Spektrianalysaattori

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Spektrianalysaattori on elektroniikan mittalaite, jolla voidaan mitata signaalin spektri eli signaalin taajuusjakauma. Mitattu spektri esitetään graafisesti laitteen näytöllä - yleensä niin, että vaaka-akselilla on taajuus ja pystyakselilla on taajuutta vastaava amplitudi esitettynä logaritmisella desibeliasteikolla.

Spektrianalyysiin liittyy oleellisesti mittausajan ja resoluution välinen epätarkkuusperiaate: mitä suuremmalla taajuusresoluutiolla spektri mitataan sitä pitempi mittausaika tarvitaan.

Spektrianalysaattori voi sisäiseltä toiminnaltaan olla joko digitaalinen FFT-spektrianalysaattori, analoginen pyyhkäisevä spektrianalysaattori tai näiden yhdistelmä.

FFT-spektrianalysaattori[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

FFT-spektrianalysaattorissa analoginen signaali muutetaan digitaaliseen muotoon ottamalla signaalista tasaisin välein näytteitä, jotka mitataan analogi-digitaalimuuntimella ja talletetaan peräkkäin analysaattorin muistiin digitaaliseksi signaaliksi eli näytevektoriksi. Signaalin spektri saadaan laskemalla näytevektorin Fourier'n muunnos FFT:n avulla. Tuloksen amplitudi esitetään graafisesti taajuuden funktiona.

FFT-spektrianalysaattorin kaistaleveys riippuu suurimmasta näytteenottotaajuudesta. Se soveltuu erityisesti audiotaajuuksien ja matalien radiotaajuuksien analysointiin: Maksimi näytteenottotaajuus rajoittaa suurimman mitattavan kaistaleveyden mutta toisaalta mittaus on tehokas sillä Fourier muunnoksen avulla koko spektri saadaan mitatuksi yhdestä näytevektorista. Taajuusresoluutio on vektorin mittausajan käänteisarvo. Toisin sanoen 1 sekunnin mittauksella saavutetaan periaatteessa 1 Hz resoluutio koko mittauskaistalla.

Harrastekäytössä tavallisesta PC:stä, jossa on äänikortti, voi sopivan ohjelman avulla rakentaa yksinkertaisen audiotaajuuksien spektrianalysaattorin havaintotarkoituksiin.

Pyyhkäisevä spektrianalysaattori[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Taajuuspyyhkäisyyn perustuvassa analysaattorissa on muuttuvataajuuksinen radiovastaanotin, jonka vastaanottotaajuutta siirretään sopivalla nopeudella niin, että se kattaa mitattavan taajuuskaistan. Vastaanotetun signaalin amplitudi kertoo suoraan spektrin voimakkuuden taajuuden funktiona. Koska pyyhkäisevässä mittauksessa mitataan vain "yhtä taajuutta" kerrallaan kunkin spektripisteen mittaamiseen tarvitaan periaatteessa yhtä pitkä aika kuin missä FFT analysaattorilla voidaan mitata koko spektri samalla resoluutiolla. Pidemmästä mittausajasta ei kuitenkaan ole suurta haittaa radiotaajuusmittauksissa, jos ei pyritä kovin suureen resoluutioon vaan halutaan mitata spektri laajalta kaistalta.

FFT:n ja pyyhkäisevän mittauksen yhdistävä spektrianalysaattori[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

FFT-analysaattorin ja pyyhkäisevän spektrianalysaattorin edut voidaan yhdistää laitteessa, jossa suuritaajuisen signaalin kapeaa osakaistaa mitattaessa tutkittava osa radiospektristä sekoitetaan ensin alemmalle taajuudelle, jossa se pystytään digitoimaan ja voidaan hyödyntää FFT-analyysiä, kun taas laajempaa kaistaa mitattaessa käytetään taajuuspyyhkäisyä.

Spektrianalysaattorin laatuun vaikuttavia tekijöitä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Spektrianalysaattorin laatu ja hinta riippuvat käytettävien signaalinkäsittelyosien laadusta. Kaikissa signaalimittauksissa tärkeitä ovat tulovahvistimen herkkyys-, lineaarisuus ja kohinaominaisuudet sekä suodattimien laatu. FFT-analyysissa kriittisiä ominaisuuksia ovat lisäksi analogia-digitaalimuuntimen laatu ja mittauksissa käytetyt signaalinkäsittelymenetelmät. Pyyhkäisevän radiotaajuusanalysaattorin tapauksessa vastaanottimen paikallisoskillaattorin ominaisuudet korostuvat.

Tulovaimennin vaikuttaa spektrianalysaattorin herkkyyteen. Tulovaimennin on yleensä ensimmäinen komponentti spektrianalysaattorin etupäässä. Tulovaimennin ei siedä tyypillisesti tasajännitettä ja sen on oltava säädettvä, sillä analysaattorin ominaisuudet ovat riippuvaisia ensimmäisen sekoitusasteen tehotasosta. Kaikki analysaattorit eivät salli tulovaimentimen ohittamista. Mikäli tulovaimennin ohitetaan, tulon heijastusvaimennus määrätytyy ensimmäisen sekoittimen sovituksen mukaan. Tulovaimentimen tehonkesto on oltava mitoitettu analysaattorin käytön mukaan ja tyypillisesti sitä voidaan säätää 1, 5 tai 10 dB portain. Tulovaimenninta seuraa ensimmäinen välitaajuusaste.

Erotussuodatus, erotuskaistanleveys, RBW, kertoo minkälaisen suodattimen lävitse haluttua taajuusikkunaa tarkastellaan ja se vaikuttaa spektrianalysaattorin herkkyyteen. Taajuusikkunan ja erotuskaistanleveyden kytkeminen toisiinsa on käytännöllistä, sillä spektrianalysaattorin näyttö pysyy optimaalisena kulloiseenkin mittaustarpeeseen.

Spektrianalysaattorin erotuskyvyllä eli resoluutiolla tarkoitetaan analysaattorin kykyä erottaa kaksi toisiaan lähellä olevaa signaalia. Mikäli signaalit ovat samantasoisia, niin ainoa erottelykykyyn vaikuttava tekijä on analysaattorin välitaajuussuodattimen (Gaussiansuodatin) leveys. Samankokoisten signaalien erottamisessa voidaan olettaa, että mikäli signaalit ovat kauempana toisistaan kuin välitaajuussuodattimen 3 dB;n kaistanlevys, ne voidaan erottaa toisistaan.

Spektrianalysaattori voi sisältää useita ilmaisintyyppejä: keskiarvoilmaisin (average detector), huippuarvoilmaisin (peak detector), "vuotava" huippuarvoilmaisin (quasipeak detector). Ilmaisun jälkeen mittaustulosta yleensä suodatetaan videosuodattimella (alipäästösuodatin), jolla näytöllä näkyvää signaalia tasoitetaan. Videosuodatuksen ansiosta kohinataso tippuu, mutta signallin ilmaisu hidastuu. Toisaalta reaaliaikainen videokeskiarvoistus on toinen tapa pienentää kohinan näkymistä analysaattorin näytöllä.

Pyyhkäisyaika on suoraan verrannollinen taajuusikkunan leveyteen ja kääntäen verrannollinen välitaajuus- ja videosuodattimien leveyden tuloon. Mikäli videosuodatin on leveämpi kuin välitaajuussuodatin niin näiden tulon asemasta käytetään videosuodattimen neliötä.

Spektrianalysaattorin dynamiikka määrittelee dB:ssä suurimman tasoneron kahden signaalin välille, jotka voidaan vielä mitata yhdellä pyyhkäisyllä siten, että asetetut tarkkuusvaatimukset täyttyvät. Dynamiikkaan vaikuttavat säröytyminen (ensimmäinen välitaajuusasteen sekoitin), vaihekohina ja spektrianalysaattorin herkkyys. Dynamiikka on riippuvainen halutusta mittaustarkkuudesta. Mitä vähemmän virhettä mittaustulokseen tarvitaan, sitä vähemmän dynaamista aluetta on käytettävissä.

Teknisiä tietoja[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pyyhkäisevä spektrianalysaattori[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Signaalivoimakkuuden mittayksikkö on tavallisesti dBm. Tyypillinen käytännön mittausepätarkkuus on +-0,5...2 dB.

Käytännön analysaattorissa on joukko hienouksia kuten esimerkiksi seurantageneraattori (tracking generator). Analysaattori on varsin kallis, joten spektrianalysaattoria ei aina löydy radiolaitehuoltoliikkeistä, mutta toiminto voi löytyä ominaisuuksiltaan rajoitettuneenpana esimerkiksi RF-mittapaikasta tai antennianalysaatorista.

Laitteen hinnasta riippuen sekoitusasteessa käytetään joko yksinkertaista jännitesäätöistä paikallisoskillaattoria tai taajuussynteesin perustuvaa vaihelukittua oskillaattoria.

Yli 5 GHz:n taajuuksia mitatessa sekoittajassa käytetään paikallisoskillaatorin perustaajuuden sijasta sen harmoonista kerrannaista. Sisääntulossa on jänniteviritteiset YIG-suotimet. Myös paikallisoskillaattori on yleensä ns. YIG-oskillattori.

20 GHz...400 GHz alue voidaan mitata käyttämällä erillistä ulkoista harmonista sekoittajaa, jolle syötetään analysaattorista saatava injektiosignaali referenssiksi.

Tämä tekniikkaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.