детектора находится в пределах, не выходящих за динамический диапазон работы прибора.

Преселектор

Вы можете найти анализатор спектра, характеристики которого будут эквивалентны характеристикам измерительного приемника, но и стоимость его в этом случае будет примерно эквивалентной стоимости измерительного приемника. Поэтому для большинства компаний более приемлемым компромиссом является улучшение характеристик анализатора спектра за счет использования следящего преселектора.

Преселектор (рис.2) представляет собой отдельное устройство, которое обеспечивает защиту входных цепей, предварительное усиление сигналов и содержит сканирующий перестраиваемый фильтр, связанный с местным генератором анализатора спектра. Предварительный усилитель улучшает шумовые характеристики анализатора спектра таким образом, что они становятся эквивалентными характеристикам измерительного приемника.

Также важно и то обстоятельство, что наличие защиты входных цепей позволяет безопасно использовать измерительный прибор в условиях значительных перегрузок, так как перестраиваемый входной фильтр снижает мощность сигнала, поступающего на смеситель, в сравнении с мощностью широкополосного сигнала, в результате чего повышается эффективный динамический диапазон анализатора спектра.

Рис. 2. Следящий преселектор

Негативной стороной применения следящего преселектора является то обстоятельство, что его стоимость может быть равной стоимости самого анализатора спектра, что приводит к удвоению стоимости всей системы. В продаже существуют преселекторы с ручным управлением, неудобные в использовании, но вы можете улучшить их характеристики путем доработки прибора.

При разработке изделия анализатор спектра может использоваться в соответствии с назначением для проведения диагностических испытаний, и вы можете подключить к нему преселектор только тогда, когда наступит время для проведения испытаний изделия на соответствие требованиям ЭМС.

Подобно измерительным приемникам, современные анализаторы спектра с преселекторами являются программированными и управляются через стандартный интерфейс по IEEE-488. Для них имеется в наличии необходимое программное обеспечение, что позволяет использовать эти приборы при проведении испытаний на соответствие требованиям ЭМС так же, как и измерительные приемники (т.е. с применением персонального компьютера для управления и обработки данных).

Следящий генератор

Применение следящего генератора, совместно с анализатором спектра, позволяет без значительного увеличения стоимости существенно увеличить измерительные возможности анализатора спектра. С помощью следящего генератора и анализатора спектра вы получаете возможность выполнять большой объем измерений, связанных с частотной восприимчивостью к помехам, являющихся необходимой составной частью полного комплекса испытаний изделий в области ЭМС.

Следящий генератор (рис.3) представляет собой генератор сигналов, выходная частота которого связана с частотой измерений анализатора спектра и сканируется по одному и тому же закону. Выходное напряжение генератора поддерживается постоянным с достаточно высокой точностью, обычно с отклонениями менее ± 1 дБ, в полосе частот от 100 кГц до 1 ГГц. Это напряжение подается на вход исследуемой цепи, выход которой подключается к анализатору спектра.

При этом на дисплее анализатора спектра можно анализировать амплитудно-частотную характеристику исследуемой цепи. Динамический диапазон теоретически равен динамическому диапазону анализатора спектра (около 120 дБ), но на практике он ограничен из-за возникновения паразитной связи при подключении кабелей к исследуемой цепи.

Рис. 3. Следящий генератор.

Вы можете использовать комбинацию следящий генератор/анализатор спектра для проведения нескольких видов испытаний в области ЭМС, в целях:

• оценки затухания в кабелях. Ослабление сигнала в кабеле, как функция от частоты, должно учитываться при проведении всех видов испытаний на помехоэмиссию;
• проведения калибровки открытой испытательной площадки. Затухание сигнала между двумя калиброванными антеннами, размещаемыми на площадке, как функция от частоты, является важнейшим параметром открытых испытательных площадок;
• оценки характеристик компонентов, фильтров, аттенюаторов и усилителей, что является важнейшим условием эффективного применения средств обеспечения ЭМС;
• оценки эффективности экранирования камер и помещений
• определения структурных и схемных резонансов.

Ширина полосы пропускания

Уровень помехи, являющийся результатом измерений на некоторой частоте, зависит от ширины полосы пропускания измерительного приемника и импульсного отклика его детектора. Эти параметры точно установлены в специальном стандарте, на который даны ссылки во всех коммерческих стандартах в области помехоэмиссии, основанных на работах СИСПР, и прежде всего в ЕН55011, ЕН55014 и ЕН55022.

Указанным специальным стандартом является Публикация СИСПР 16-1*. СИСПР 16-1 подразделяет общий диапазон частот измерений от 9 кГц до 1000 МГц на четыре полосы частот и устанавливает значения измерительной ширины полосы пропускания измерительного приемника, постоянные для каждой их этих полос частот (таблица 1).

Источники помехоэмиссии могут быть отнесены к создающим узкополосные помехи (как правило, гармонические составляющие генераторов и сигналов) и широкополосные помехи (как правило, вызванные повторяющимися включениями аппаратуры, действием контроллеров и преобразованиями цифровых данных). Реальное различие между узкополосными и широкополосными помехами основано на том, как соотносится между собой ширина полосы частот помехи и ширина полосы пропускания измерительного приемника.

Помеха является широкополосной, если ширина ее полосы частот превышает ширину полосы пропускания измерительного приемника. Таким образом, помеху, имеющую ширину полосы частот 30 кГц на частоте 20 МГц (полоса частот B, в соответствии с СИСПР), следует классифицировать, как широкополосную, в то время как эту же помеху на частоте 40 МГц (полоса частот C в соответствии с СИСПР) следует отнести к узкополосной.

Таблица 1. Ширина полосы пропускания измерительного приемника и параметры детектора квазипиковых значений, установленные в СИСПР 16-1

Детектор квазипиковых значений

Полоса частот, установленная СИСПР

Ширина полосы пропускания в точках -6 дБ, кГц

Работа анализатора спектра и принцип его работы

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:
• 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

Rohde&Schwarz FSС4 Анализатор спектра

Профессиональный анализатор спектра — компактный и экономичный Прибор R&S®FSC — это компактное и экономичное решение, в котором представлены все основные функции профессионального анализатора спектра с качеством Rohde &Schwarz.