Анализаторы спектра, работающие по гетеродинному принципу
Из-за ограниченной полосы пропускания доступных аналого-цифровых преобразователей БПФ-анализаторы подходят только для измерений низкочастотных сигналов. Для отображения спектров высокочастотных сигналов, вплоть до сантиметрового или миллиметрового диапазонов, используются анализаторы с преобразованием частоты. В этом случае спектр входного сигнала не вычисляется по временной характеристике, а определяется путем анализа непосредственно в частотной области. Для такого анализа входной спектр необходимо разбить на отдельные составляющие. Для этого можно использовать настраиваемый полосовой фильтр, показанный на рисунке 1.
Полоса пропускания фильтра соответствует полосе разрешения (RBW, resolution bandwidth) анализатора. Чем меньше ширина полосы разрешения, тем выше спектральное разрешение анализатора.
Однако узкополосные фильтры, перестраиваемые во всем диапазоне входных частот, необходимых для современных анализаторов спектра, технически трудно реализуемы. Более того, перестраиваемые фильтры имеют постоянную относительную полосу пропускания относительно центральной частоты. Следовательно, с увеличением центральной частоты абсолютное значение полосы пропускания увеличивается, и поэтому данная архитектура не подходит для анализа спектра.
Поэтому анализаторы спектра, предназначенные для обработки высоких входных частот, обычно работают по принципу гетеродинного приемника. Структурная схема такого анализатора представлена на рисунке 2.
Гетеродинный приемник преобразует входной сигнал с помощью смесителя и гетеродина (LO, local oscillator) в сигнал промежуточной частоты (ПЧ, IF, intermediate frequency). Если частота гетеродина перестраивается (требование, которое технически выполнимо), то путем изменения частоты гетеродина весь диапазон входных частот может быть преобразован в постоянную промежуточную частоту. После чего разрешение анализатора задается фильтром на ПЧ с фиксированной центральной частотой.
В отличие от концепции, описанной выше, где фильтр, обеспечивающий необходимое разрешение, перестраивается по спектру входного сигнала, в этом случае перестраивается входной сигнал, после чего он проходит через фильтр с фиксированной настройкой.
Перед подачей на фильтр ПЧ, который определяет полосу разрешения, преобразованный сигнал усиливается. Фильтр ПЧ имеет постоянную центральную частоту, что позволяет избежать проблем, связанных с перестраиваемыми фильтрами.
Чтобы на экране одновременно отображались сигналы в широком диапазоне уровней, сигнал ПЧ сжимается с помощью логарифмического усилителя, и определяется его огибающая. Результирующий сигнал называется «видеосигналом». Этот сигнал можно усреднить с помощью регулируемого фильтра нижних частот, называемого «видеофильтром» (соответственно с полосой пропускания, называемой полосой видеосигнала, VBW, video bandwidth). Таким образом, сигнал освобождается от шума и сглаживается для отображения на дисплее. Далее видеосигнал подается на систему вертикального отклонения электронно-лучевой трубки. Поскольку он должен отображаться как функция от частоты, то для горизонтального отклонения электронного луча, и настройки гетеродина используется пилообразный сигнал. И промежуточная частота, и частота гетеродина известны. Таким образом, становится возможным вывести на дисплей спектр входного сигнала.
В современных анализаторах спектра практически все процессы управляются одним или несколькими микропроцессорами, что дает большое количество новых функций, которые иначе были бы невозможны. Одним из приложений в этом отношении является дистанционное управление анализатором спектра через такие интерфейсы, как шина IEEE.
Современные анализаторы используют быструю цифровую обработку сигналов, при которой входной сигнал дискретизируется в подходящей точке с помощью аналого-цифрового преобразователя и затем обрабатывается цифровым сигнальным процессором. Благодаря быстрому развитию цифровой обработки сигналов, модули выборки продвигаются всё ближе к входу тракта прохождения сигнала. Если ранее оцифровывался видеосигнал после аналогового детектора огибающей и видеофильтра, то в современных же анализаторах спектра сигнал часто оцифровывается на последнем этапе прохождения сигнала низкой промежуточной частоты. После чего по выборкам определяется огибающая сигнала ПЧ.
Точно так же первый гетеродин больше не настраивается с помощью аналогового пилообразного сигнала, как было в старых гетеродинных приемниках. Вместо этого, гетеродин привязан к опорной частоте с помощью схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL) и настраивается путем изменения коэффициентов деления схемы ФАПЧ. Преимуществом использования ФАПЧ является значительно более высокая точность частоты, чем та, которую можно достичь при аналоговой настройке.
Вместо электронно-лучевой трубки используются LCD дисплеи, что приводит к более компактным конструкциям.