Spektri- ja signaalianalysaattorit Pyyhkäisevät spektrianalysaattorit Suora pyyhkäisevä Superheterodyne Reaaliaika-analysaattorit Suora analoginen analysaattori FFT-spektrianalysaattori DFT FFT Analysaattoreiden ominaisuuksia Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Spektrianalysaattorin periaate Ilmaisee tutkittavan signaalin spektrin, eli amplitudikomponentit taajuuden funktiona Voi mitata komponentit suoraan taajuustasossa (pyyhkäisevä spektrianalysaattori) Voi myös mitata signaalin aikatasossa ja laskea spektrin taajuustasossa (FFT spektrianalysaattori) Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Pyyhkäisevä spektrianalysaattori Mittaa amplitudin suodattimen läpi tietyltä taajuuskaistalta Pyyhkäisee suodatinta (tai signaalia) läpi koko kiinnostavan taajuus-alueen Suodatus joko suoraan pyyhkäisevällä kaistan-päästösuodattimella tai sekoittamalla Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Pyyhkäisevän spektrianalysaattorin päästökaistan vaikutus signaaliin Saatu spektri konvoloituu suodattimen päästökaistalla (Puoliarvoleveys Df) -> signaali vääristyy Pienin havaittava taajuusero resoluutiokaistanleveys Df Resoluution kasvattaminen (päästökaistan kaventaminen) lisää mittausaikaa a) Konvoluutio b) Resoluutio Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Mittausajan ja resoluution välinen riippuvuus Jotta mitattavan signaalin jokainen piste vaikuttaa saatuun spektriin, tulee arvoja mitata Df:n välein. Mittauspisteitä tulee siten N=(f2 - f1)/Df kappaletta, missä f1 ja f2 ovat tutkittavan taajuusalueen rajat Kunkin mitattavan arvon mittaus vaatii riittävän ajan tm, jottei signaali vääristy. Koko alueen mittaamiseen tarvitaan siis aikaa T= N * tm Tarvittava aika kään- täenverrannollinen päästökaistan leveyteen Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Suora pyyhkäisevä spektrianalysaattori (selektiivinen volttimittari) Yksioikoisin tapa mitata spektriä Säädettävä kaistanpäästösuodatin, joka pyyhkäistään yli halutun taajuusalueen Halpa, rajoitettu tarkkuus Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Superheterodyne spektrianalysaattori Signaali (fs) sekoitetaan pyyhkäistävään paikallisoskillaattorin taajuuteen (flo), jolloin syntyy ero ja summataajuudet (fs - flo, fs + flo ja flo - fs) Näistä yksi (fif = flo - fs) vahvistetaan, suodatetaan ja ilmaistaan Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit Verhokäyräilmaisin “Envelope detector” Ilmaisee välitaajuuden verhokäyrän Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Superheterodyne spektrianalysaattori taajuustasossa Häiritsevät peilitaajuudet on suodatettava mitattavasta signaalista ENNEN sekoitusta. Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Superheterodyne analysaattori Yleisimmin käytetty analysaattorityyppi Taajuusalueen määrää paikallisoskillaattorin taajuusalue Aluetta voi laajentaa esim käyttämällä sekoituksessa paikallisoskillaattorin taajuuden harmonisia monikertoja Sekoitus voidaan tehdä useammassa vaiheessa Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Reaaliaika-analysaattorit Mittaavat signaalin kaikki taajuuskomponentit (lähes) reaaliajassa Voidaan käyttää lyhyiden kertailmiöiden tutkimiseen Suora reaaliaika-analysaattori voidaan tehdä suurella määrällä suotimia Käytännössä kaikki reaaliaikaanalysaattorit käyttävät FFT-tekniikkaa Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Fourier (FFT-) spektrianalysaattori Signaalin spektri lasketaan lähes reaaliajassa DFT muunnoksella FFT algoritmia hyväksi käyttäen Signaalista otetaan aikatasossa N näytettä, joista lasketaan N pisteen spektri taajuustasossa Hyvä matalilla taajuuksilla reaaliaikaisuutensa vuoksi Soveltuu nopeiden kertailmiöiden mittaamiseen Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Diskreetti Fourier muunnos (DFT) Signaali oletetaan jaksolliseksi (mitä se muunnoksen jälkeen onkin) Jokainen piste aikaalueessa kuvautuu jokaiselle pisteelle taajuusalueessa -> N2 kompleksista kerto ja summauslaskua! Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Fast Fourier Transform (FFT) algoritmi N pisteen Fourier muunnos voidaan muuntaa kahdeksi N/2 pisteen muunnokseksi jakamalla pisteet parittomiin ja parillisiin N/2 pisteen muunnoksen voi edelleen jakaa pienemmiksi muunnoksiksi Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Cooley-Tukey algoritmi Mikäli näytteinen lukumäärä on kakkosen potenssi (N=2m), voidaan muunnos jakaa m-vaiheiseksi sarjaksi kahden luvun Fourier muunnoksia Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Cooley-Tukey algoritmin edut Mikäli näytteiden lukumäärä ei ole kakkosen potenssi, voidaan sarjan perään lisätä nollia (ei mainittavaa vaikutusta spektriin) Säästö laskenta-ajassa on valtava. Ajatellaan esim 400-pisteistä DFT:tä Suoraan laskemalla tarvitaan 4002=160 000 kompleksista kerto ja summalaskua Cooley-Tukey algoritmia varten data täydennetään 512 (29) näytteeksi lisäämällä nollia. Algoritmi tarvitsee 2´512´9=9 216 kompleksista kerto ja summalaskua. Ajan säästö on siis 17-kertainen! Mahdollistaa lähes reaaliaikaisen FFT analysaattorin Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Nollien lisäyksen vaikutus signaalin spektriin Nollien lisäys aikatasossa vastaa interpolointia taajuustasossa Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

DFT:n epäideaalisuuksia Signaalin katkaisu aikaalueessa näkyy taajuusalueessa konvoluutiona sinc-funktion kanssa Näyttenotto tekee signaalista periodisen, mikä aiheuttaa alias-vääristymää Jaksollisen signaalin katkaisu väärästä kohdasta voi aiheuttaa signaaliin epäjatkuvuuskohtia, mikä näkyy ylimääräisinä spektrikomponentteina Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Katkaisun vaikutus spektriin Katkaisu aikatasossa aiheuttaa sinc-aaltoilua taajuustasossa Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Näytteenoton vaikutus spektriin Näytteenotto aikatasossa aiheuttaa signaalin kertautumista taajuustasossa Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Signaalin katkaisukohdan vaikutus spektriin Voidaan vähentää erilaisilla ikkunafunktioilla, jotka pehmentävät katkaisua (cos, Hamming …) Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Signaalianalysaattoreiden valintakriteereitä Taajuusalue, Määrää ensisijaisesti mihin analysaattoria voi käyttää Nopeus Tarkkuus (Taajuusasteikko ja mitattu amplitudi) Resoluutiokaistanleveys, ilmaisee kuinka lähekkäin olevia taajuuskomponentteja voidaan havaita Kohinaominaisuudet Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit

Spektrianalysaattoreiden vertailua Petri Kärhä 21/09/2018 Luento 11: Spektri- ja signaalianalysaattorit