Spektrumanalysatorer: Vad är de och vilka olika typer finns det

Är du elektroingenjör…? Har du någonsin använt en spektrumanalysator?

De flesta (förhoppningsvis alla) elektroingenjörer —och kanske många ingenjörer från andra discipliner än elektro — vet vad ett oscilloskop är och har använt ett. Jag tänker mig att oscilloskopet introducerades för majoriteten av alla elektroingenjörer under deras första studieår på högskolan. Dock kanske vissa praktiserande elektroingenjörer inte vet vad en spektrumanalysatorer är, och än mindre har de använt en.

Vad är en spektrumanalysator?

För många elektroingenjörer ser en spektrumanalysator ut precis som ett oscilloskop med mer grafik och funktioner. Både ett oscilloskop och en spektrumanalysator visar en signals amplitud på den vertikala axeln, men skillnaden mellan dem ligger i vad som visas på den horisontella axeln; ett oscilloskop visar tiden medan spektrumanalysatorn visar frekvensen. Figuren nedan visar flera frekvensmätningar utförda på Rigols spektrumanalysator DSA815-TG.

Figur 1: Spektrumanalysatorer visar frekvensmätningarna på den horisontella axeln. (Bildkälla: Rigol Technologies[1])

Enligt Keysight Technologies "mäter en spektrumanalysator den elektriska magnituden av en insignal gentemot frekvensen inom hela instrumentets frekvensomfång. Dess huvudsakliga användning är att mäta effekten av spektrat av kända och okända signaler.”^[2] Med andra ord, gör en spektrumanalysator det möjligt för användaren att “analysera ett spektrum,” där ett spektrum är definierat som en uppsättning sinusvågor kombinerade för att producera en signal i tidsdomänen.

Låt oss som exempel titta på en signal på ett oscilloskop (figur 2).

Figur 2: En signal visas på ett oscilloskop (Bildkälla: Agilent Technologies[3])

Denna signal är uppenbarligen inte en rent sinusoidal vågform, men en spektrumanalysator kan mäta alla de enskilda sinusoidala vågformer som utgör denna signal. Och efter att spektrumanalysatorn har identifierat dessa vågformer, plottar den amplituden mot frekvensen för varje enskild vågform. Som du kan se i figur 3 består signalen från figur 2 endast av två sinusoidala vågformer.

Figur 3: Förhållandet mellan en signal i tidsdomänen (vilket visas på ett oscilloskop) och signaler i frekvensdomänen (vilket visas på spektrumanalysatorer) (Bildkällor: Agilent Technologies[3])

Typer av spektrumanalysatorer:Teknologityper och format

Det finns två huvudkategorier av spektrumanalysatorer: svepanalysatorer och realtidsanalysatorer, även kallade realtidsspektrumanalysatorer eller RTSS. Båda typerna, vilka har använts i många år, visar amplitud på den vertikala axeln och frekvens på den horisontella axeln, men det är hur de “analyserar ett spektrum” som skiljer dem åt.

Givet att en svepspektrumanalysator “inte är något annat än en frekvensselektiv voltmeter med ett frekvensomfång som ställs in (sveps) automatiskt”^[4] är det inte alls förvånande att inse att dessa traditionella typer av analysatorer “härstammar från radiomottagare”.^[4] Och eftersom svepinställda spektrumanalysatorer “inte kan utvärdera alla frekvenser i ett givet spann samtidigt”^[4] används de primärt för att mäta stabila tillstånd eller repetitiva signaler. Dessa analysatorer har med stor framgång tjänat compliance-ingenjörskåren (tänk förtester för regelefterlevnad och EMC/EMI-tester) i flera decennier.

Till skillnad från svepspektrumanalysatorer, kan realtidsspektrumanalysatorer utvärdera alla frekvenser samtidigt. En realtidsspektrumanalysator fungerar genom att den först registrerar datan i tidsdomänen och sedan konverterar denna data till frekvensdomänen med hjälp av en Snabb Fourier-transform (FFT).

Spektrumanalysatorer finns i ett flertal format, inklusive bänkstående (figur 4), handhållet (Figur 5), och bärbart.

Figur 4: Teledyne LeCroys bänkspektrumanalysator T3SA3200 erbjuder ett frekvensomfång på 9 kHz till 3,2 GHz. (Bildkälla: Teledyne LeCroy[5])

Figur 5: Seeed Technologys RF Explorer Model 2.4G är en handhållen spektrumanalysator för 2,35 GHz till 2,55 GHz. (Bildkälla: Seeed Technology)

Bänkmodeller är normalt sett bättre än sina handhållna motsvarigheter men kan ha en större prislapp. Handhållna spektrumanalysatorer är både mindre dyra och mindre, men de erbjuder bara begränsade förmågor jämfört med bänkanalysatorer. Bärbara analysatorer är helt enkelt sådana (inklusive vissa bänkversioner) som kan tas med i fält tack vare sitt batteripack.

Slutsatser

Medan alla elektroingenjörer (hoppas vi!) vet vad ett oscilloskop är och hur det används, kan det antas att bara vissa elektroingenjörer någonsin har använt en spektrumanalysator. Även om oscilloskop och vissa spektrumanalysatorer (bänkversioner) kan se lika ut till både format och display, skiljer de sig helt åt; en spektrumanalysator visar registrerad data uppställd som amplitud-mot-frekvens, medan ett oscilloskop visar sin information uppställd som amplitud-mot-tid. Dock finns, precis som för oscilloskop, olika typer av spektrumanalysator tillgängliga beroende på behov och budget.

Referenser:

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

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

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

4 – Keysight Technologies, “Different Types of Analyzers”

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