Рис. 1.4. Структурные схемы анализаторов: а) последовательного действия с осциллографическим индикатором, б) одновременного действия
Исследуемый периодический сигнал сложной формы поступает через входное устройство на смеситель, к которому подводится напряжение генератора качающейся частоты ГКЧ. Линейное изменение частоты во времени осуществляется модуляцией сигналов ГКЧ напряжением генератора развертки. Вследствие этого отклонение электронного луча по горизонтали пропорционально изменению частоты ГКЧ и горизонтальная ось масштабной сетки является осью частот. На выходе смесителя образуются напряжения комбинационных частот. Составляющие спектра, частоты которых лежат в полосе пропускания усилителя промежуточной частоты fпр±∆f, усиливаются и после детектирования, и усиления подаются на вертикально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Таким образом, отклонение луча в вертикальном направлении пропорционально мощности определенной узкой полосы спектра исследуемо сигнала (f—∆f)+(ƒ+∆ƒ) и удовлетворяет неравенству, аналогичному (6.37):
(1.5).
где fгкч = fо+a*t — мгновенная частота генератора качающейся частоты.
В некоторых анализаторах спектра применяются логарифмические усилители, которые дают возможность наблюдать составляющие спектра с большим отношением амплитуд— 100:1 или 1000:1; В этих приборах обычно имеются переключатели для перевода из логарифмического режима усиления в линейный. В логарифмическом режиме проводится общая оценка спектра, а линейный режим используется для детального анализа выбранного участка частотного 'спектра. В анализаторах спектра применяются трубки с послесвечением.
Калибратор (рис.1.5) служит для создания частотных меток на экране. При включении калибратора на экране анализатора, кроме 'линий исследуемого спектра, появляются линии составляющих спектра, калибратора, частота которых известна. В результате на " оси частот получают опорные точки известной частоты, что позволяет уточнить масштаб оси частот.
Основным недостатком анализаторов последовательного действия является большая продолжительность анализа. Например, для получения n спектральных линий периодического напряжения минимальное время анализа должно быть равно nТ, где Т — период исследуемого напряжения. При непосредственном введении исследуемого напряжения эти приборы можно использовать для анализа спектра периодических, в том числе и редко повторяющихся, сигналов (радиоимпульсов или видеоимпульсов) когда время анализа особого значения не имеет.
Спектры одиночных импульсов можно измерять анализатором последовательного действия при их 'предварительной неискажающей записи. В этом случае появляется возможность неоднократного повторения анализа,
Выпускаемые промышленностью анализаторы последовательного действия работают .в диапазоне от инфранизких до сверхвысоких частот. Порог чувствительности низкочастотных приборов находится в пределах 10~4—10-3 В, а сверхвысокочастотных—в пределах 10-7-10-12 Вт. Погрешность измерения по амплитуде составляет ± (5-10) %, по частоте — ± (2-3) %.
Анализаторы с одновременным анализом. Эти анализаторы позволяют осуществить одновременный анализ спектра исследуемого сигнала, т. е. их можно использовать для непосредственного измерения спектров одиночных импульсов и статистических процессов. Исследуемый сигнал после входного устройства (рис.6.376) одновременно подается на n резонаторов, каждый из которых выделяет узкую полосу частот. После детектирования
действующие значения составляющих через коммутирующее устройство попадают на электроннолучевую трубку или самописец. Анализаторы подобного типа предназначаются для работы в области низких частот, обычно не свыше 100кГц.
Типы применяемых резонаторов зависят от частотного диапазона прибора. Для инфранизких и низких частот используются избирательные LС-цепи, для более высоких — LС-цепи или электромеханические фильтры. .Коммутаторы обеспечивают поочередное подключение детекторов к регистрирующему устройству. Если число каналов невелико, то коммутатор может отсутствовать. В этом случае число регистрирующих устройств должно быть равно числу каналов. Промышленностью выпускаются анализаторы с числом каналов от 8 до 80.
∆ƒp=qƒФ (1.6)
где q — заданное число, определяемое допустимой погрешностью δ. Чем меньше полоса ∆ƒф, тем больше разрешающая способность прибора. На рис.1.6 поясняется различие между ∆ƒф и ∆ƒр при заданной погрешности δ (для данного случая δ ~0,2); из рисунка видно, что чем меньше δ, тем больше q.
Рис. 1.6. Резонансные характеристики анализаторов; а) одновременного, б) последовательного действия; 1 ~ статическая, 2 — динамическая.
В процессе проведения измерений необходимо учитывать переходные явления, которые приводят, к уменьшению разрешающей способности прибора. Степень этого уменьшения определяется параметрами анализатора и скоростью (временем) анализа.
Динамическая разрешающая способность анализатора одновременного действия изменяется во времени примерно по экспоненциальному закону. В момент включения (t=0) исследуемого сигнала на вход анализатора, состоящего из набора резонаторов с одинаковой добротностью и равноотстоящими резонансными частотами, выходное напряжение равно нулю. С течением времени динамические резонансные кривые приближаются к статическим, формируются седлообразные кривые (рис.6.38а), анализатор разделяет составляющие сигнала. Время, в течение которого характеристика анализатора приближается с заданной погрешностью к статической его характеристике, называют временем установления /у. Это время обратно пропорционально полосе пропускания ∆ƒф,
т. е.
(1.7)
где В — коэффициент, зависящий от типа резонатора и близкий к единице.
В анализаторах последовательного действия при измерении периодических сигналов переходные процессы возникают вследствие .непрерывного изменения возбуждающей резонатор частоты, определяемой скоростью изменения частоты ∆ƒ генератора качающейся частоты;
На рис.1.6 6 показаны статическая / и динамическая 2 характеристики резонатора в виде зависимости квадрата коэффициента -передачи резонатора /Сот параметра обобщенной расстройки: х = 2(ω-ω0)/dω0, где ωо — резонансная частота, d — затухание резонатора, Искажения характеристик резонатора определяются следующими отношениями: S=8Vf/d2ω20 — смещение максимума; ∆С = 16тv2/dω2 — уменьшение высоты максимума:
8v2f-S2—S1=A(16v2f/d2ω04) - приращение относительной ширины полосы пропускания, где А зависит от типа резонатора. Время анализа для анализаторов одновременного действия примерно равно времени установления резонаторов. Имея в виду уравнение (6.40), получим
(1.8)
Скорость анализа определяется отношением рабочего диапазона частот анализатора tр
(рис.6.38а) к времени анализа Tодн:
(1.9)
Обозначим fp=k∆ƒ,
где ∆ƒp—разрешающая способность резонатора;
определяемая уравнением (6.39). После замены ∆ƒф = ∆ƒр/q
получим
скорость одновременного анализа νодн(k/qB)∆ƒ2p.
Скорость последовательного анализа определяется уравнением vпосл = ∆fр/ty или с учетом (6.39) и (6.40) vпосл = ∆ƒp2/q В. Время анализа в этом случае будет равно
(1.10)
Из ур-ний (1.8) и (1.10) следует, что время последовательного анализа примерно в А раз больше времени, необходимого для одновременного анализа.
Промежуточная частота выбирается так, чтобы при минимальной длительности исследуемого импульса т изображение спектра, получаемое по зеркальному каналу, не накладывалось на спектрограмму основного канала (рис. 1.7). В большинстве случаев при исследовании спектра ограничиваются измерением основного и трех боковых лепестков спектра. Ширина основного лепестка прямоугольного импульса равна 2 т, а боковых лепестков — 1/t. Таким образом, для устранения возможности перекрытия необходимо, чтобы fпр>4/t.
Рис. 1.7. Прямое и зеркальное изображения спектра
Диапазон качания частоты гетеродина определяется шириной исследуемого спектра. Для измерения основного и трех боковых лепестков диапазон качания должен быть равен (рис.6.39) fг.макс — fг.мин≥8t. Частота развертки определяет число циклов качания частоты гетеродина в секунду. Минимальный период развертки характеризуется временем последовательного анализа Тпосл. При анализе спектра периодических импульсных сигналов период развертки Тр связан с-периодом следования сигналов Тс соотношением
TTр = тТ ≥ Тпосл, где т — число линий спектра, наблюдаемых па экране трубки.
Спектр речи
Речевой сигнал с точки зрения его интенсивности есть величина переменная во времени. Однако средние значения уровня интенсивности за достаточно длительное время наблюдения довольно устойчивы, хотя и разные в различных частотных полосах.
Интенсивность звука (I, Вт/м')— количество энергии, переносимой через площадку 1 м2. расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны за 1 с.
Звуковое давление (Р, Па) — давление звукового поля в данной точке среды, являющееся избыточным по отношению к атмосферному давлению:
Pmin — 2 - 10~5 Па — едва слышимый звук;
Рmax = 20 Па — максимально громкий звук;
Рср = 1,5 Па — среднее значение звука для естественной речи.
Для характеристики интенсивности речи обычно пользуются понятием спектрального уровня речи, который определяется выражением
