Spektrianalysaattorit: Mitä ne ovat ja mitä niiden eri tyypit ovat

Oletko sähköinsinööri…? Oletko koskaan käyttänyt spektrianalysaattoria?

Useimmat (ja toivottavasti kaikki!) sähköinsinöörit – ja ehkäpä monet muidenkin alojen insinöörit – tietävät mikä oskilloskooppi on ja ovat käyttäneet sellaista. Kuvittelisin, että useimmat sähköinsinöörit tutustuivat oskilloskooppiin ensimmäisenä opiskeluvuotenaan. Puhuttaessa spektrianalysaattoreista osa käytännön sähköinsinööreistä ei ehkä tiedä mikä sen on, saatikka että olisivat käyttäneet sellaista.

Mikä spektrianalysaattori on?

Monille sähköinsinööreille spektrianalysaattori näyttää aivan samalta kuin oskilloskooppi, paitsi että siinä on enemmän ominaisuuksia ja grafiikkaa. Vaikka sekä oskilloskooppi että spektrianalysaattori näyttävät signaalin amplitudin vertikaalisella akselilla, niiden välinen ero on siinä mitä horisontaalisella akselilla näytetään; oskilloskooppi näyttää ajan, kun taas spektrianalysaattori näyttää taajuuden. Alla olevassa kuvassa esitetään useita taajuusmittauksia Rigolin DSA815-TG-spektrianalysaattorissa.

Kuva 1: Spektrianalysaattorit näyttävät horisontaalisella akselilla taajuusmittaukset. (Kuvan lähde: Rigol Technologies[1])

Keysight Technologies -yrityksen mukaan spektrianalysaattori “mittaa tulosignaaliamplitudin suhteen taajuuteen instrumentin koko taajuuskaistalla. Sen pääasiallinen käyttö on mitata tunnettujen ja tuntemattomien signaalien spektriteho.”^[2] Toisin sanoen käyttäjät voivat spektrianalysaattorilla “analysoida spektriä,” missä spektri määritetään kokoelmaksi siniaaltoja, jotka muodostavat yhdessä aika-alueen signaalin.

Tarkastellaanpa esimerkiksi signaalia oskilloskoopilla (kuva 2).

Kuva 2 : Signaali näytetään oskilloskoopissa (Kuvan lähde: Agilent Technologies[3])

Vaikka tämä signaali ei selvästikään ole puhdas sinimuotoinen aaltomuoto, spektrianalysaattori tunnistaa kunkin erillisen sinimuotoisen aaltomuodon, jotka muodostavat tämän signaalin. Sen jälkeen kun spektrianalysaattori on tunnistanut nämä aaltomuodot, se tulostaa kustakin yksittäisestä aaltomuodosta amplitudin ja taajuuden. Kuten kuvasta 3 voidaan nähdä, kuvan 2 signaali muodostuu vain kahdesta sinimuotoisesta aaltomuodosta.

Kuva 3: AIka-alueen signaalin (mikä näytetään oskilloskoopissa) ja taajuusalueen signaalien (mitkä näytetään spektrianalysaattorissa) välinen suhde (Kuvan lähde: Agilent Technologies[3])

Spektrianalysaattorien tyypit: Teknologiatyypit ja mallit

Spektrianalysaattoreja on kahta päätyyppiä: pyyhkäisyviritetyt analysaattorit ja reaaliaika-analysaattorit, jotka tunnetaan myös nimellä reaaliaikainen spektrianalysaattori tai RTSA. Molempia tyyppejä on ollut käytössä useita vuosia ja ne esittävät amplitudin vertikaalisella akselilla ja taajuuden horisontaalisella akselilla, mutta ne eroavat siinä miten ne suorittavat spektrianalyysin.

Ottaen huomioon että pyyhkäisyviritetty spektrianalysaattori on “pelkästään taajuusselektiivinen volttimittari automaattisesti viritettävällä (pyyhkäistävällä) taajuusalueella”^[4] ei ole yllättävää huomata, että perinteisen tyyppiset analysaattorit “periytyvät radiovastaanottimista.”^[4] Ja koska pyyhkäisyviritettyt spektrianalysaattorit “eivät pysty arvioimaan tietyn alueen kaikkia taajuuksia samanaikaisesti,”^[4] niitä käytetään pääsääntöisesti mittaamaan muuttumattomia tai toistuvia signaaleja. Näitä analysaattoreita on käytetty menestyksellisesti määräysten noudattamista seuraavissa piireissä (testaus ennen vaatimustenmukaisuustestausta ja EMC/EMI-testaus) vuosikymmenien ajan.

Toisin kuin pyyhkäisyviritetyt spektrianalysaattorit, reaaliaikaiset analysaattorit pystyvät arvioimaan kaikki taajuudet samanaikaisesti. Reaaliaikainen spektrianalysaattori toimii keräämällä ensin datan aika-alueella ja sen jälkeen muuntamalla tämän datan taajuusalueeseen käyttämällä FFT-muunnosta (Fast Fourier Transform).

Spektrianalysaattoreita on saatavana eri muotoisina, mukaan lukien pöytämalli (kuva 4), käsikäyttöinen (kuva 5) ja kannettava.

Kuva 4: Teledyne LeCroyn T3SA3200 pöytämallinen spektrianalysaattori tarjoaa taajuusalueen 9 kHz – 3,2 GHz. (Kuvan lähde: Teledyne LeCroy[5])

Kuva 5: Seeed Technologyn RF Explorer Model 2.4G on käsikäyttöinen spektrianalysaattori taajuudella 2,35 GHz – 2,55 GHz. (Kuvan lähde: Seeed Technology)

Pöytämallit ovat tyypillisesti tehokkaampia kuin vastaavat käsikäyttöiset mallit, mutta ne ovat kalliimpia. Käsikäyttöiset spektrianalysaattorit ovat sekä edullisempia että pienempiä, mutta ne tarjoavat vain pienen osan pöytämallisten analysaattorien ominaisuuksista. Kannettavat analysaattorit ovat sellaisia (mukaan lukien eräät pöytämalliset versiot) jotka voidaan ottaa kentälle mukaan niiden akkupakettien ansiosta.

Yhteenveto

Vaikka kaikki (näin toivomme!) sähköinsinöörit tietävät mikä oskilloskooppi on ja miten sitä käytetään, on yllättävää että vain osa sähköinsinööreistä on käyttänyt spektrianalysaattoria. Vaikka oskilloskoopit ja jotkin spektrianalysaattorit (pöytämalliversiot) saattavat näyttää samanlaisilta sekä malliltaan että näytöltään, ne ovat varsin erilaisia; spektrianalysaattori esittää saamansa datan amplitudi-versus-taajuus-muodossa, kun taas oskilloskooppi esittää informaationsa amplitudi-versus-aika-menetelmällä. Samoin kuin oskilloskooppejakin, spektrianalysaattoreita on saatavana eri tyyppejä tarpeista ja budjetista riippuen.

Referenssit:

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

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

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

4 – Keysight Technologies, “Different Types of Analyzers”

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