اسپکتروم آنالایزر چیست؟ کاربرد اسپکتروم آنالایزر

اندازه‌گیری و تحلیل مشخصات سیگنال‌های الکتریکی در فرکانس‌های رادیویی همواره دارای اهمیت ویژه‌ای برای مهندسان مخابرات است. امروزه هر پیامی که در اطراف ما مخابره می‌شود، فارغ از ماهیت آن، در واقع سیگنال الکتریکی است که میان سیگنال‌های مختلف به حرکت درآمده تا پیام را به مقصد برساند. یکی از سوالاتی که در این خصوص مطرح می شود ، این است که اسپکتروم آنالایزر چیست؟ و چگونه می توان سیگنال های الکتریکی را با توجه به محدوده فرکانس مشاهده و تحلیل کنیم و کاربرد اسپکتروم آنالایزر به عنوان دستگاه اندازه گیری توان سیگنال های الکتریکی در حوزه فرکانس چیست، موضوعی است که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.

اسپکتروم آنالایزر چیست؟

یکی از پرکاربردترین تجهیزات تست و اندازه‌گیری و آنالایزر سیگنال که پارامتر‌های مربوط به دامنه سیگنال‌های الکتریکی را در اختیار ما قرار می‌دهد، اسپکتروم آنالایزر یا تحلیل‌گر طیف است.

اندازه‌گیری و تحلیل مشخصات سیگنال‌های الکتریکی در فرکانس‌های رادیویی همواره از اهمیت ویژه‌ای برای مهندسان مخابرات برخوردار بوده است. امروزه هر پیامی که در اطراف ما مخابره می‌شود، فارغ از ماهیت آن، در واقع سیگنالی الکتریکی است که میان بی‌شمار از سیگنال‌های شناس و ناشناس محیط به حرکت درآمده تا پیام را به مقصد برساند. شناخت هرچه بیشتر این سیگنال‌ها می‌تواند مهندسان را در کاهش خطاهای سیستم مخابراتی و دانشجویان این عرصه را در مواجهه با مفهوم انتزاعی سیگنال الکتریکی به صورت عملی یاری دهد.

می‌دانیم که هر سیگنال الکتریکی در حوزه فرکانس مشخصات منحصر به فردی از جمله فرکانس سیگنال، توان دامنه، پهنای باند، اعوجاج هارمونیک‌های تولید شده، توان نویز فاز و… دارد که با انتقال سیگنال به حوزه فوریه به دست می‌آید.

این تجهیز مرسوم در آزمایشگاه‌های پیشرفته مخابراتی، نهادهای نظارتی کنترل فضای فرکانسی و بهره‌برداران و اپراتورهای مخابراتی، با رسم طیف فرکانسی در صفحه‌ای که توان سیگنال برحسب فرکانس آن مشخص شده است، می‌تواند آنالایزر سیگنال و اطلاعات مربوط به دامنه سیگنال را در فرکانس مورد نظر به کاربر ارائه دهد.

این که به تجهیز اندازه‌گیری و تحلیل پارامترهای سیگنال در فرکانس رادیویی، اسپکتروم آنالایزر یا تحلیل‌گر طیف می‌گویند از آنجا می‌آید که تجهیز فوق با حرکت کردن در طول فرکانس‌های متفاوت می‌تواند بخش دلخواهی از طیف مورد نظر را رسم کرده و سپس اندازه‌گیری‌ها را روی یک فرکانس خاص، که می‌تواند برای ما آشنا یا ناشناس باشد اعمال کند.

شاید مهم‌ترین قسمت از هر دستگاه اسپکتروم آنالایزر، صفحه نمایش آن باشد که اطلاعات مربوط به توان سیگنال را در طول فرکانس به کاربر نمایش می‌دهد. همه اندازه‌گیری‌های دیگر از همین طریق انجام می‌شود و حتی خود کاربر می‌تواند با فعال کردن نشانگر ها روی سیگنال، اندازه‌گیری‌هایی از جمله توان لحظه‌ای، توان نویز، پهنای باند، و… مشاهده کرده و محاسبات خود را انجام دهد.

استفاده مناسب از قابلیت‌های اندازه‌گیری دستگاه که اغلب آن‌ها بر پایه تنظیمات صحیح نمایش قرار گرفته‌اند، نکته کلیدی در استفاده از تجهیزات آنالایزر است که با توجه ویژه به آن می‌توان بهره‌برداری مفیدی از این تجهیز پرکاربرد صنعت مخابرات داشت.

انواع اسپکتروم آنالایزر

اسپکتروم آنالایزرها را از منظر ساختمان داخلی به دو دسته آنالوگ و دیجیتال تقسیم می‌کنند. در نوع قدیمی‌تر با استفاده از عناصر و فیلترهای آنالوگ و سپس نمایش در صفحه مدرج، همانند اسیلوسکوپ‌های قدیمی، نمایش طیف فرکانسی سیگنال را انجام می‌دادند. این نوع از اسپکتروم آنالایزرها را به سبب استفاده از فیلتر هیتروداین به همین نام نیز می‌شناختند.

امروزه با پیشرفت علم پردازش سیگنال‌های دیجیتال، فیلتر هیتروداین با محاسبات سریع FFT دست به دست هم دادند تا پردازش دیجیتال سریع و کارآمدی را در انواع جدیدتر اسپکتروم آنالایزرها برای کاربر به ارمغان آورند.

اما از منظر کارکرد نیز این تجهیزات دو دسته‌بندی دارند. در نوع جارویی یا Sweep آن با بهره‌گیری از فیلتر میان‌گذر IF، سطح طیف را جهت دریافت اطلاعات سیگنال جارو می‌کند، سپس با عبور سیگنال از فیلتر ویدئو، نمایش فرکانسی سیگنال روی صفحه نمایش دستگاه انجام می‌شود. اما در نوع لحظه‌ای یا Real-time و با استفاده از فیلترهای متعدد، و امروزه در انواع دیجیتال آن، با بهره‌گیری از پردازش دیجیتال سیگنال‌ها و فیلترFFT تاخیرهای زمانی جبران می‌شود و اطلاعات سیگنال به‌صورت لحظه‌ای و بدون صرف زمان برای جارو کردن طیف، به نمایش درمی‎آید.

اسپکتروم آنالایزر جارویی

این نوع از تجهیز آنالایزر با نام اسپکتروم آنالایزر سوییپ یا جارویی که از مرسوم‌ترین تجهیزات تحلیل سیگنال به‌شمار می‌آید با بهره‌گیری از فیلتر هیتروداین سطح طیف فرکانسی را جارو می‌کند و در مدت این عمل هرگونه فعالیت طیف را جهت نمایش ثبت می‌کند. این عمل به ما کمک می‌کند تا به فرکانس‌های کاری بالا و پهنای‌ باندهای وسیع دسترسی داشته باشیم و بتوانیم همه طیف را حتی تا مراتب چند گیگاهرتز یک‌جا مورد بررسی قرار دهیم. اما با توجه به اینکه همواره فقط بخشی از طیف از فیلتر IF عبور کرده و جارو می‌شود و این عمل برای بقیه طیف به‌صورت متوالی انجام می‌شود، تغییرات سریع و لحظه‌ای سیگنال در فرکانس مورد نظر را اگر در زمانی پس از جارو شدن رخ دهد، دستگاه آن را نمی‌بیند و در خروجی نمایش نمی‌دهد. همچنین با توجه به اینکه عناصر داخلی اسپکتروم آنالایزر جارویی، آنالوگ و برداری هستند، امکان اندازه‌گیری فاز سیگنال که کمیتی ریاضی و عددی است وجود ندارد. به این منظور نوع دیگری از این تجهیز پرکاربرد را معرفی خواهیم کرد.

اسپکتروم آنالایزر لحظه‌ای

در این تجهیز ما با مفهوم Real-time بودن پردازش‌ها مواجه هستیم به‌طوری‌که با بهره‌مندی از پردازش سیگنال دیجیتال و محاسبات سریع FFT ، دیگر تغییرات لحظه‌ای سیگنال در پردازش از قلم نمی‌افتد و ما قادر هستیم سریع‌ترین تغییرات در هر کجای طیف را مورد بررسی قرار دهیم. همچنین از دیگر مزایای پردازش دیجیتال در این نوع اسپکتروم آنالایزرها، تحلیل و نمایش فاز سیگنال است که به واسطه رقمی‌شدن پردازش‌ها این امر ممکن شده‌است. از محدودیت‌هایی که تحلیلگرهای لحظه‌ای برای ما ایجاد می‌کنند می‌توان به محدودیت در زمینه فرکانس اشاره داشت به‌طوری‌که به دلیل محدودیت در بخش تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال، ما فقط به بخش محدودی از طیف جهت پردازش لحظه‌ای دسترسی داریم.

سیگنال آنالایزر برداری

جهت برطرف‌کردن محدودیت‌های فرکانسی در پردازش‌های لحظه‌ای که در بخش قبل به آن اشاره شد، در مدل‌های جدیدتر با نام سیگنال آنالایزر برداری یا VSA از فیلتر هیتروداین و تکنیک‌های پیشرفته پردازش دیجیتال نظیر محاسبات FFT به‌صورت همزمان استفاده می‌شود تا هم محدوده فرکانس کاری دستگاه افزایش یابد و هم امکان محاسبات پیچیده‌تر حوزه اعداد مختلط فراهم شود. این دستگاه‌ها از گران‌ترین مدل‌های موجود تحلیل‌گرهای سیگنال هستند.

آنالایزرهای شبکه

در دنیای تجهیزات تست و اندازه‌گیری سیگنال‌ها و سیستم‌های مخابراتی با دسته مهم دیگری از تحلیل‌گرها با نام تحلیل‌گرهای شبکه یا Network Analyzer مواجه هستیم که خود انواع گوناگون و بحث‌های مفصلی دارد اما در این‌جا به‌صورت مختصر به آن می‌پردازیم.

تاکنون هرکدام از تحلیل‌گرها را که معرفی کردیم، هدف آن‌ها بررسی پارامترهای سیگنال تحت آزمایش بود. اما گاهی لازم است که از یک سیگنال تست، جهت بررسی عملکرد سیستم مخابراتی استفاده کنیم که معمولا با بررسی اندازه و فاز پاسخ فرکانسی سیستم مشخص می‌شود. جهت تحلیل فاز و ارسال سیگنال تست به تجهیزات پیچیده‌تری نیاز داریم. تحلیل‌گرهای شبکه با قرار دادن پورت‌های ورودی و خروجی متعدد به ما در شناخت و بررسی عملکرد یک سیستم مخابراتی کمک می‌کنند و محاسبات بسیار مفیدی بر پایه فاز پاسخ فرکانسی از جمله ماتریس شبکه، نمودار اسمیت، Group Delay و… برای ما انجام می‌دهند. این تجهیز برخلاف یک تحلیل‎گر طیف اتکای کمتری بر صفحه نمایش دارد اما محاسبات آن آسان‌تر است. همچنین دقت دستگاه در اندازه‌گیری به دلیل وجود سیستم خطایابی برداری کمتر است.

طرز کار اسپکتروم آنالایزر

در مواجهه با این تجهیز جذاب و پرکاربرد، اولین قسمتی که توجه شما را به خود جلب می‌کند و بخش اصلی جلوی دستگاه را شامل می‌شود، صفحه نمایش آن است. علاوه بر آن، کلیدهای عملگر، کلیدهای کنترلی، پورت ورودی دستگاه برای اعمال سیگنال تحت آزمایش، و در مدل های جدیدتر پورت خروجی جهت تولید سیگنال آزمایشی، همچنین پورت‌های یو اس بی و چراغ‌های راهنما در بخش جلویی دستگاه وجود دارند.

به محض اعمال سیگنال تحت آزمایش، متوجه تغییر در سطح دامنه طیف فرکانس نمایش داده شده می‌شوید که به معنای آن است که سیگنال ورودی توان قابل توجهی دارد. حال باید با استفاده از کلیدهای عملگر فرکانس مرکزی را روی قله شکل موج تنظیم کرده و اندازه‌گیری‌هایی نظیر نویز فاز، توان سیگنال، پهنای باند و… را انجام داد.

نکته مهم در استفاده از اسپکتروم آنالایزر توجه به محدوده فرکانس کاری دستگاه موقع خرید و سپس انتخاب صحیح RBW یا پهنای باند تفکیک‌پذیری است. اسپکتروم آنالایزرها با افزایش محدوده فرکانس کاری نوسان قیمت شدیدی دارند، لذا اگر به فرکانس‌های بالا نیازی نداریم، انتخاب تجهیز با محدوده فرکانس کمتر و یا خریداسپکتروم آنالایزر دست دوم با قیمت مناسب همراه با گواهی کالیبراسیون معتبر می‌تواند انتخاب اقتصادی و مناسبی باشد. همچنین هنگام کار باید از انتخاب صحیح پهنای باند تفکیک‌پذیری مطمئن شویم، هرچه کمتر باشد دقت در تفکیک دو سیگنال کنار هم افزایش یافته اما سرعت محاسبات کمتر می‌شود.

فرکانس مرکزی و اسپن Span در اسپکتروم آنالایزر چیست؟

از آنجا که باند فرکانسی صفحه نمایش اسپکتروم آنالایزرها، معمولا وسیع و عرض صفحه نمایش محدود است، بنابراین، چنانچه کل پهنای باند را انتخاب کنیم جزئیات سیگنال ها در نمایش به علت فشردگی از بین خواهند رفت. از این رو، از قابلیت اسپن Span که محدوده فرکانسی طیف را محدود و مشخص می کند استفاده می گردد.
اسپن (span) در واقع عرض پنجره فرکانس اندازه گیری را تعیین می کند و می تواند برای مشاهده طیف باریک یا گسترده تنظیم شود. یک بازه بزرگتر، محدوه فرکانس وسیع تر،اما با جزئیات کمتر نمایش می دهد در حالی که یک بازه کوچک‌تر، جزئیات بیشتر اما در محدوده فرکانسی باریکتر را ارائه می دهد.
تنظیم دقیق Span (فاصله ، محدوده یا عرض پنجره فرکانسی) در تجزیه و تحلیل باندهای فرکانسی و شناسایی اجزای فرکانس در یک سیگنال ضروری است.

در یک اسپکتروم آنالایزر معمولی گزینه هایی برای تنظیم فرکانس شروع (Start)، توقف (Stop) و مرکز Center)) وجود دارد. فرکانس وسط بین فرکانس های توقف و شروع در نمایشگر به عنوان فرکانس مرکزی شناخته می شود. این فرکانس درست در وسط محور افقی (فرکانس) نمایشگر قرار دارد.
اسپن Span محدوده بین فرکانس های شروع و توقف را مشخص می کند. این دو پارامتر امکان تنظیم نمایشگر در محدوده فرکانس دستگاه را برای افزایش دید طیف اندازه گیری شده فراهم می کند.
به عنوان مثال مطابق عکس فوق اگر فرکانس مرکزی 1000MHz باشد و Span روی MHz 5 تنظیم گردد، فرکانس Start برابر با MHz 997.5، مرکزی 1000 MHz و توقف 1002.5 MHz خواهند بود به عبارت دیگر صفحه نمایش به شکلی تنظیم و مدرج می شود که این مقادیر کل آنرا پوشش دهد.

کاربرد اسپکتروم آنالایزر چیست؟

همانطور که پیش از این نیز بیان شد، اسپکتروم آنالایزرها به‌ عنوان بهترین ابزار تحلیل یک سیگنال در حوزه فرکانس، با اندازه‌گیری‌های دقیق در حضور نویز و خطای کم، می‌توانند کمک شایانی به دانشجویان رشته مخابرات، محققین این عرصه و کلیه نهادها و سازمان‌های نظارتی و اجرایی ارتباطات رادیویی کشور کنند.

اگر یک فیلتر در آزمایشگاه ساخته‌اید، پروژه‌ای برای تحویل به دانشگاه دارید، می‌خواهید محصولی مخابراتی را به تولید انبوه برسانید، کیفیت خطوط ارتباطی بی‌سیم را بررسی کرده و خطاهای آن را برطرف کنید، و یا بر روی سیگنال‌های رادیویی شناخته‌شده اطراف نظیر GSM و LTE تحقیق کنید، یک اسپکتروم آنالایزر اصلی‌ترین نیاز شماست.

عناوین پیشنهادی مرتبط با مقاله فوق:

بررسی تفاوت های اسپکتروم آنالایزر و نتورک آنالایزر

اولین تنظیمات هنگام کار با اسپکتروم آنالایزر

بررسی ساختمان داخلی و اجزا یک اسپکتروم آنالایزر

اندازه گیری های مفید سیگنال با استفاده از اسپکتروم آنالایزر

در انتها می توانید فیلم آموزش کار با دستگاه اسپکتروم آنالایزر کمپانی Rigol را در این قسمت مشاهده نمایید.