Agilent. Основы анализа спектра - страница 3

На Рис. 2-4 проиллюстрирован процесс настройки анализатора. Здесь f_LO недостаточно высока, чтобы продукт смешения с результирующей частотой f_LO - f_SIG попадал в полосу ПЧ, поэтому не будет отклика на дисплее. Однако если мы подгоним генератор пилообразного напряжения так, чтобы настраивать гетеродин на более высокие частоты, этот продукт смешения попадет в полосу ПЧ в некоторой точке «пилы» (развертки), и мы увидим отклик на дисплее.

Рисунок 2-4. Чтобы на дисплее появился отклик, гетеродин надо отстроить на f_IF + f_sig

Поскольку генератор «пилы» контролирует как горизонтальную позицию луча на дисплее, так и частоту гетеродина, мы можем теперь калибровать горизонтальную ось дисплея в терминах частоты входного сигнала.

Пока мы еще не совсем покончили с настройкой. Что случится, если частота входного сигнала будет 8.2 ГГц? Когда гетеродин настраивается в своем диапазоне 3.9 – 7.0 ГГц, он достигает частоты (4.3 ГГц), в которой он отличается от 8.2-ГГц сигнала на величину ПЧ. И снова мы имеем продукт смешения на частоте ПЧ, создающий изображение на экране дисплея. Другими словами, уравнение настройки вполне могло бы иметь вид f_SIG = f_LO - f_F .

Это уравнение говорит, что архитектура на Рис. 2-1 может также привести к диапазону настройки 7.8 – 10.9 ГГц, но только если мы позволим сигналам этого диапазона достичь смесителя. Задачей фильтра нижних частот на Рис. 2-1 является предотвращение попадания сигналов этих высоких частот на смеситель. Мы также желаем не пускать сигналы на самой ПЧ в смеситель, как описано выше, так что фильтр нижних частот должен хорошенько ослаблять сигналы частоты 3.9 ГГц, а также в диапазоне 7.8 – 10.9 ГГц.

В результате, мы можем сказать, что для анализатора однополосного спектра радиочастот мы должны выбирать ПЧ выше самой высокой частоты диапазона настройки, делая диапазон перестройки гетеродина от ПЧ до ПЧ плюс верхний предел диапазона настройки, и включать фильтр нижних частот перед смесителем, чтобы вырезать частоты ниже ПЧ.

Рисунок 2-5. В большинстве анализаторов спектра используется от двух до четырех ступеней смешения для достижения финальной ПЧ

Так, упрощая уравнение настройки путем использования только первой ПЧ, приходим к тем же верным ответам. Хотя на рисунке показаны только пассивные фильтры, действительное воплощение включает усиление в более узкополосном каскаде ПЧ. Финальная секция содержит дополнительные компоненты – например, логарифмический усилитель или АЦП, в зависимости от конструкции конкретного анализатора.
В большинстве анализаторов радиочастотного спектра нижняя частота гетеродина бывает равна первой ПЧ и даже ниже. Поскольку изоляция между гетеродинным и ПЧ портами смесителя конечна, колебания гетеродина проникают на выход смесителя. Когда частота гетеродина равна ПЧ, сигнал гетеродина обрабатывается системой и появляется на дисплее в виде отклика, как если бы это был сигнал на частоте 0 Гц. Этот отклик, называемый сквозное гетеродинное просачивание, может скрыть сигналы на очень низких частотах, поэтому не все анализаторы включают в отображаемый диапазон частоту 0 Гц.

Усиление ПЧ
Снова взглянув на Рис. 2-1, видим, что следующим компонентом блок-схемы является усилитель с переменным коэффициентом усиления. Он используется для подстройки вертикального положения сигнала на дисплее без воздействия на уровень сигнала во входном смесителе. Когда изменяется уровень усиления ПЧ, соответственно изменяется значение опорного уровня, чтобы поддерживать корректное отображение амплитуды сигналов. Обычно, нам вовсе не нужно, чтобы опорный уровень менялся при изменении входного ослабления, поэтому установки ПЧ-усиления и входного аттенюатора сопряжены. Изменение во входном аттенюаторе автоматически вызывает изменение в усилении ПЧ, чтобы отстроить эффект изменения входного ослабления и оставить сигнал на том же месте на дисплее, где он и был.

Разрешение сигналов
Следом за усилителем ПЧ в схеме идет секция, состоящая из аналоговых и/или цифровых фильтров полосы частотного разрешения.

Аналоговые фильтры
Частотное разрешение – это способность анализатора спектра разделять две входные синусоиды на два отдельных отклика. По теории Фурье, вся энергия сигнала чистой синусоидальной волны находится на одной частоте, так что, вроде бы, никаких проблем с разрешением возникать не должно – ведь два сигнала, неважно, насколько близкие друг к другу по частоте, должны отображаться на дисплее в виде двух отдельных линий. Но, внимательно приглядевшись к нашему супергетеродинному приемнику, мы увидим, почему у отображаемых на дисплее сигналов есть вполне ощутимая ширина. На выходе смесителя имеются два исходных сигнала (входной и ПЧ), а также их сумма и разность. Полосовой фильтр определяет промежуточную частоту, и он же пропускает нужный продукт смешения, а остальные сигналы отсеивает. Поскольку входной сигнал – фиксированный, а сигнал гетеродина – качается по частоте, то продукты смешения также будут качаться. Если при этом качании - или развертке - продукт смешения будет проходить через частоту, соответствующую ПЧ, то на дисплее будет отображаться характеристическая кривая полосового фильтра. Взгляните на Рис. 2-6. Самый узкополосный фильтр в последовательности будет определять всю отображаемую ширину полосы, а в архитектуре на Рис. 2-5 это фильтр на ПЧ 21.4 МГц.

Рисунок 2-6. По мере прохождения продукта смешения через фильтр ПЧ, форма АЧХ фильтра вырисовывается на дисплее

Так что два сигнала должны отстоять друг от друга довольно значительно, а иначе их отображения будут накладываться друг на друга и отображаться как один единственный отклик. К счастью, в анализаторах спектра можно переключаться между несколькими полосовыми фильтрами (ПЧ), поэтому обычно имеется возможность выбрать один достаточно узкополосный для того, чтобы различить близкие сигналы.
В документации на приборы фирмы Agilent разрешающая способность заявлена указанием полос по уровню 3 дБ доступных фильтров ПЧ. Такое требование показывает, насколько близко могут находиться друг к другу сигналы – и при этом все еще быть различимы. В данном случае это будет провал приблизительно в 3 дБ между двумя пиками отображаемых сигналов. Судя по Рис. 2-7, сигналы могут находиться и еще ближе друг к другу, прежде чем их отклики начнут полностью сливаться, но полоса по уровню 3 дБ – это хорошее практическое правило для разделения сигналов одинаковой амплитуды³.

Рисунок 2-7. Две синусоиды одинаковой амплитуды, разделенные 3-дБ полосой выбранного фильтра ПЧ, могут быть различены

Гораздо чаще мы имеем дело с синусоидами, не равными между собой по амплитуде. В таком случае меньшая синусоида запросто может потеряться под «юбкой» отклика синусоиды с большей амплитудой. Этот эффект показан на Рис. 2-8. Верхний отклик выглядит как единичный сигнал, но на самом деле здесь присутствуют два сигнала: один на частоте 300 МГц (0 дБм), а другой – на 300.005 МГц (-30 дБм). Нижний отклик показан после того, как убран сигнал 300 МГц.

Рисунок 2-8. Низкоуровневый сигнал может затеряться под «юбкой» отклика большего сигнала

* прим. ред. Схема с несколькими преобразованиями частоты получилась потому, что преследовалась двойная цель: подавить «зеркальный канал» и добиться малой полосы пропускания на ПЧ.
³ Если вы экспериментируете с разрешением на анализаторе спектра с использованием нормального режима (режима розенфелл) детектора (см. Типы детекторов далее в этой главе), используйте достаточную видео-фильтрацию для создания гладкой кривой. Иначе будет смазывание изображения из-за взаимодействия двух сигналов. И хотя смазанная кривая ясно показывает наличие более чем одного сигнала, амплитуды индивидуальных сигналов определить весьма трудно. Анализаторы с режимом положительного максимума, установленного в качестве режима детектора по умолчанию, могут не показывать эффект смазывания. В этом случае смазывание можно наблюдать, включив режим детектора мгновенного значения.