Analizatory widma: czym są i jakie różne typy występują

Jesteś inżynierem elektrykiem…? Czy kiedykolwiek zdarzyło Ci się używać analizatora widma?

Większość (miejmy nadzieję, że wszyscy!) inżynierowie elektrycy - a być może również wielu inżynierów z innych dziedzin - wie co to oscyloskop i miało okazję go używać. Domyślam się, że większość inżynierów elektryków miała do czynienia z oscyloskopem już na pierwszym roku studiów. Jednakże pewna liczba praktykujących inżynierów elektryków może nie wiedzieć, czym są analizatory widma, nie mówiąc już o ich używaniu.

Czym jest analizator widma?

Dla wielu inżynierów elektryków analizator widma wygląda zupełnie jak oscyloskop z większą ilością funkcji i grafiki. Zarówno oscyloskop, jak i analizator widma wyświetlają amplitudę sygnału na osi pionowej, jednak różnią się wielkością wyświetlaną na osi poziomej. Oscyloskop wyświetla czas, natomiast analizator widma wyświetla częstotliwość. Poniższa ilustracja ukazuje wiele pomiarów częstotliwości wyświetlanych na analizatorze widma DSA815-TG firmy Rigol.

Ilustracja 1: analizatory widma wyświetlają pomiary częstotliwości na osi poziomej. (Źródło ilustracji: Rigol Technologies[1])

Według firmy Keysight Technologies analizator widma „mierzy wielkość sygnału wejściowego w zależności od częstotliwości w pełnym zakresie częstotliwości przyrządu. Jego głównym zadaniem jest pomiar mocy widma znanych i nieznanych sygnałów.”^[2] Innymi słowy, analizator widma pozwala na „analizę widma”, przy czym widmo jest definiowane jako zbiór fal sinusoidalnych połączonych w celu wygenerowania sygnału w dziedzinie czasu.

Dla przykładu przyjrzyjmy się sygnałowi na oscyloskopie (ilustracja 2).

Ilustracja 2: sygnał wyświetlany na oscyloskopie (źródło ilustracji: Agilent Technologies[3])

Oczywiste jest, że sygnał ten nie jest czystym przebiegiem sinusoidalnym, jednak analizator widma rozpoznaje każdy z przebiegów sinusoidalnych, jakie składają się na ten sygnał. Po zidentyfikowaniu tych przebiegów, analizator widma tworzy wykres amplitudy dla częstotliwości każdego z oddzielnych przebiegów. Jak widzimy na ilustracji 3, sygnał przedstawiony na ilustracji 2 składa się tylko z dwóch przebiegów sinusoidalnych.

Ilustracja 3: relacja pomiędzy sygnałem w dziedzinie czasu (który jest wyświetlany na oscyloskopie) i sygnałami w dziedzinie częstotliwości (które są wyświetlane na analizatorach widma) (źródło ilustracji: Agilent Technologies[3])

Analizatory widma dzielimy ze względu na zastosowaną technologię oraz kształt i wielkość

Istnieją dwie główne kategorie analizatorów widma: analizatory strojone przez przemiatanie (swept tuned) oraz analizatory czasu rzeczywistego (RTSA). Obydwa rodzaje są w użyciu od wielu lat i wyświetlają amplitudę na osi pionowej oraz częstość na osi poziomej. Różnią się od siebie sposobem, w jaki analizują widmo.

Biorąc pod uwagę fakt, że analizator strojony przez przemiatanie jest „po prostu woltomierzem selektywnym częstotliwościowo, który jest strojony automatycznie dla różnych częstotliwości w zakresie (przemiatanie),”^[4], nie jest zaskakujące, że te analizatory typu tradycyjnego „wywodzą się od odbiorników radiowych.”^[4] A ponieważ analizatory widma strojone przez przemiatanie „nie są w stanie mierzyć jednocześnie wszystkich częstotliwości w danym zakresie,”^[4] są one głównie wykorzystywane do pomiaru stanów ustalonych lub sygnałów powtarzających się. Analizatory te były od kilku dekad z powodzeniem wykorzystywane przez inżynierów zajmujących się zgodnością z przepisami (próby przed uzyskaniem świadectw zgodności oraz próby zakłóceń i zgodności elektromagnetycznej).

W przeciwieństwie do analizatorów widma strojonych przez przemiatanie, analizatory widma czasu rzeczywistego potrafią mierzyć wszystkie częstotliwości jednocześnie. Analizator widma czasu rzeczywistego działa w pierwszej kolejności poprzez akwizycję danych w dziedzinie czasu, a następnie konwersję tych danych do dziedziny częstotliwości z wykorzystaniem szybkiej trasnformacji fourierowskiej (FFT).

Analizatory widma mogą mieć różne wielkości i kształty: na przykład laboratoryjne (ilustracja 4), ręczne (ilustracja 5) lub przenośne.

Ilustracja 4: laboratoryjny analizator widma T3SA3200 firmy Teledyne LeCroy mierzy przedział częstotliwości od 9kHz do 3,2GHz. (Źródło ilustracji: Teledyne LeCroy[5])

Ilustracja 5: RF Explorer Model 2.4G firmy Seeed Technology jest ręcznym analizatorem widma działającym w zakresie od 2,35GHz do 2,55GHz. (Źródło obrazu: Seeed Technology)

Modele laboratoryjne zwykle charakteryzują się lepszymi parametrami w porównaniu z urządzeniami ręcznymi, jednak mogą być droższe. Ręczne analizatory widma są tańsze i mniejsze, jednak oferują tylko ograniczony zakres możliwości w porównaniu z analizatorami laboratoryjnymi. Analizatory przenośne, to po prostu takie urządzenia (włączając w to niektóre wersje laboratoryjne), które można zabrać w teren dzięki pakietom baterii.

Podsumowanie

Podczas gdy wszyscy (mamy nadzieję!) inżynierowie elektrycy wiedzą czym jest oscyloskop i jak go używać, można przyjąć, że tylko niektórzy kiedykolwiek używali analizatora widma. Pomimo że oscyloskopy i niektóre analizatory widma (wersje laboratoryjne) mogą mieć podobne kształty i wyświetlacze, to różnią się od siebie znacząco. Analizator widma wyświetla zebrane dane w postaci wykresu amplitud zależnych od częstotliwości, natomiast oscyloskop wyświetla informacje w formie amplitudy zależnej od czasu. Jednakże podobnie jak w przypadku oscyloskopów, dostępne są różne typy analizatorów widma, zależnie od potrzeb i budżetu.

Oznaczenia:

1 – Rigol Technologies, „Arkusz danych analizatora widma DSA800” (strona 3)

2 – Keysight Technologies, „Czym jest analizator widma?”

3 – Agilent Technologies, „Podstawy analizy widma wg firmy Agilent” (strony 4-5)

4 – Keysight Technologies, „Różne typy analizatorów”

5 – Teledyne LeCroy, „Karta danych urządzenia T3SA3100/T3SA3200” (strona 2)