Dziedzina częstotliwości versus dziedzina czasu
Zanim omówimy szczegółowo analizator widma najpierw zadajmy sobie pytanie czym jest „widmo i dlaczego chcemy je analizować”? Najczęściej opisując sygnały elektryczne odnosimy się do dziedziny czasu. Możemy posłużyć się oscyloskopem aby obserwować sygnał w funkcji czasu. Natomiast teoria Fouriera mówi nam, że każdy sygnał elektryczny opisany w dziedzinie czasu może zostać opisany za pomocą jednego lub więcej sygnałów sinusoidalnych z odpowiednią amplitudą, fazą i częstotliwością. Oznacza to, że każdy sygnał przedstawiony w dziedzinie czasu możemy przedstawić również w dziedzinie częstotliwości. Pomiary w funkcji częstotliwości mówią nam ile energii znajduje się na poszczególnych częstotliwościach. Z odpowiednim filtrowaniem przebieg może zostać rozłożony na osobne przebiegi sinusoidalne lub składowe widmowe które następnie możemy oddzielnie analizować. Każdy sygnał sinusoidalny charakteryzuje się swoją amplituda oraz fazą. Jeśli sygnał który chcemy analizować jest okresowy to składowe sinusoidalne w dziedzinie częstotliwości „oddalone” są od siebie o 1/T (gdzie T to okres sygnału).

Niektóre pomiary wymagają posiadania kompletnej informacji o częstotliwości, fazie i amplitudzie sygnału. Jednak dla sporej grupy pomiarów nie musimy posiadać informacji o przesunięciu fazowym składowych sinusów. Takiego typu pomiary nazywamy analizą widmową. Teoretycznie aby przetransformować sygnał z dziedziny czasu na dziedzinę częstotliwości przebieg sygnału musi być znany w cały czasie czyli nieskończoności. Jednak w praktyce zawsze podczas pomiarów wykorzystujemy skończony okres. Podobnie jest w przypadku transformacji z dziedziny częstotliwości na dziedzinę czasu, teoretycznie również potrzebujemy nieskończenie długiego okresu. W praktyce pomiary wykonywane są w skończonym paśmie pokrywającym znaczącą większość energii sygnału co daje satysfakcjonujące wyniki. Natomiast jeżeli transformatę Fouriera chcielibyśmy przeprowadzić z dziedziny częstotliwości z powrotem na dziedzinę czasu musimy znać przesunięcia fazowe poszczególnych składowych.


Rysunek 1 Sygnał w dziedzinie czasu

Czym jest widmo?
W kontekście naszych rozważań widmo sygnału to zbiór sinusów które odpowiednio połączone dadzą ten sygnał w dziedzinie czasu. Rysunek 1 pokazuje sygnał który jest zbliżony do sinusoidalnego. Na rysunku 2 ten sam sygnał w dziedzinie zarówno czasu jak i częstotliwości. W funkcji częstotliwości wyświetlana jest amplituda każdego sinusa z widma. W naszym przypadku są to tylko dwa przebiegi, po takiej analizie widać dlaczego nasz oryginalny przebieg nie jest idealną sinusoidą. Przyczyną zaburzenia jest druga harmoniczna. Analiza widmowa to bardzo potężne narzędzie co nie znaczy, że analiza w funkcji czasu jest mniej użyteczna. Przykładowo do pomiarów czasów narastania i opadania, rozregulowania czy dzwonienia. 


Rysunek 2 Relacja między domeną czasu i częstotliwości 

Po co mierzyć pasmo?
Pomiary w dziedzinie częstotliwości są zdecydowanie lepsze w określaniu harmonicznych. Inżynierowie pracujący z komunikacją bezprzewodową są szczególnie wyczuleni na niepożądane emisje poza pasmem. Przykładowo systemy radiowe muszą zostać sprawdzone pod kątem harmonicznych od nośnej sygnału które potencjalnie mogą zakłócać sygnały innych systemów które pracują w częstotliwościach tych harmonicznych. Agencje rządowe zastrzegają poszczególne częstotliwości dla różnych operatorów radiowych, telewizyjnych czy komórkowych a także dla policji i wojska. Bardzo ważne jest aby wszystkie te usługi pracowały w przypisanej częstotliwości. Często nadajniki pracują w bardzo bliskich częstotliwościach. Kluczowym pomiarem dla wzmacniaczy mocy i ogólnie komponentów wysokich częstotliwości jest ilość energii z sygnału która „rozlewa” się na sąsiednie kanały powodując zakłócenia. Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI – Electromagnetic interference) czyli niechciane sygnały emitowane przypadkowo lub celowo. W zasadzie każdy produkt elektryczny czy elektroniczny musi zostać przetestowany pod kątem poziomów emisji w funkcji częstotliwości tak aby spełniał normy nakładane przez ciała standaryzujące. Często chcemy mierzyć poziom szumów, każdy układ aktywny będzie generował szumy. Najczęściej wykonujemy pomiar stosunku sygnału do szumu (SNR signal to noise ratio) pozwala to oszacować wydajność naszego układu i jego wpływ na wydajność całego systemu.


Rysunek 3 Zawartość harmonicznych w sygnale


Rysunek 4 Sygnał GSM oraz maska pokazująca limity niechcianych emisji

Typy analizatorów sygnałowych
Pierwsze analizatory widma mierzyły jedynie amplitudę wraz z rozwojem coraz bardziej złożonych systemów komunikacyjnych coraz istotniejszym parametrem stała się faza. Analizatory widma coraz częściej oznaczane jako analizatory sygnałów dotrzymały tempa poprzez digitalizację sygnału i następnie jego obróbkę pozwalając w ten sposób wyświetlić informację zarówno o amplitudzie oraz fazie. Współczesne analizatory widma takie jak FieldFox łączą w sobie zalety analizatorów analogowych, wektorowych oraz FFT.

Rysunek 5 Two-tone test na wzmacniaczu RF


Rysunek 6 Emisja promieniowania wykreślona przeciwko limitom CISPR11 jako przykład testów EMI 


Dział szczegółowo omawia:

  • podstawy reprezentacji sygnałów w dziedzinie czasu i częstotliwości
  • typy, zasada działania i budowa analizatorów widma
  • all-IF-digital – budowa i działanie
  • dokładność pomiarów analizatorem widma
  • definicje i interpretacja podstawowych parametrów charakteryzujących analizatory
  • zagadnienie rozszerzenia częstotliwości z użyciem mieszaczy
  • analizę modulacji