مرجع کامل سیستم های صوتی ایران

ورودی اصلی دستگاه اسپکتروم آنالیزور،بر حسب سیگنال الکترونیکی آن است،اگرچه که اسپکتروم هایی نیز وجود دارند که ورودی آنها،مبدل هایی همچون میکروفون است،برای نشان دادن طیف صدا یا منشور و حسگر هایی برای حس کردن نور و نشان دادن طیف نوری.برخی از آنها نیز مستقیما برای این کار ساخته شده اند،مثلا اسپکتروم انالیزور هایی که دارای مونوکروماتور برای اندازه گیری مستقیم طیف نوری هستند.با آنالیز طیف سیگنال الکترونیکی،فرکانس غالب،قدرت،دیستوریشن،هارمونیک ها،پهنای باند،و دیگر اجزای طیف های سیگنال،به راحتی قابل مشاهده هستند در حالی که در نمودار قدرت بر حسب زمان(همانند اسیلوسکوپ)،این کار به راحتی ممکن نیست.به دست آوردن این پارامتر ها،برای به دست آوردن مشخصات دستگاه ها کاربرد دارد،همانند مشخصات یک فرستنده بیسیم.(در کار های ما،پاسخ فرکانسی آمپلی فایر،بلندگو،میکروفون،و....).

نمایشگر یک اسپکتروم آنالیزور،در محور افقی،فرکانس را نشان میدهد و در محور عمودی،دامنه یا قدرت سیگنال را.در نگاه افراد غیر حرفه ای،اسپکتروم آنالیزور شبیه اسیلوسکوپ است،برخی از دستگاه های آزمایشگاهی،میتوانند هم اسیلوسکوپ باشند و هم اسپکتروم آنالیزور.

تاریخچه:اولین اسپکتروم ها،در دهه 1960،به اسپکتروم انالیزور های تنظیم شده با جارو،میگفتد.swept tuned.

با کشف تابع تبدیل فوریه سریع(fft)،اولین اسپکتورم های مبتنی بر اسن تابع در سال 1967 پدیدار گشتند،و امروزه،سه نوع اسپکتروم آنالیزور وجود دارد،تنظیم شونده با جارو،اسپکتروم آنالیزور برداری،و اسپکتروم آنالیزور به موقع،یا (realtime).

انواع:انواع اسپکتروم آنالیزور،بر اساس نوع روشی که برای نمایش طیف سیگنال استفاده میکنند،متمایز میشوند،که به دو دسته ی کلی تقسیم میشوند:

اسپکتروم سویپ تیون،یا تنظیم شونده با جارو:این اسپکتروم ها آنالوگ هستند.در این نوع از اسپکتروم ها،سیگنال را با استفاده از گیرنده سوپر هترودین،بخشی از فرکانس ورودی را به فرکانس وسط یک فیلتر باند گذر بسیار باریک،تبدیل میکنند که خروجی آن،برای نمایش تابعی که دامنه بر حسب زمان است آماده میشود.اما برای نمایش تمام رنج فرکانسی،باید چه کرد؟

به دیاگرام زیر دقت کنید:

اسیلاتور سویپ ژنراتور که یک اسیلاتور موج رمپ است،که فرکانس بالایی نیز دارد.خروجی این اسیلاتور به کنترل کننده ی محور افقی صفحه نمایش،متصل شده،حال فرض کنید که مقدار دامنه ی آن،از  0شروع میشود و به 10 ختم میشود.حال،اگر در قسمتی باشیم که ولتاژ این موج رمپ روی 5 باشد،دقیقا در وسط صفحه نمایش اما در قسمت پایین،قرار خواهیم داشت.حال،برگردیم به سراغ قسمت هترودین،دقت کنید که یک اسیلاتور محلی وجود دارد.فرکانس این اسیلاتور،با موج رمپ کنترل میشود،در زمان موج رمپ 0،این فرکانس کمترین حالت خواهد بود.در زمان 10 موج رمپ،این فرکانس بیش ترین حالت خواهد بود.حال،این اسیلاتور محلی،آن فیلتری که گفتیم بسیار باریک است،فرکانس آنرا کنترل میکند.در این زمان،به عنوان مثال یک سیگنالی با فرکانس 10 کیلو هرتز به ورودی  میدهیم.اگر قرار باشد که دستگاه ما سیگنال 10 کیلو هرتز روی وسط صفحه ی اسپکتروم ما نمایش بدهد،هنگامی که موج رمپ به عدد 5 رسید،نمایشگر روی وسط میرسد،در جایی که بخش هترودین و فرکانس اسیلاتور محلی و فیلتر باند گذر،در آن زمان به گونه ای تنظیم شده اند که فرکانس 10 کیلوهرتز را آشکار کنند.حال،زمانی که فیلتر ما،10 کیلوهرتز را آشکار میکند،آنرا به فرکانس پایین تری تبدیل میکند و به بخش های آشکار ساز انولوپ و ویدیو و رزولیشن فیلتر ها که سیگنال را برای نمایش بر روی نمایشگر آماده میکنند،فرستاده میشود،در نهایت،اشعه ی نمایشگر،روی 10 کیلو هرتز بالا آمده و نمایش طیف،روی 10 کیلو هرتز،به انجام میرسد.میتوان با اضافه کردن یک آملپی فایر لگاریتمی،دامنه را نیز به صورت لگاریتمی نمایش داد.

اما یکی از عیوب این اسپکتروم آنالیزور ها این است که در زمانی که مثلا موج رمپ و قسمت هترودین دستگاه روی 5 نمایش 5 کیلو هرتز تنظیم شده اند و این فرکانس دارد بالا میرود،حال در این لحظه اگر یک موج 1 کیلوهرتزی در سیگنال پدیدار گردد،اسپکتروم نمیتواند آنرا نشان دهد مگر که این موج 1 کیلوهرتزی آنقدر در سیگنال باقی بماند که دورباره موج رمپ از 0 شروع شود و به آن برسد.

اسپکتروم FFT:اسپکتروم FFT،ابتدا سیگنال را از فیلتر پایین گذر عبور میدهد تا سیگنال های با فرکانس بالا تر از رنج فرکانسی دستگاه وارد آن نشوند.سپس،یک سمپلر،از سیگنال نمونه میگیرد و مبدل آنالوگ به دیجیتال،آنرا به دیجیتال،تبدیل میکند.سپس،توابع فوریه و پریودوگرام ها وارد عمل میشوند،میدانیم که همه ی شکل موج ها را میتوان به موج های سینوسی،تبدیل کرد،مثلا موج مربعی،دارای چندین یا بی نهایت(در حالت ایده آل)موج سینوسی با مضرب های فرکانسی فرد از موج اصلی،تشکیل شده است،و توابع،موج ها را تجزیه کرده و در نهایت روی صفحه نمایش،نشان میدهند.این اسپکتروم ها،به دلیل تاخیر بسیار کمی که دارند،میتوان گفت که تقریبا هیچ بخشی را از قلم نمی اندازند.در ادامه بیش تر توضیح خواهیم داد.

انواع اسپکتروم آنالیزور ها از نظر شکل و اندازه و کارایی:

رومیزی:این شکل از اسپکتروم ها،بسیار پر کاربرد هستند و میتوان آنها را به برق AC شهری،متصل کرد،که بسیار برای کار های آزمایشگاهی و کارخانه ای برای تولیدات،مناسب هستند.اسپکتروم های رومیزی،از نمونه های پرتابل و دستی،قوی تر هستند و کارایی بهتری دارند.این اسپکتروم ها دارای فن و مجرا های گردش هوا هستند تا گرما را از پردازنده ها،دور کنند.اما ناشی از طراحی انها،این اسپکتروم ها معمولا وزنی بیش از 14 کیلو گرم دارند.برخی از این اسپکتروم ها قابلیت راه اندازی با باطری نیز دارند که به اسپکتروم آنالیزور های پرتابل معروف اند.

پرتابل:این اسپکتروم آنالیزور ها در جاهایی که نیاز است اسپکتروم را بیرون ببریم تا بتوانیم اندازه گیری را انجام دهیم یا به طور ساده در هنگام اندازه گیری،حرکت کنیم،کاربرد دارد.این اسپکتروم ها باید دارای این قابلیت ها باشند:

1-انتخاب کار با باطری،و اجازه دادن به کاربر تا آزادانه حرکت کند.

2-صفحه نمایش واضح و پر نور،تا در هر شرایطی،تاریکی،زیر نور آفتاب،و گرد و غبار،کاربر قادر به خواندن آن باشد.

3-وزن سبک،معمولا زیر 7 کیلو.

اسپکتروم دستی:این اسپکتروم ها،بسیار مفید و پرکاربرد اند در جایی که نیاز داریم دستگاهمان بسیار سبک و کوچک باشد.اما اسپکتروم های دستی،نسبت به نمونه های بزرگ تر و قوی تر،محدودیت های بیش تری نیز دارند.ویژگی های این اسپکتروم ها عبارت اند از:

1-مصرف توان بسیار پایین.

2-تغذیه از باطری،که به کاربر اجازه ی حرکت آزادانه را میدهد.

3-ابعاد بسیار کوچک

4-وزن بسیار سبک،معمولا زیر 1 کیلو گرم.

اسپکتروم های شبکه:این نوع اسپکتروم ها،برای توزیع شدن در محیط،و مانیتورینگ و آنالیز طراحی شده اند و دارای صفحه نمایش نمیباشند همچنین صفحه کنترل آنها یا بسیار ساده است یا اینکه تمام کنترل آنها توسط کامپیوتر ها،انجام میپذیرد.اگرچه که اسپکتروم آنالیزور های معمولی،دارای قابلیت اتصال به شبکه با ایترنت را دارند،اما بسیار حجیم و گران هستند و به درد این کار که چندین عدد از آنها را تهیه کرد،نمیخورند.یکی از کاربرد های این اسپکتروم ها،مثلا در جایی است که نباید سیگنال های رادیویی،با هم تداخل داشته باشند و یا در محیطی،نفوظ کنند.با توزیع اسپکتروم ها در محل،میتوان منشا اختلال را پیدا کرد.ویژگی های کلیدی این اسپکتروم ها عبارت اند از:

1-انتقال داده ها در شبکه.

2-مصرف توان پایین.

3-توانایی سنکرونیزه کردن داده ها در شبکه.

4-قیمت پایین،برای پیاده سازی گسترده.

حال،برویم سراغ برسی دقیق تر تئوری کارکرد اسپکتروم ها...

سوییپ تیون:در بالا،کارکرد این اسپکتروم ها را شرح دادیم،اما برای برسی دقیق تر،این اسپکتروم ها،بخشی از سیگنال ورودی را،با IF هایی شبیه به  IF گیرنده رادیوی هترودین،به فرکانس وسط یک فیلتر باند گذر باریک،تبدیل میکنند،با کشیدن یک اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ،در تمامی رنج های فرکانسی.پهنای باند این فیلتر باند گذر،رزولیشن نمایش دستگاه را تعیین میکند،که کمترین پهنای باند قابل تشخیص دستگاه را مشخص میکند.همانطور که در انیمیشن زیر نشان داده شده است،پهنای باند کمتر،یعنی رزولیشن بیش تر.

اگرچه،یک مبادله ای بین رزولیشن و سرعت زمانی که نمایشگر میتواند کل مسیر رنج فرکانسی را پوشش دهد،وجود دارد.

در این فرمولST زمان سوییپ است،زمانی که طول میکشد اشعه،از چپ به راست نمایشگر برسد.K یک ضریب ثابت است،(مقدارش را پیدا نکردم اگر میدانید در نظرات عنوان کنید تا پست اصلاح شود)،SPAN پهنای رنج فرکانسی است که دارد آنالیز میشود(با واحد هرتز)،و RBW رزولیشن پهنای باند با واحد هرتز است.اگرچه،به علت محدودیت صفحه نمایش،سوییپ کردن با سرعت بالا،باعث میشود خطا در نمایش به وجود آبد.

پایه ی FFT:در این اسپکتروم ها٬رزولیشن برابر است با:  Δν=1/T یعنی معکوس زمانی که در آن٬یک موج اندازه گیری شده و محاسبه میشود.با در نظر گرفتن آنالیز تبدیل فوریه در اسپکتروم٬واجب است که فرکانس سمپلینگ٬حداقل برابر با دو برابر پهنای باند سیگنال ورودی٬باشد.سپس٬اسپکتروم ما میتواند از صفر تا نصف فرکانس سمپلینگ را٬نمایش دهد.به همین دلیل این اسپکتروم ها٬از این نظر محدود هستند.

هایبرید سوپرهترودین FFT:به دلیل اینکه FFT ها پهنای باند کمی دارند٬یک تکنیک این است که اسپکتروم های هترودین و FFT را با هم ترکیب کنیم.در نتیجه،زمان سوییپ کمتری خواهیم داشت.

روش این اینکار این است که ابتدا سیگنال را به فرکانس IF تبدیل کنیم سپس،آنرا دیجیتالی کنیم،و روش FFT را روی آن پیاده سازی کنیم.یک مزیت دیجیتالی کردن سیگنال IF اسن است که میتوانیم از فیلتر های دیجیتالی استفاده کنیم،که مزایایی همچون شکل فیلتر و ضریب کیفیت بهتری دارند،نسبت به فیلتر های آنالوگ،و میتوان آنها را بهتر تنظیم کرد،همچنین،با داشتن دهنه ی فیلتر باریک،میتوانیم به راحتی سرعت سوییپ را بالا ببریم و FFT ها،محاسبات را بدون وقفه انجام دهند و با داده هایی که به صفحه نمایشگر میدهند،نمایش اسپکتروم دچار مشکل نشود.

FFT بی درنگ(ریل تایم):این اسپکتروم ها برای این طراحی شده اند که در طول زمان،تمامی داده های ورودی را روی صفحه نمایش نشان بدهند و هیچ تاخیری نداشته باشند تا همانند مثالی که برای اسپکتروم های هترودین زدیم و گفتیم که قسمت هایی را از دست میدهند،این اسپکتروم ها،هیچ قسمتی از سیگنال را از دست نمیدهند.برای این کار،از چندین آنالیزور FFT به صورت موازی استفاده میشود.ابتدا،FFT ها سیگنال ورودی را به صورت زمان-دامنه یعنی شبیه اسیلوسکوپ،پردازش میکنند و سپس آنرا به اطلاعات فرکانس-دامنه،تبدیل میکنند.FFT های موازی،فرض کنید که دو عدد FFT داریم،اولی در حال نمایش اطلاعات است و دومی در حال پردازش،هنگامی که نمایش اولی و پردازش دومی تمام شد،این دو جای خود را عوض میکنند،یعنی دومی نمایش میدهد و اولی پردازش میکند.

اسپکتروم آنالیزور هایی که قابلیت آنالیز سیگنال برداری را داشته باند،به اندازه ی کافی سریع هستند که ریل تایم محسوب شوند.

قابلیت های رایج اسپکتروم آنالیزور ها:

فرکانس وسط و طول(اسپن):در اسپکتروم انالیزور ها،این امکان وجود دارد که محدوده ی فرکانسی را که در آن میخواهید اندازه گیری را اندام دهیم،یعنی فرکانس شروع و فرکانس پایان را،تعیین کنیم تا نمودار از نظر شکل ظاهری،کارایی بیش تری داشته باشد،مثلا برای پاسخ فرکانسی یک اسپیکر،اگر فرکانس پایان اسپکتروم مثلا 70 مگا هرتز باشد،حال اسپیکر ما در محدوده ی 25 تا 1000 هرتز،کار کند،اما در هر فرکانسی،اسپکتروم فقط یک خط را در گوشه ی سمت چپ،نشان میدهد!چون پهنای باند نمایش خیلی زیاد است،پس بهتر است رنج فرکانس مورد نظر را از 10 هرتز تا 10 کیلو هرتز،تنظیم کنیم تا تمام جزییات را ببینیم.فرکانس وسط،فرکانسی است که در وسط صفحه نمایش بین فرکانس شروع و فرکانس پایان،میوفتد.

پهنای باند رزولیشن:این پهنای باند،که مربوط به پهنای باند فیلتر است،که هرچه بیش تر باشد نشان دهنده ی این است که دو سیگنال،میتوانند بیش تر به هم نزدیک باشند و همینطور قابل شناسایی،همچنین کاهش پهنای باند رزولیشن باعث میشود تا سطح نویز نمایش داده شده نیز پایین تر بیاید و برعکس،چون فیلتر های باریک تر،به فرکانس های کمتر اجازه ی عبور میدهد.

پهنای باند ویدیو:یکی دیگر از فاکتور هایی که بر کیفیت نمایش یک اسپکتروم آنالیزور تاثی میگذارد،پهنای باند ویدیوی آن است.این فیلتر،یک فیلتر پایین گذر زمان-دامنه ای است،کاربرد اصلی این فیلتر،کاهش نویز است البته این فیلتر بعد از اینکه از داده ها،ذخیره گرفتیم،بر روی سیگنال اعمال میشود.با داشتن پهنای باند کمتر،شاهد حذف نویز های بیش تری هستیم اما این فیلتر نیز بر روی زمان سوییپ تاثیر میگذارد،طبق این رابطه:

که در آن،Fها فرکانس شروع و پایان اندازه گیری،RBW رزولیشن پهنای باند و VBW رزولیشن ویدیو است.K نیز یک کمیت بدون بعد است؟

آشکار ساز:با ظهور اسپکتروم های با پایه صفحه نمایش دیجیتالی،اسپکتروم های مدرن،از مبدل های آنالوگ به دیجیتال بعد از فیلتر ویدیو،استفاده میکنند.به دلیل اینکه این نمایشگر ها از پیکسل ها(نقاط)برای نمایش استفاده میکنند،اطلاعات فرکانسی به صورت رقم نیز بر روی آنها نمایش میدهند.همچنین،قدرت سیگنال را.همینطور آشکار ساز ها برای نشان دادن اسپکتروم یک موج،روی صفحه نمایش،یک مشکلی دارد،اگر بخواهیم دقت را پایین بیاوریم مثلا از بازه ی یک تا ده هرتز،یک سیگنال داشته باشیم،نمیتوان این بازه ی کوچک را در یک بازه ی بزرگ مثلا از 20 تا 70 مگاهرتز به وجود آورد.آشکار ساز ها،از بازه های کوچک،به سه روش،سیگنال را اندازه گیری میکنند.معمولا سه نوع آشکار ساز وجود دارد:

آشکار ساز نمونه یا سمپل:در این آشکار ساز،در بازه هایی که برایش تعریف شده است،به طور ساده،قسمت وسط را انتخاب و داده هایش را میفرستد.

آشکار ساز پیک:در این اشکار ساز و در محدوده ی تعریف شده برایش،قسمتی را اندازه گیری میکند که بیش ترین قدرت را دارد.

آشکار ساز مقدار متوسط:این آشکار ساز،مقدار متوسط محدوده ی مورد نظر را اندازه گیری میکند،این کار با استفاده از ولتاژ متوسط یا ار ام اس،پاور ار ام اس یا مقدار لگاریتمی پاور آر ام اس،انجام میشود.

برای درک بهتر،به شکل زیر دقت کنید،قسمتی که در مربع قرار دارد،همان بازه ای است که گفتیم،یک بازه ی کوچک بین چندین هزار بازه ی دیگر،و نقاط قرمز،سبز و آبی،آشکار ساز ها هستند،هنگامی که در مقیاس بزرگ به آن نگاه میکنیم،تمام این قسمت،تنها یک ردیف از پیکسل های نمایشگر را مثلا،ممکن است نشان دهد،اگر آشکار ساز ما پیک باشد،در نمایشگر،مکان نقطه قرمز را (از نظر ارتفاع)بر روی ردیف میبینیم،اگر آشکار ساز پیک باشد،نقطه ی سبز و اگر آشکار ساز متوسط باشد نقطه ی آبی را خواهیم دید.

مقدار متوسط نویز نمایش داده شده:همانطور که خودش گفت،مقدار متوسط نویز روی صفحه نمایش را میگویند،که میتواند در پهنای باند رزولیشن خاص،باشد.مثلا 120- دسی بل میلی وات در 1 کیلو هرتز رزولیشن.همچنین،از این عنوان برای یاد کردن حساسیت اسپکتروم نیز استفاده میکنند،اگر یک سیگنالی با مقدار برابر با نویز،به دستگاه بدهیم،3 دسی بل افزایش روی صفحه خواهیم داشت.برای افزایش حساسیت اسپکتروم ها،یک پری آمپلی فایر که حساسیت دستگاه را تنظیم میکند،به دستگاه اضافه میکنند.

کاربرد ها در دنیای صوت:اسپکتروم انالیزور ها در رنج فرکانس های صوتی،برای پیدا کردن هارمونیک ها و هارمونیک دیستوریشن ها،استفاده میشوند،یک اسپکتروم آنالیزور در دنیای صدا،به طور ساده،میتواند کارت صدای کامپیوتر و یک نرم افزار باشد،همچنین کاربرد آنالیز طیف ها در دنیای صوت،برای به دست آوردن پاسخ قطبی یک میکروفون/بلندگو،پاسخ فرکانسی آنها،حساسیت،و دیگر پارامتر ها،همچنین مشاهده نویز محیط در اتاق اکوستیک،یا در مدارات،و.....استفاده میشوند.