Анализатор спектра

Устройство для получения спектров физических процессов. Анализатором спектра может служить любой прибор, поведение которого зависит от частоты воздействия. В основе действия таких приборов лежит одно из следующих явлений: интерференция, преломление при наличии дисперсии фазовой скорости, резонанс. Первые два явления используют для получения оптических спектров. Анализаторы спектров, работа которых основана на явлении резонанса, наиболее универсальны. Распространение получили анализаторы спектра с электрическими резонаторами, такими, как колебательный контур с сосредоточенными параметрами или отрезок линии с распределенными параметрами.

Различают резонансные анализаторы спектра параллельного и последовательного действия. В параллельных анализаторах спектра используют набор резонаторов, настроенных на различные частоты и одновременно подвергающихся воздействию исследуемого колебания. В последовательных анализаторах спектра применяется один резонатор с переменной настройкой. Параллельный анализатор спектра имеет перед последовательным преимущество в скорости анализа, однако уступает ему в простоте. Последовательный анализатор спектра пригоден для анализа периодических процессов или процессов, характер которых мало изменяется за время анализа.

Анализатор спектра позволяет определить амплитуду и частоту спектральных компонент, входящих в состав анализируемого процесса. Важнейшей его характеристикой является разрешающая способность: наименьший интервал по частоте между двумя спектральными линиями, которые еще разделяются анализатором спектра. Разрешающая способность определяется шириной полосы пропускания резонатора и связана с временем анализа Т соотношением =const, значение константы зависит от параметров резонатора. Величина Т определяется временем установления колебаний в резонаторе, это время тем больше, чем больше избирательность резонатора, т. е. чем меньше его полоса пропускания.

Свойства резонатора описываются статической резонансной кривой лишь при бесконечно медленной перестройке частоты. В действительности перестройка ведется с конечной скоростью, поэтому для резонатора вводится понятие динамической резонансной кривой, а для анализатора спектра - понятие динамической разрешающей способности, которая зависит не только от параметров резонатора, но и от времени анализа Т. Необходимое время анализа определяется формулой , где F - ширина исследуемого диапазона частот, , - допустимое динамическое расширение полосы пропускания.

Анализатор спектра может дать истинный спектр только тогда, когда анализируемое колебание периодично, либо существует только в пределах интервала Т. При анализе длительностей процессов анализатор спектра дает не истинный спектр , а его оценку , зависящую от времени включения t₁ и времени анализа Т. Т. к. спектр колебания может в общем случае изменяться во времени, то оценка дает т. н. текущий спектр.

Для случайных процессов оценка дает "текущий спектр" данной реализации x(t), является случайной и малопригодной для практических целей. Случайные процессы принято характеризовать энергетическим спектром , определяющим распределение по шкале частот среднеквадратичных значений используемого сигнала. Энергетический спектр стационарного случайного процесса связан с "текущим спектром" соотношением , где означает усреднение по множеству реализаций. Если процесс эргодический, то вместо усреднения по ансамблю можно использовать усреднение по времени вдоль одной реализации.

Рассмотренные выше анализаторы спектра являются аналоговыми по принципу выполнения операций. Существует широкий класс цифровых анализаторов спектра, в которых вместо непрерывных реализаций x(t), , используются дискретные значения x(t_k) = x_k в дискретных точках t_k = kt; k=0, 1, 2, ..., N - 1; . Отсчеты x_k квантованы по величине, т. е. представлены цифровыми словами с конечным числом разрядов. Известны анализаторы спектра, в которых вычисляются коэффициенты дискретного преобразования Фурье , , при определенных условиях являющиеся значениями спектра S () в точках , n = 0, 1, 2, ..., N-1. Развитие вычислительной техники способствовало появлению анализаторов спектра, действие которых основано на непосредственном вычислении коэффициентов разложения по определенной системе ортогональных, не обязательно гармонических, функций.