به نام خدا
اسپکتروم آنالایزر (Spectrum Analyzer)
مقدمه
در بسیاری از شاخههای مهندسی برق و الکترونیک، تحلیل و بررسی سیگنالها از اهمیت ویژهای برخوردار است. اسپکتروم آنالایزر یکی از ابزارهای کلیدی در این زمینه است که به ما امکان میدهد تا سیگنالها را در حوزه فرکانس تحلیل کنیم. برخلاف اسیلوسکوپ که سیگنال را در حوزه زمان نشان میدهد، اسپکتروم آنالایزر طیف فرکانسی سیگنال را به ما نمایش میدهد و این برای تشخیص فرکانسها، توان و نویز بسیار حیاتی است. استفاده از این دستگاه در مخابرات، رادیو، تست و عیبیابی سیستمهای RF و حتی امنیت اطلاعات بسیار گسترده است.
منبع:
Pozar, David M., Microwave Engineering, 4th Edition, Wiley, 2011.
پوزار، دیوید ام.، مهندسی مایکروویو، چاپ چهارم، وایلی، ۲۰۱۱.
تعریف اسپکتروم آنالایزر
اسپکتروم آنالایزر دستگاهی است که سیگنالهای الکترونیکی را از نظر ترکیب فرکانسی تحلیل میکند. این دستگاه نمودار دامنه یا توان سیگنال را در مقابل فرکانس نمایش میدهد، که اطلاعات مهمی درباره ساختار فرکانسی سیگنال به ما میدهد. به کمک اسپکتروم آنالایزر میتوان نویز، تداخل و کیفیت سیگنال را به دقت بررسی کرد.
منبع:
Agilent Technologies, "Spectrum Analyzer Basics," Application Note 150, 2006.
اگایلنت تکنولوژیز، «مبانی اسپکتروم آنالایزر»، یادداشت کاربردی ۱۵۰، ۲۰۰۶.
تاریخچه مختصر
در اوایل قرن بیستم، با پیشرفت فناوریهای رادیویی، نیاز به تحلیل دقیقتر سیگنالها احساس شد. نخستین اسپکتروم آنالایزرها بر پایه فناوری آنالوگ ساخته شدند و به صورت مکانیکی فرکانسها را جستجو میکردند. با ورود فناوری دیجیتال و معرفی الگوریتم تبدیل فوریه سریع (FFT) در دهه ۱۹۶۰، اسپکتروم آنالایزرهای دیجیتال متولد شدند که امکان پردازش سریعتر و دقیقتر سیگنالها را فراهم کردند.
منبع:
Rhodes, P., "History and Development of Spectrum Analyzers," IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, 2009.
رودز، پی.، «تاریخچه و توسعه اسپکتروم آنالایزرها»، مجله IEEE ابزار دقیق و اندازهگیری، ۲۰۰۹.
کاربردهای اسپکتروم آنالایزر
اسپکتروم آنالایزر در زمینههای مختلفی کاربرد دارد، از جمله:
- تحلیل سیگنالهای مخابراتی و رادیویی
- اندازهگیری توان و پهنای باند سیگنالها
- شناسایی نویز و تداخل در سیستمها
- تست آنتنها و فیلترهای فرکانسی
- استفاده در حوزه امنیت برای تشخیص سیگنالهای غیرمجاز
- کاربردهای نظامی و راداری
این تنوع کاربرد، اسپکتروم آنالایزر را به ابزاری حیاتی برای مهندسان و پژوهشگران تبدیل کرده است.
منبع:
Keysight Technologies, "Applications of Spectrum Analyzers," Application Note, 2018.
کیسایت تکنولوژیز، «کاربردهای اسپکتروم آنالایزر»، یادداشت کاربردی، ۲۰۱۸.
انواع اسپکتروم آنالایزر
اسپکتروم آنالایزرها بر اساس روش تحلیل سیگنال به دو دسته اصلی تقسیم میشوند:
- اسپکتروم آنالایزر آنالوگ (Analog Spectrum Analyzer):
این نوع از آنالایزرها از فیلترهای متغیر آنالوگ استفاده میکنند و به صورت مکانیکی یا الکترونیکی فرکانسها را جستجو میکنند. معمولاً دقت و سرعت این دستگاهها کمتر است ولی برای کاربردهای خاصی که نیاز به تجزیه و تحلیل سیگنالهای پیوسته دارند، استفاده میشود. - اسپکتروم آنالایزر دیجیتال (Digital Spectrum Analyzer):
این نوع از آنالایزرها سیگنالهای ورودی را ابتدا به دیجیتال تبدیل میکنند و سپس با استفاده از الگوریتم تبدیل فوریه سریع (FFT) تحلیل میکنند. این روش دقت و سرعت بسیار بالاتری دارد و امروزه بیشتر استفاده میشود.
منبع:
Mani, H. M., Signal Analysis and Processing for Machine Learning, Springer, 2015.
مانی، اچ. ام.، تحلیل سیگنال و پردازش برای یادگیری ماشین، اشپرینگر، ۲۰۱۵.
ساختار داخلی اسپکتروم آنالایزر
یک اسپکتروم آنالایزر معمولاً شامل اجزای زیر است:
- ورودی سیگنال: جایی که سیگنال وارد دستگاه میشود.
- تقویتکننده پیشتقویت (Pre-Amplifier): برای افزایش قدرت سیگنالهای ضعیف جهت تحلیل بهتر.
- میکسر و اسیلاتور محلی (Local Oscillator): برای تبدیل فرکانس سیگنال به فرکانس میانی (IF) که پردازش آن آسانتر است.
- فیلتر فرکانسی: برای جداسازی فرکانسهای مورد نظر.
- آشکارساز: برای اندازهگیری توان سیگنال در هر فرکانس.
- پردازشگر دیجیتال (DSP): در آنالایزرهای دیجیتال برای پردازش دادهها و نمایش اطلاعات.
- نمایشگر: نمایش طیف فرکانسی به صورت نمودار توان بر حسب فرکانس.
منبع:
Keysight Technologies, Spectrum Analyzer Fundamentals, 2019.
کیسایت تکنولوژیز، مبانی اسپکتروم آنالایزر، ۲۰۱۹.
نحوه عملکرد اسپکتروم آنالایزر
فرآیند کلی عملکرد اسپکتروم آنالایزر به شرح زیر است:
- سیگنال ورودی وارد دستگاه میشود.
- سیگنال توسط تقویتکننده تقویت میشود تا برای پردازش آماده گردد.
- میکسر سیگنال را به فرکانس میانی تبدیل میکند تا فیلترها بتوانند فرکانسهای مختلف را جدا کنند.
- فیلتر فرکانسی سیگنال را به بخشهای مختلف تفکیک میکند.
- آشکارساز میزان توان هر بخش را اندازه میگیرد.
- در اسپکتروم آنالایزرهای دیجیتال، سیگنال نمونهبرداری شده و توسط FFT پردازش میشود.
- نتایج به صورت نمودار توان بر حسب فرکانس روی صفحه نمایش نشان داده میشود.
منبع:
Rhodes, P., Spectrum Analyzer Techniques, IEEE Press, 2012.
رودز، پی.، تکنیکهای اسپکتروم آنالایزر، انتشارات IEEE، ۲۰۱۲.
تفاوت اسپکتروم آنالایزر با اسیلوسکوپ
یکی از سوالات رایج، تفاوت بین اسپکتروم آنالایزر و اسیلوسکوپ است.
اسیلوسکوپ سیگنال را در حوزه زمان نشان میدهد و تغییرات ولتاژ را بر حسب زمان نمایش میدهد، در حالی که اسپکتروم آنالایزر سیگنال را در حوزه فرکانس تحلیل میکند و قدرت هر فرکانس را نشان میدهد.
به عبارت دیگر، اسیلوسکوپ برای مشاهده شکل موجها و تحلیل زمانی مناسب است و اسپکتروم آنالایزر برای بررسی محتوای فرکانسی و طیف سیگنال به کار میرود.
منبع:
Tektronix, Oscilloscope vs Spectrum Analyzer, Application Note, 2017.
تکترو نیکس، اسیلوسکوپ در مقابل اسپکتروم آنالایزر، یادداشت کاربردی، ۲۰۱۷.
نحوه استفاده عملی از اسپکتروم آنالایزر
برای استفاده صحیح از اسپکتروم آنالایزر، مراحل زیر معمولاً دنبال میشود:
- اتصال کابل مناسب به ورودی دستگاه
- تنظیم دامنه فرکانسی مورد نظر برای نمایش
- تنظیم دامنه حساسیت و مقیاس نمایش
- انتخاب نوع تحلیل (مثلاً قدرت متوسط یا لحظهای)
- بررسی نمودار طیف و تحلیل نتایج
- در صورت نیاز، ذخیره یا چاپ نتایج برای گزارش
این مراحل کمک میکند تا بهترین و دقیقترین دادهها از دستگاه گرفته شود.
منبع:
Rohde & Schwarz, Practical Guide to Spectrum Analyzer Use, 2015.
روده اند شرارز، راهنمای عملی استفاده از اسپکتروم آنالایزر، ۲۰۱۵.
نتیجهگیری
اسپکتروم آنالایزر ابزار بسیار مهم و کاربردی در مهندسی برق و الکترونیک است که امکان تحلیل دقیق سیگنالها در حوزه فرکانس را فراهم میکند. این دستگاه در تست، عیبیابی و تحقیق در زمینههای مختلف از جمله مخابرات، رادیو، امنیت و صنایع نظامی کاربرد دارد. با پیشرفت تکنولوژی دیجیتال، اسپکتروم آنالایزرهای دیجیتال با دقت و سرعت بالاتری جایگزین مدلهای آنالوگ شدهاند. درک کامل عملکرد و کاربردهای این دستگاه برای مهندسان و دانشجویان این رشته ضروری است.
منبع:
Balanis, Constantine A., Antenna Theory: Analysis and Design, 4th Edition, Wiley, 2016.
بالانیس، کنستانتین آ.، نظریه آنتن: تحلیل و طراحی، چاپ چهارم، وایلی، ۲۰۱۶.
