Spektrumanalysatorer: Hva er de og hva er de forskjellige typene

Er du elektroingeniør ...? Har du noen gang brukt en spektrumanalysator?

De fleste (forhåpentligvis alle!) elektroingeniører – og kanskje mange ingeniører og teknikere fra andre fagdisipliner enn elektro – vet hva et oscilloskop er, og har brukt et. Jeg kan tenke meg at oscilloskopet ble introdusert for de fleste elektroingeniører i løpet av grunnkurset for elektrofag. Imidlertid, når du har med spektrumanalysatorer å gjøre, vil kanskje noen praktiserende elektroingeniører ikke vite hva en spektrumanalysator er, eller aldri ha brukt en.

Hva er en spektrumanalysator?

For mange elektroingeniører ser en spektrumanalysator ut som et oscilloskop bortsett fra at den har flere funksjoner og grafikk. Imidlertid, mens både et oscilloskop og en spektrumanalysator viser signalets amplitude på den vertikale aksen, er forskjellen mellom dem det som vises på den horisontale aksen; et oscilloskop viser tid, mens spektrumanalysatoren viser frekvens. Figuren nedenfor viser målinger av flere frekvenser som vises på Rigols DSA815-TG-spektrumanalysator.

Figur 1: Spektrumanalysatorer viser frekvensmålinger på den horisontale aksen. (Bildekilde: Microchip Technology[1])

I følge Keysight Technologies «måler en spektrumanalysator størrelsen på et inngangssignal kontra frekvens innenfor instrumentets fulle frekvensområde. Den primære bruken er å måle effekten i spektrumet av kjente og ukjente signaler.»^[2] Med andre ord lar en spektrumanalysator brukere «analysere et spektrum», der et spektrum er definert som en samling sinusbølger sammenslått, for å produsere et tidsdomenesignal.

La oss som et eksempel se på et signal på et oscilloskop (figur 2).

Figur 2: Et signal vist på et oscilloskop (Bildekilde: Agilent Technologies [3])

Selv om dette signalet åpenbart ikke er en ren sinusformet bølgeform, bestemmer en spektrumanalysator hver av de individuelle sinusformede bølgeformene som utgjør dette signalet. Og etter at spektrumanalysatoren har identifisert disse bølgeformene, plotter den amplituden mot frekvensen for hver enkelt bølgeform. Som du ser i figur 3, består signalet fra figur 2 bare av to sinusformede bølgeformer.

Figur 3: Forholdet mellom et tidsdomenesignal (som vises på et oscilloskop) og frekvensdomenesignaler (som vises på spektrumanalysatorer) (Bildekilde: Agilent Technologies [3])

Typer spektrumanalysatorer: Teknologityper og formfaktorer

Det er to hovedkategorier av spektrumanalysatorer: sveip-justert analysatorer (swept-tuned analyzers) og sanntidsanalysatorer (real-time analyzers), også referert til som sanntids-spektrumanalysatorer, eller RTSA. Begge typene, som har blitt brukt i mange år, viser amplitude på den vertikale aksen og frekvensen på den horisontale aksen, men måten de «analyserer et spektrum», er det som skiller dem.

Gitt at en sveip-justert spektrumanalysator (swept-tuned spectrum analyzer) er «ikke annet enn et frekvensselektivt voltmeter med et frekvensområde som er justert (swept) automatisk,» ^[4] Det er overhodet ikke vanskelig å skjønne at dette er tradisjonelle analysatorer som «stammet fra radiomottakere.»^[4] Og fordi sveip-justerte spektrumanalysatorer (swept-tuned spectrum analyzers) «ikke kan evaluere alle frekvenser i et gitt spenn samtidig»,^[4] brukes de først og fremst til måling av signaler i stabil tilstand (steady-state) eller periodisk (repetitive) signaler. Disse analysatorene har tjent suksess i compliance engineering community-ene (les: pre-compliance test og EMC/EMI testing for samsvar) i flere tiår.

I motsetning til sveip-justerte spektrumanalysatorer (swept-tuned spectrum analyzers), kan sanntids-spektrumanalysatorer (real-time spectrum analyzers) evaluere alle frekvenser samtidig. En sanntids-spektrumanalysator fungerer ved først å skaffe data i tidsdomenet og deretter konvertere disse dataene til frekvensdomenet ved bruk av den raske Fourier-transformasjonen (FFT).

Spektrumanalysatorer kommer i en rekke formfaktorer, inkludert benkplassering (figur 4), håndholdt (figur 5) og bærbar.

Figur 4: Teledyne LeCroys T3SA3200 Benchtop Spectrum Analyzer tilbyr et frekvensområde fra 9 kHz til 3,2 GHz. (Bildekilde: Teledyne LeCroy[5])

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

Modeller for benkplassering overgår vanligvis sine håndholdte motstykker, men kan ha en høyere prislapp. Håndholdte spektrumanalysatorer er både rimeligere og mindre, men de tilbyr bare en undergruppeevne i forhold til anlysatorer for benkplassering. Bærbare analysatorer er ganske enkelt de (inkludert noen versjoner for benkplassering) som kan tas med i felt takket være batteripakkene.

Konklusjon

Samtidig som alle elektroingeniører vet hva et oscilloskop er (håper vi!) og hvordan man bruker et, kan det antas at bare noen elektroingeniører noen gang har brukt en spektrumanalysator. Selv om oscilloskop og noen spektrumanalysatorer (versjoner for benkplassering) kan se like ut i både formfaktor og display, er de ganske forskjellige; en spektrumanalysator presenterer de anskaffede dataene på en amplitude-kontra-frekvensmåte ( amplitude-versus-frequency fashion), mens et oscilloskop viser sin informasjon på en amplitude-versus-tid-metode (amplitude-versus-time method). Imidlertid, akkurat som oscilloskop, er forskjellige spektrumanalysatortyper tilgjengelige avhengig av hver en sitt behov og tilgjengelige budsjett.

Referanser:

1 – Rigol Technologies, “DSA800 Spectrum Analyzer Dataark”(Side 3)

2 – Keysight Technologies, «Hva er en spektrumanalysator?»

3 – Agilent Technologies, «Grunnleggende om agilent spektrumanalyse» (side 4-5)

4 – Keysight Technologies, «Ulike typer analysatorer»

5 – Teledyne LeCroy, «T3SA3100 / T3SA3200 datablad» (side 2)