اسپکتروم آنالایزر یا طیف سنج وسیله ای برای آزمایش و بررسی ترکیب طیفی شکل موج سیگنال های الکتریکی،صوتی یا نوری است که ممکن است برای اندازه گیری توان طیف نیز از آن استفاده شود.

اسپکتروم آنالایزر چیست ؟

اسپکتروم آنالایزر یا طیف سنج وسیله ای برای آزمایش و بررسی ترکیب طیفی شکل موج سیگنال های الکتریکی، صوتی یا نوری است که ممکن است برای اندازه گیری توان طیف نیز از آن استفاده شود.
در بعضی از اندازه گیری ها ما نیاز داریم که اطلاعات کامل مربوط به فرکانس،دامنه و فاز سیگنال حفظ شود. این نوع از آنالیز سیگنال،” آنالیز برداری سیگنال”(vector signal analysis) نامیده می شود.
اما دسته دیگری از آنالیز سیگنال نیز وجود دارد که در آن اندازه گیری ها می تواند بدون در نظر گرفتن فاز انجام شوند. این نوع از آنالیز سیگنال ، ” طیف سنجی “( spectrum analysis) نامیده می شود که موضوع صحبت ما در این پست است.

طیف چیست؟

قبل از ورود به توصیف جزئیات طیف سنج، ممکن است از خودمان بپرسیم که ” اصلا طیف چیست و چرا می خواهیم آن را آنالیز و تحلیل کنیم ؟ “.
اندازه گیری ها در حوزه فرکانس برای ما مشخص می کند که چه میزان انرژی در هر فرکانس وجود دارد.
طیف دسته ای از امواج سینوسی است که ترکیب صحیح آنها با هم ، سیگنال مورد بررسی را در حوزه زمان تولید می کنند .

هدف این است که توسط اسپکتروم آنالایزر پارامترهایی همچون شدت سیگنال، توان سیگنال بر حسب dB و watt، فاز نویز، و … را در پهنای باندهای مختلف اندازه گیری کنیم.

کاربردهای اسپکتروم آنالایزر :

• کاربرد های صوت شناسی(Acoustic uses)
• کاربرد های فرکانس رادیویی(RF uses)

1- کاربرد های صوت شناسی (Acoustic uses):

در صوت شناسی(acoustics)، طیف نگار(spectrograph)  موج صوتی را به طیف نگاشت صدا(sound spectrogram) تبدیل می کند. نخستین طیف نگار صوتی در طی جنگ جهانی دوم و در آزمایشگاه بل تولید شد و از آن استفاده های بسیاری در تحقیقات علوم گفتاری، صوت شناسی، آواشناسی (phonetics) و شنود شناسی (audiology) می‌شد، تا این‌که با ظهور تکنیک‌های پردازش سیگنال دیجیتال کنار گذاشته شد و حالا طیف سنج اندازه گیری‌های مربوط به این علوم را پوشش داده است.

2- کاربرد های فرکانس رادیویی (RF uses):

طیف سنج در علوم مخابراتی کاربرد های فراوانی دارد. به عنوان مثال برای تعیین پهنای باند اشغال شده شبکه و پیدا کردن منابع نویز از طیف سنج استفاده می شود.
افرادی که در زمینه مخابرات بی سیم کار می کنند، توجه شدیدی به سیگنال های ناخواسته ی خارج از باند و اعوجاج هارمونیک (harmonic distortion) سیگنال ها دارند. به عنوان مثال سیستم های رادیوی سلولی باید از نظر هارمونیک های سیگنال حامل چک شوند،  چون ممکن است با سیستم های دیگر که در همان فرکانس عمل می کنند تداخل هارمونیک پیدا کنند .
تصرف طیفی(spectral occupancy ) یا همان بازبینی (monitoring) طیف یکی دیگر از اندازه گیری های مهمی است که در حوزه فرکانس انجام می شود. دولت ها برای سرویس های مختلف رادیویی مانند پخش رادیویی و تلوزیونی ، سیستم های تلفن همراه ، ارتباطات پلیسی و اورژانسی و کاربرد های ارتباطی دیگر فرکانس های مختلفی را اختصاص داده اند. و اینکه هر یک از این سرویس ها در فرکانس تعیین شده و عمل کند و در داخل پهنای باند کانال اختصاص یافته باقی بماند، بسیار مهم است. اغلب اوقات ممکن است نیاز باشد فرستنده ها و دیگر منابع تعمدی تشعشع در فاصله دقیقی از فرکانس های مجاور عمل کنند. تمام محاسبات مربوط به این مسائل، توسط طیف سنج انجام می شود.

انواع اندازه گیری ها اسپکتروم آنالایزر:

اندازه گیری های رایجی که توسط اسپکتروم آنالایزر انجام می شوند عبارتند از : اندازه گیری فرکانس،توان،مدولاسیون، اعوجاج و نویز سیگنال. بدست آوردن ظرفیت طیفی یک سیگنال به خصوص در سیستم هایی با پهنای باند محدود بسیار مهم است. توان منتقل شده نیز یکی دیگری از اندازه گیری های قابل انجام است. توان بسیار کم ممکن است به این معنا باشد که سیگنال نمی تواند به مقصد مورد نظر خود برسد و توان بسیار زیاد نیز ممکن است باعث شود که باطری به سرعت مصرف شود و در نهایت ایجاد اعوجاج کند و یا باعث ایجاد دمای بالا در هنگام کار شود.
اندازه گیری کیفیت مدولاسیون برای اطمینان از درست کار کردن سیستم و اینکه اطلاعات به صورت صحیح توسط سیستم منتقل می شوند یا نه بسیار مهم است. آزمایش هایی مانند آزمایش درجه مدولاسیون، حداکثر دامنه باندهای جانبی،کیفیت مدولاسیون و پهنای باند اشغال شده، مثال هایی از اندازه گیری های متداول مدولاسیون آنالوگ هستند. اندازه گیری های دیجیتال مدولاسیون شامل اندازه گیری شدت خطای برداری (error vector magnitude EVM) ، عدم تعادل (IQ imbalance) ، خطای فاز درمقابل زمان (phase error versus time) و اندازه گیری های دیگر است.
در مخابرات، اندازه گیری اعوجاج هم برای فرستنده و هم برای گیرنده بسیار حیاتی است. اعوجاج هارمونیک بیش از حد در خروجی فرستنده می تواند باعث تداخل با باند های مخابراتی دیگر شود. مراحل پیش تقویت در گیرنده باید عاری از هرگونه مداخله اعوجاج باشد تا از ایجاد crosstalk سیگنال هاى ناخواسته در مجموعه اى از مدارات ارتباطى یا کامپیوترى که از وجود ترافیک در کانالهاى دیگر یا از تداخل ناشى میشود جلوگیری شود.
معمولا، نویز سیگنالی است که می خواهیم اندازه گیری کنیم. هر مدار یا وسیله الکتریکی فعال، نویز تولید می کند. آزمایش هایی از قبیل و مجسم کردن نویز و بدست آوردن نسبت سیگنال به نویز (SNR) signal-to-noise ratio برای توصیف عملکرد وسایل و جبران سازی عملکرد کلی سیستم بسیار مهم اند.

 انواع اسپکتروم آنالایزر:

•  اسپکتروم آنالایزرهای دستی
• کارت اسپکتروم آنالایزر (PC Base)
• اسپکتروم آنالایزرهای آموزشی
• اسپکتروم آنالایزرهای رومیزی صنعتی
• اسپکتروم آنالایزر های نظامی

اسپکتروم آنالایزرهای دستی

این نوع طیف نگار یا همان اسپکتروم آنالایزر، جهت حمل مناسب و راحتی به صورت دستی و پرتابل طراحی شده اند، این اسپکتروم ها دارای باطری های لیتیومی بوده و جهت استفاده در مناقطی که دسترسی به برق ندارند قایل استفاده می باشند.

از طرفی رزولیشن پهنای باند این دستگاهها همانند اسیلوسکوپ های دیگر از 1Hz به بالا می باشند، لازم به تذکر است نوع های زیادی از اسپکتروم آنالایزرهای دستی در بازاد موجود می باشند که فقط به عنوان یک دستگاه گیرنده طیف عمل می کنند و نمی توانند امواج RF را آنالیز کنند.

عکس زیر نمایش یک اسپکتروم آنالایزر6GHz  دستی از شرکت R&S آلمان می باشد که به دلیل عملکرد بسیار خوب آن دستگاه را High Performance کرده و علاوه بر قابلیت اندازه گیری 6GHz  امواج RF، توانایی تولید 6GHz طیف به عنوان تراکینگ ژنراتور را هم دارا می باشد.

 اسپکتروم آنالایزرهای آموزشی

امروزه بسیاری از کمپانی های چینی و تایوانی اقدام به تولید اسپکتروم آنالایزر های رومیزی بر حسب نیاز بازار نموده اند، اساس کار این دستگاهها بعضاً نمایش شکل موج با رزولیشن BW (پهنای باند) پایین، سرعت عملکرد کم و دقت بسیار پایین نسبت به دستگاههای High Performance می باشد.

محدوده توان این دستگاهها بسیار کمتر از دستگاههای صنعتی می باشد، در این راستا شرکت هایی چون گودویل، آتن، لیگ نکست وان و … را می توان نام برد.

اسپکتروم آنالایزرهای رومیزی صنعتی

این نوع اسپکتروم آنالایزرها دستگاههای قدرتمندی هستند که می توانند سطح توان سیگنال را در محدوده بالایی آنالایز و نمایش دهند، این دستگاهها در فرکانس های مختلف طراحی شده و دارای Phase Noise بسیار بالایی هستند.

از شرکت های معروف در زمینه تولید دستگاههای High performance می توان به شرکت های زیر اشاره کرد:

• Hp/Agilent (USA)
• ROHDE & SCHWARZ (Germany)
• Advantest (Japan)
• Anritsu (England)
• Tektronix (USA)
• Hameg (Germany)
• AiroFlex (USA)

ساختار داخلی اسپکتروم آنالایزر

در بررسی ساختار تمامی اسپکتروم آنالایزر ها از کمپانی های مختلف می توانیم به قطعات زیر اشاره کرد:

• (اتنیتور ورودی) که پس از کانکتور ورودی سیگنال وارد تغصیف کننده توان می شود و کارش کاهش توان سیگنال بر حسب دسی بل می باشد. معمولاً در اسپکتروم آنالایزرهای فرکانس بالا اتنیتور اتوماتیک قرار داده می شود.
• فیلتر پایین گذر جهت عبور فرکانس های پایین و مسدود کردن فرکانس های بالا.
• بهره IF که در قطعه ایی به نام Y-IG ساخته می شود. Y-IG ها از دو بخش Y-TO و Y-TF تشکیل شده اند.
• بخش فیلترها که متشکل از فیلترهای آنالوگ و دیجیتال می شوند.
• بخش بعدی آشکارسازها یا دمدولاتورها هستند.

عملکرد اسپکتروم آنالایزرها از لحاظ نمایش سیگنال

عمدتاً اساس کار اسپکتروم آنالایزرهای آنالوگ مبتنی بر سیستم جاروب (جاروکشی) سیگنال از مینیمم تا ماکسیمم بازه فرکانسی است. این دستگاهها هر فرکانسی را که در ورودی جاروکشی کننده بر روی لامپ CRT نمایش می دهند.

اساس کار اسپکتروم آنالایزرهای دیجیتالی بر پایه نمونه برداری میکروپروسسور از سیگنال خوانده شده در ورودی دستگاه می باشد. در این اسپکتروم آنالایزرها از سیستم های IF بعد از پردازش سیگنال استفاده شده. این اسپکتروم آنالایزر ها جهت نمایش سیگنال از LCD استفاده کردند.

به طور کلی اسپکتروم آنالایزر دستگاه نمایش سیگنال بر پایه فرکانس می باشد یعنی سری فوریه یک سیگنال را آنالیز و با هارمونیک های مختلف نمایش می دهد. عملکرد اسپکتروم آنالایزر بستگی به دامنه کاری سیگنال آن دارد. اسپکتروم آنالایزرهای مختلفی در بازار موجود است که بهترین آنها را می توانید از شرکت شاهکار الکترونیک بخواهید. این شرکت علاوه بر عرضه دستگاهها به روز دنیا آموزش و خدمات پس از فروش نیز ارائه میکند تا بتواند قدمی هر چند ناچیز در این صنعت برداشته باشد.