محلل الطيف

يُعدّ هذا التصميم مناسبًا للتطبيقات التي يُمكن فيها توصيل محلل الطيف بمصدر طاقة تيار متردد، وهو ما يعني عادةً في بيئة المختبر أو منطقة الإنتاج/التصنيع. لطالما تميّزت محللات الطيف المكتبية بأداء ومواصفات أفضل من نظيراتها المحمولة. تحتوي محللات الطيف المكتبية عادةً على مراوح متعددة (مع فتحات تهوية) لتبديد الحرارة الناتجة عن المعالج . ونظرًا لتصميمها، يبلغ وزن محللات الطيف المكتبية عادةً أكثر من 14 كيلوغرامًا . تُوفّر بعض محللات الطيف المكتبية بطاريات اختيارية ، مما يسمح باستخدامها بعيدًا عن مصدر طاقة التيار المتردد . يُشار إلى هذا النوع من المحللات غالبًا باسم محلل الطيف "المحمول". 

يُعدّ هذا التصميم مناسبًا لأي تطبيقات تتطلب استخدام محلل الطيف خارج المكتب لإجراء القياسات أو حمله أثناء الاستخدام. ومن السمات التي تُسهم في جعل محلل الطيف المحمول مفيدًا ما يلي:

• تشغيل اختياري يعمل بالبطارية للسماح للمستخدم بالتحرك بحرية في الخارج.
• شاشة عرض واضحة الرؤية تسمح بقراءة الشاشة في ضوء الشمس الساطع أو الظلام أو الظروف المتربة.
• خفيف الوزن (عادة أقل من 15 رطلاً (6.8 كجم) ). 

يُعدّ هذا التصميم مناسبًا لأي تطبيق يتطلب أن يكون محلل الطيف خفيفًا وصغير الحجم. عادةً ما توفر أجهزة التحليل المحمولة إمكانيات محدودة مقارنةً بالأنظمة الأكبر حجمًا. تشمل السمات التي تُسهم في فعالية محلل الطيف المحمول ما يلي:

• استهلاك منخفض جداً للطاقة.
• يعمل الجهاز بالبطارية أثناء وجوده في الميدان ليسمح للمستخدم بالتحرك بحرية في الخارج.
• حجم صغير جداً
• خفيف الوزن (عادة أقل من 2 رطل (0.9 كجم) ). 

لا يتضمن هذا التصميم شاشة عرض، وقد صُممت هذه الأجهزة لتمكين فئة جديدة من تطبيقات مراقبة وتحليل الطيف الموزعة جغرافيًا. وتتمثل السمة الرئيسية في إمكانية توصيل المحلل بشبكة ومراقبة هذه الأجهزة عبر الشبكة. في حين أن العديد من محللات الطيف مزودة بمنفذ إيثرنت للتحكم، إلا أنها تفتقر عادةً إلى آليات نقل بيانات فعالة، كما أنها ضخمة أو باهظة الثمن بحيث لا يمكن نشرها بهذه الطريقة الموزعة. تشمل التطبيقات الرئيسية لهذه الأجهزة أنظمة كشف التسلل بترددات الراديو للمنشآت الآمنة حيث يُحظر استخدام الإشارات اللاسلكية. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم مشغلو شبكات الهاتف المحمول هذه المحللات لمراقبة التداخل عن بُعد في نطاقات الطيف المرخصة. تُمكّن الطبيعة الموزعة لهذه الأجهزة من تحديد الموقع الجغرافي لأجهزة الإرسال، ومراقبة الطيف للوصول الديناميكي إلى الطيف، والعديد من التطبيقات الأخرى المماثلة.

تشمل السمات الرئيسية لهذه الأجهزة ما يلي:

• نقل البيانات بكفاءة عبر الشبكة
• استهلاك منخفض للطاقة
• القدرة على مزامنة عمليات جمع البيانات عبر شبكة من أجهزة التحليل
• تكلفة منخفضة لتمكين النشر على نطاق واسع.

كما نوقش أعلاه في الأنواع ، يقوم محلل الطيف المرن بتحويل جزء من طيف إشارة الإدخال إلى التردد المركزي لمرشح تمرير النطاق عن طريق مسح المذبذب الذي يتم التحكم فيه بالجهد من خلال نطاق من الترددات، مما يتيح مراعاة نطاق التردد الكامل للجهاز.

يُحدد عرض نطاق مرشح تمرير النطاق عرض نطاق الدقة، والذي يرتبط بدوره بأدنى عرض نطاق يمكن للجهاز رصده. وكما هو موضح في الرسوم المتحركة على اليمين، كلما صغر عرض النطاق، زادت الدقة الطيفية. مع ذلك، ثمة مفاضلة بين سرعة تحديث الشاشة لنطاق التردد الكامل قيد الدراسة ودقة التردد، وهو أمر بالغ الأهمية لتمييز مكونات التردد المتقاربة. بالنسبة لبنية الضبط بالمسح، تُعد هذه العلاقة لزمن المسح مفيدة:

${\displaystyle \ ST={\frac {k(\mathrm {Span} )}{RBW^{2}}}}$

حيث ST هو زمن المسح بالثواني، و k هو ثابت التناسب، و Span هو نطاق التردد قيد الدراسة بالهرتز، و RBW هو عرض نطاق الدقة بالهرتز. ^{[ 13 ]} مع ذلك، فإن المسح السريع جدًا يؤدي إلى انخفاض في السعة المعروضة وانزياح في التردد المعروض. ^{[ 14 ]}

كما يحتوي الرسم المتحرك على أطياف مُحوَّلة تصاعديًا وتنازليًا، وذلك نتيجةً لخلاط الترددات الذي يُنتج ترددات الجمع والفرق. ويعود تسرب الإشارة من المذبذب المحلي إلى عدم عزله التام عن مسار إشارة التردد المتوسط ​​في الخلاط .

بالنسبة للإشارات الضعيفة للغاية، يتم استخدام مضخم أولي ، على الرغم من أن التشوه التوافقي والتشوه البيني قد يؤدي إلى إنشاء مكونات تردد جديدة لم تكن موجودة في الإشارة الأصلية.

باستخدام محلل الطيف القائم على تحويل فورييه السريع (FFT)، تكون دقة التردد${\displaystyle \Delta \nu =1/T}$، وهو معكوس الزمن T الذي يتم خلاله قياس شكل الموجة وتحويله باستخدام تحويل فورييه.

في تحليل تحويل فورييه في محلل الطيف الرقمي، من الضروري أخذ عينات من إشارة الإدخال بتردد أخذ عينات${\displaystyle \nu _{s}}$وهذا يعادل ضعف عرض نطاق الإشارة على الأقل، وذلك بسبب حد نايكويست . ^{[ 15 ]} سينتج عن تحويل فورييه طيف يحتوي على جميع الترددات من الصفر إلى${\displaystyle \nu _{s}/2}$. وهذا يمكن أن يفرض متطلبات كبيرة على محول التناظري إلى الرقمي المطلوب وقوة المعالجة لتحويل فورييه، مما يجعل محللات الطيف القائمة على تحويل فورييه السريع محدودة في نطاق التردد.

بما أن أجهزة التحليل القائمة على تحويل فورييه السريع (FFT) لا تستطيع سوى معالجة نطاقات ضيقة، فإن إحدى التقنيات هي الجمع بين تحليل المسح وتحليل تحويل فورييه السريع لمعالجة النطاقات الواسعة والضيقة. وتتيح هذه التقنية تقليل وقت المسح.

أصبحت هذه الطريقة ممكنة من خلال تحويل الإشارة أولاً إلى تردد أدنى، ثم رقمنة التردد الوسيط واستخدام تقنيات التغاير الفائق أو تحويل فورييه السريع للحصول على الطيف.

من فوائد تحويل التردد المتوسط ​​إلى تردد رقمي إمكانية استخدام المرشحات الرقمية ، التي تتميز بمجموعة من المزايا مقارنةً بالمرشحات التناظرية، مثل دقة عوامل الشكل العالية وسرعة استقرار المرشح. كما يمكن استخدام تحويل فورييه السريع (FFT) لزيادة زمن المسح دون تشويه الطيف المعروض، وذلك عند التعامل مع نطاقات تردد ضيقة.

لا يحتوي محلل الطيف في الوقت الحقيقي على أي فترة انقطاع، حتى حد أقصى معين يُسمى غالبًا "عرض النطاق الترددي في الوقت الحقيقي". يستطيع المحلل أخذ عينات من طيف الترددات الراديوية الوارد في المجال الزمني وتحويل المعلومات إلى المجال الترددي باستخدام عملية تحويل فورييه السريع (FFT). تتم معالجة تحويلات فورييه السريع بالتوازي، دون فجوات أو تداخل، بحيث لا توجد فجوات في طيف الترددات الراديوية المحسوب ولا تُفقد أي معلومات.

الحد الأدنى لوقت اكتشاف الإشارة

يرتبط هذا بمعدل أخذ العينات للمحلل ومعدل تحويل فورييه السريع . ومن المهم أيضًا أن يوفر محلل الطيف في الوقت الحقيقي دقة جيدة في مستوى الإشارة.

مثال: بالنسبة لمحلل طيفي ذي نطاق ترددي زمني حقيقي يبلغ 40 ميجاهرتز (أقصى نطاق تردد لاسلكي يمكن معالجته في الوقت الحقيقي)، يلزم حوالي 50 ميجا عينة/ثانية (مركبة). إذا كان محلل الطيف ينتج 250000 تحويل فورييه سريع/ثانية، فسيتم إجراء عملية حسابية لتحويل فورييه سريع كل 4 ميكروثانية. بالنسبة لتحويل فورييه سريع مكون من 1024 نقطة ، يتم إنتاج طيف كامل 1024 × (1/50 × 10⁶ )، أي كل 20 ميكروثانية تقريبًا. ^وهذا يعطينا أيضًا معدل التداخل 80% (20 ميكروثانية - 4 ميكروثانية) / 20 ميكروثانية = 80%.

المثابرة

تُتيح أجهزة تحليل الطيف في الوقت الحقيقي للمستخدمين الحصول على معلومات أكثر تفصيلًا لفحص طيف التردد. فعلى سبيل المثال، يعرض جهاز تحليل الطيف التقليدي أعلى وأدنى قيمة للذروة، بينما يرسم جهاز تحليل الطيف في الوقت الحقيقي جميع تحويلات فورييه السريعة (FFT) المحسوبة خلال فترة زمنية محددة، مع إضافة ترميز لوني يُشير إلى تكرار ظهور الإشارة. على سبيل المثال، تُظهر هذه الصورة الفرق بين كيفية عرض الطيف في عرض الطيف التقليدي وعرض "الاستمرارية" في جهاز تحليل الطيف في الوقت الحقيقي.

إشارات خفية

تستطيع أجهزة تحليل الطيف في الوقت الحقيقي رصد الإشارات المخفية خلف إشارات أخرى. ويعود ذلك إلى عدم فقدان أي معلومة، حيث أن ما يُعرض للمستخدم هو ناتج حسابات تحويل فورييه السريع (FFT). ويمكن رؤية مثال على ذلك على اليمين.

يحتوي محلل الطيف النموذجي على خيارات لضبط ترددات البدء والإيقاف والمركز. يُعرف التردد الواقع في منتصف المسافة بين ترددي البدء والإيقاف على شاشة محلل الطيف بتردد المركز ، وهو التردد الذي يقع في منتصف محور الترددات على الشاشة. يحدد نطاق الترددات المدى بين ترددي البدء والإيقاف. تسمح هاتان المعلمتان بضبط الشاشة ضمن نطاق ترددات الجهاز لتحسين وضوح الطيف المقاس.

كما ذُكر في قسم التشغيل ، يُعدّ مرشح عرض نطاق الدقة (RBW) مرشح تمرير النطاق في مسار التردد المتوسط ​​(IF) . وهو عرض نطاق سلسلة الترددات الراديوية قبل الكاشف (جهاز قياس القدرة). ^{[ 17 ]} يحدد هذا المرشح مستوى ضوضاء الترددات الراديوية ، ومدى تقارب إشارتين مع قدرة المحلل على فصلهما إلى قمتين منفصلتين. ^{[ 17 ]} يسمح ضبط عرض نطاق هذا المرشح بالتمييز بين الإشارات ذات المكونات الترددية المتقاربة، مع تغيير مستوى الضوضاء المقاس. يؤدي تقليل عرض نطاق مرشح RBW إلى تقليل مستوى الضوضاء المقاس، والعكس صحيح. ويعود ذلك إلى أن مرشحات RBW ذات العرض الأعلى تُمرر مكونات ترددية أكثر إلى كاشف الغلاف مقارنةً بمرشحات RBW ذات العرض الأقل، وبالتالي، يؤدي ارتفاع عرض نطاق RBW إلى ارتفاع مستوى الضوضاء المقاس.

مرشح عرض نطاق الفيديو (VBW) هو مرشح تمرير منخفض يقع مباشرةً بعد كاشف الغلاف . وهو يمثل عرض نطاق سلسلة الإشارة بعد الكاشف. يشير مصطلحا "المتوسط" أو "كشف الذروة" إلى كيفية تسجيل وحدة التخزين الرقمية في الجهاز للعينات، حيث تأخذ عدة عينات لكل خطوة زمنية وتخزن عينة واحدة فقط، إما متوسط ​​العينات أو أعلى قيمة لها. ^{[ 17 ]} يحدد عرض نطاق الفيديو القدرة على التمييز بين مستويين مختلفين للطاقة. ^{[ 17 ]} وذلك لأن عرض نطاق الفيديو الأضيق يُزيل التشويش من خرج الكاشف. ^{[ 17 ]} يُستخدم هذا المرشح لتنعيم العرض عن طريق إزالة التشويش من الغلاف. وكما هو الحال مع عرض نطاق التردد (RBW)، يؤثر عرض نطاق الفيديو على زمن مسح العرض إذا كان أقل منه. في هذه الحالة، تكون العلاقة التالية مفيدة لزمن المسح:

${\displaystyle t_{\mathrm {sweep} }={\frac {k\cdot (f_{2}-f_{1})}{\mathrm {RBW} \times \mathrm {VBW} }}.}$

هنا ، يمثل t _sweep زمن المسح، و k ثابت تناسب عديم الأبعاد، و f ₂ − f ₁ نطاق تردد المسح، و RBW عرض نطاق الدقة، و VBW عرض نطاق الفيديو. ^{[ 18 ]} 

مع ظهور الشاشات الرقمية، تستخدم بعض أجهزة تحليل الطيف الحديثة محولات تناظرية-رقمية لأخذ عينات من سعة الطيف بعد مرشح VBW. ولأن الشاشات تحتوي على عدد محدد من النقاط، فإن نطاق التردد المقاس يُحوّل أيضًا إلى بيانات رقمية. تُستخدم الكواشف في محاولة لربط قدرة الإشارة الصحيحة بنقطة التردد المناسبة على الشاشة. يوجد عمومًا ثلاثة أنواع من الكواشف: كاشف العينة، وكاشف الذروة، وكاشف المتوسط.

• كشف العينات - يعتمد كشف العينات ببساطة على استخدام نقطة المنتصف لفترة زمنية محددة كقيمة عرض. ورغم أن هذه الطريقة تمثل الضوضاء العشوائية بشكل جيد، إلا أنها لا تلتقط جميع الإشارات الجيبية دائمًا.
• كشف الذروة - يستخدم كشف الذروة أعلى نقطة مُقاسة ضمن فترة زمنية محددة كقيمة عرض. يضمن هذا قياس أعلى قيمة للموجة الجيبية ضمن تلك الفترة؛ إلا أنه قد لا يتم قياس الموجات الجيبية الأصغر ضمن الفترة نفسها. كما أن كشف الذروة لا يُعطي تمثيلاً دقيقاً للضوضاء العشوائية.
• الكشف المتوسط ​​- يستخدم الكشف المتوسط ​​جميع نقاط البيانات ضمن الفترة الزمنية المحددة لتحديد قيمة نقطة العرض. ويتم ذلك عن طريق حساب متوسط ​​القدرة ( RMS )، أو متوسط ​​الجهد، أو متوسط ​​القدرة اللوغاريتمي.

مستوى الضوضاء المتوسط ​​المعروض ( DANL) هو كما يوحي اسمه - متوسط ​​مستوى الضوضاء المعروض على جهاز التحليل. يمكن أن يكون هذا المستوى إما بنطاق ترددي محدد (مثل -120 ديسيبل ميلي واط عند 1  كيلو هرتز RBW)، أو مُعايرًا إلى 1  هرتز (عادةً بوحدة ديسيبل ميلي واط/هرتز) مثل -150 ديسيبل ميلي واط/هرتز. يُطلق على هذا أيضًا حساسية محلل الطيف. عند إدخال إشارة بمستوى يساوي متوسط ​​مستوى الضوضاء، سيظهر مستوى ضوضاء أعلى بمقدار 3  ديسيبل. لزيادة حساسية محلل الطيف، يمكن توصيل مُضخِّم أولي ذي معامل ضوضاء منخفض عند مدخل محلل الطيف. ^{[ 19 ]}