Spektrumanalysatorer: Hvad er de, og hvad er de forskellige typer, DigiKey

Er du en elektrisk ingeniør...? Har du nogensinde brugt en spektrumanalysator?

De fleste (og forhåbentlig alle!) Elektriske ingeniører - og måske mange ingeniører fra andre discipliner end elektriske - ved hvad et oscilloskop er og har brugt et. Jeg kan forestille mig, at oscilloskopet blev introduceret for de fleste elektriske ingeniører i løbet af deres førsteårs studium. Men når man beskæftiger sig med spektrumanalysatorer, ved nogle praktiserende elektriske ingeniører måske måske ikke, hvad man er, hvad så ikke så vidt har brugt en.

Hvad er en spektrumanalysator?

For mange elektriske ingeniører ser en spektrumanalysator ud som et oscilloskop men med flere funktioner og grafik. Selvom både et oscilloskop og en spektrumanalysator viser et signals amplitude på den lodrette akse, er forskellen imellem dem, der vises på den vandrette akse; et oscilloskop viser tid, hvorimod spektrumanalysatoren viser frekvens. Figuren herunder viser flere frekvensmålinger, der vises på Rigols DSA815-TG Spectrum Analyzer.

Figur 1: Spektrumanalysatorer viser frekvensmålinger på den vandrette akse. (Billedkilde: Rigol Technologies [1])

Ifølge Keysight Technologies måler en spektrumanalysator størrelsen af et indgangssignal kontra frekvens inden for instrumentets fulde frekvensområde. Dens primære anvendelse er at måle kraften i spektret af kendte og ukendte signaler. ”^[2] Med andre ord tillader en spektrumanalysator brugerne at "analysere et spektrum", hvor et spektrum er defineret som en samling af sinusbølger kombineret for at producere et tidsdomænesignal.

Lad os som et eksempel observere et signal på et oscilloskop (figur 2).

Figur 2: Et signal, der vises på et oscilloskop (Billedkilde: Agilent Technologies [3])

Selvom dette signal åbenlyst ikke er en ren sinusformet bølgeform, bestemmer en spektrumanalysator hver af de individuelle sinusformede bølgeformer, der udgør dette signal. Og efter at spektrumanalysatoren har identificeret disse bølgeformer, plotter den amplituden mod frekvensen for hver enkelt bølgeform. Som du kan se i figur 3, består signalet fra figur 2 kun af to sinusformede bølgeformer.

Figur 3: Forholdet mellem et tidsdomænesignal (hvoraf vises på et oscilloskop) og frekvensdomænesignaler (hvoraf vises på spektrumanalysatorer) (Billedkilde: Agilent Technologies [3])

Typer af spektrumanalysatorer: Teknologityper og formfaktorer

Der er to hovedkategorier af spektrumanalysatorer: swept-tuned og realtids- analysatorer, også kaldet realtidsspektrumanalysatorer eller RTSA. Begge typer, der har været brugt i mange år, viser amplitude på den lodrette akse og frekvensen på den vandrette akse, men hvordan de går ud på at "analysere et spektrum" er det, der adskiller dem.

I betragtning af at en fejet afstemt spektrumanalysator er "intet andet end et frekvensselektiv voltmeter med et frekvensområde, der automatisk er indstillet (fejet),"^[4] det er slet ikke overraskende at indse, at disse traditionelle typer analysatorer "stammede fra radiomodtagere."^[4] Og fordi swept-tuned spektrumanalysatorer "ikke kan evaluere alle frekvenser i et givet område samtidig,"^[4] de bruges primært til måling af signal fra stabil tilstand eller gentagne gange. Disse analysatorer har med succes tjent overholdelsesteknologisamfundet (tænk præ-compliance test og EMC/EMI-test) i flere årtier.

I modsætning til swept-tuned spektrumanalysatorer kan realtids-spektrumanalysatorer evaluere alle frekvenser samtidig. En realtids-spektrumanalysator fungerer ved først at hente data i tidsdomænet og derefter konvertere disse data til frekvensdomænet ved hjælp af den hurtige Fourier-transform (FFT).

Spektrumanalysatorer findes i en række formfaktorer, herunder benchtop (figur 4), håndholdt (figur 5) og bærbar.

Figur 4: Teledyne LeCroy's T3SA3200 Benchtop Spectrum Analyzer tilbyder et frekvensområde fra 9 kHz til 3,2 GHz. (Billedkilde: Teledyne LeCroy [5])

Figur 5: Seeed Technology's RF Explorer Model 2.4G er en 2,35 GHz til 2,55 GHz håndholdt spektrumanalysator. (Billedkilde: Seeed Technology)

Benchtop-modeller overgår typisk deres håndholdte kolleger, men kan bære en højere pris. Håndholdte spektrumanalysatorer er både billigere og mindre, men de tilbyder kun en undergruppeevne i forhold til benchtopanalysatorer. Bærbare analysatorer er simpelthen de (inklusive nogle benchtop-versioner), der kan tages i marken takket være deres batteripakker.

Konklusion

Mens alle (vi håber!) elektriske ingeniører ved, hvad et oscilloskop er, og hvordan man bruger et, det kan antages, at kun nogle elektriske ingeniører nogensinde har brugt en spektrumanalysator. Selvom oscilloskoper og nogle spektrumanalysatorer (benchtop-versionerne) kan se ens ud i både formfaktor og display, er de ganske forskellige; en spektrumanalysator præsenterer sine erhvervede data på en amplitude-kontra-frekvens måde, mens et oscilloskop viser sine oplysninger i en amplitude-kontra-tid metode. Ligesom oscilloskoper er der imidlertid forskellige spektrumanalysatortyper tilgængelige afhængigt af ens behov og budget.

Referencer:

1 – Rigol Technologies, “DSA800 Spectrum Analyzer Datasheet” (side 3)

2 – Keysight Technologies, “What is a Spectrum Analyzer?”

3 – Agilent Technologies, “Agilent Spectrum Analysis Basics” (side 4-5)

4 – Keysight Technologies, “Different Types of Analyzers”

5 – Teledyne LeCroy, “T3SA3100/T3SA3200 Data Sheet” (side 2)