محلل طيف الإشارات Spectrum Analyzer

يوضح الرسم البياني للإشارة في محلل الطيف خصائص الإشارة، حيث يُمثل المحور الرأسي السعة بينما يُشير المحور الأفقي إلى التردد ويُعرف باسم تمثيل مجال التردد، كما يُعتبر محلل الطيف بمثابة جهاز يستخدم لتحليل اتساع الإشارة فيما يتعلق بالتردد، لذلك يتم تحليل شكل موجة الإدخال المقدم لمحلل الطيف على أساس التردد المتغير.

ما هو محلل طيف الإشارات Spectrum Analyzer؟

محلل طيف الإشارات “Spectrum Analyzer”: هي الأداة المستخدمة لتحليل الطيف الترددي للإشارة الداخلة، حيث يستخدم تمثيل مجال التردد لإشارات التردد الراديوي لإظهار مستوى الاتساع النسبي للإشارة عند ترددات مختلفة ضمن نطاق معين.

تستخدم معدات الاختبار هذه بشكل رئيسي في تصميم واختبار وصيانة دوائر الترددات اللاسلكية، كما يعرض بيانياً طيف السعة لإشارات الراديو فيما يتعلق بالتردد، ويتم تمثيل السعة عمودياً على مقياس لوغاريتمي، بينما يمكن تمثيل التردد على مقياس لوغاريتمي أو عادي أفقياً.

يسمح استخدام المقياس اللوغاريتمي على المحور الرأسي بالحكم على الاختلافات الكبيرة في سعة الإشارات المختلفة، كما أنّه عادةً ما يتم استخدام مرسمة الذبذبات لعرض شكل الموجة كمخرجاتها عندما يتم توفير إشارة دخل لها، ومع ذلك يتم استخدام راسم الذبذبات لتحليل المجال الزمني للإشارات وهذا يعني أنّ شكل موجة الإشارة عند الناتج يمثل مخطط السعة مقابل الوقت.

ولذلك، فإنّ الفارق الحاسم بين الذبذبات ومحلل الطيف هو أنّ الذبذبات يتوافق مع تمثيل الوقت لمجال الإشارة الداخلة، بينما يستخدم محلل الطيف لإظهار تمثيل مجال التردد لإشارات التردد الراديوي، حيث في نظام الاتصالات اللاسلكية، تنتقل الإشارة من طرف إلى آخر وهذه الإشارة ليست سوى الرسالة المطلوب إرسالها إلى الطرف الآخر حتى يتم الاتصال.

ومع ذلك أثناء الإرسال تتدهور الإشارة، حيث يرجع هذا الانحطاط في مستوى الإشارة بشكل أساسي إلى إدخال ضوضاء في قناة الاتصال وكذلك في جهاز الاستقبال، وبالتالي يمكن أن تتداخل الضوضاء مع الإشارة وتؤدي إلى تدهور جودة الإشارة، كما يؤدي إدخال الضوضاء في الإشارة إلى الحد من مدى الإرسال وفعالية قياس الإشارة عند المستقبل، ممّا يؤدي هذا إلى تقلب النتيجة عن قيمتها الأصلية.

في الأساس، يمكن أن تتم إضافة الضوضاء أثناء الإرسال بطريقتين، داخلياً وخارجياً، وهذا يؤدي إلى تصنيف الضوضاء على أنّها ضوضاء داخلية وضوضاء خارجية، لذلك يتم استخدام أجهزة التحليل أو محللات الطيف للتقييم الكمي للإشارات والتشوه بسبب الضوضاء أثناء الإرسال بين الهوائيين.

مخطط كتلة محلل الطيف:

إنّ المستقبل المضبوط هو محلل الطيف الشائع الاستخدام، حيث إنّها واحدة من أكثر أدوات قياس التردد استخداماً، كما يخضع هذا النوع من المحلل للطيف عبر نطاق التردد، وبالتالي يعرض مكونات التردد الحالية في تلك الإشارة المعينة، ونظراً لأنّه يسمح بقياس مدى تردد كبير، فإنّه يجعل تحليل مجال التردد أمراً سهلاً للغاية للتطبيقات المختلفة.

كما يتكون محلل الطيف من مكونات مثل مخفف التردد اللاسلكي والخلاط ومرشح IF والكاشف ومولد المدى والمذبذب المحلي ووحدة العرض.

مكونات محلل الطيف:

أولاً: مخفف إدخال الترددات الراديوية “RF Input Attenuator”:

تعمل هذه الكتلة كوحدة أولى لمحلل الطيف وتستخدم أساساً لتوفير إشارة المستوى الأمثل كمدخل للنظام، ويرجع ذلك إلى أنّه عندما يتم توفير إشارات النطاق العريض العالية للنظام، فهناك فرص للحمل الزائد والضغط والتشويه، وبالتالي يتم استخدام مخفف التردد الراديوي المناسب لتوفير إشارة للمستوى المناسب، كما يتم تعيينها تلقائياً بناءً على المستوى المرجعي، ومع ذلك يُسمح أيضاً بتعيين القيمة يدويًا، وكما إنّها تعمل كدائرة حماية للنظام.

• “RF” هي  اختصار لـ “Radio Frequency”.

ثانياً: مرشح التمرير المنخفض:

إنّ مرشح التمرير المنخفض يمنع المكونات عالية التردد للإشارات ويسمح فقط للمكونات منخفضة التردد بالمرور لمسافة أبعد، وبالتالي باستخدام “LPF” لا يُسمح للإشارات خارج النطاق بالوصول إلى الوحدات المتتالية للنظام، وهذا يقيد النظام لإعطاء استجابة غير مرغوب فيها، كما تستخدم بعض الأنظمة محدداً مسبقاً بدلاً من “LPF”، كما يخدم المحدد المسبق هذا الغرض من مرشح تمرير النطاق من خلال رفض جميع مكونات التردد الأخرى والسماح بالتردد المطلوب فقط.

• “LPF” هي  اختصار لـ “Low Pass Filter”.

ثالثاً: الخلاط:

في الرسم التخطيطي لكتلة محلل الطيف، يوجد “3 منافذ للخلاط”، حيث يعمل بشكل أساسي كمترجم تردد ويحول أحد أشكال التردد إلى شكل آخر، وإشارة الإدخال المطبقة والإشارة من المذبذب المحلي هما مدخلا الخلاط، كما أنّ الخلاط يولد ترددات النواتج للخلاط، وهي ترددات الإدخال المطبقة بالإضافة إلى ترددات المجموع والفرق لترددي الدخل، ومع ذلك فإنّ الاختلاف بين الترددين هو التردد المتوسط ​​الذي يستخدمه المحلل.

رابعاً: كسب “IF”:

كسب “IF”: هو مضخم الكسب المتغير، حيث إنّه موجود بعد الخلاط ويستخدم لضبط الوضع الرأسي للإشارة دون تغيير مستوى إشارة دخل الخلاط، كما إنّه مصمم بالاقتران مع مخفف الإدخال لتجنب الاختلاف في المستوى المرجعي مع التغيير في المدخلات المطبقة.

• “IF” هي اختصار لـ “Intermediate frequencies”.

خامساً: مرشح IF:

هو في الأساس مرشح ممر النطاق الذي يتمركز عند التردد المتوسط، وبالتالي فهو مصمم لتمرير مكون التردد المطلوب فقط، ويشار إلى عرض نطاق مرشح “IF” أي التردد المتوسط على أنّه عرض نطاق الاستبانة لمحلل الطيف، ومع تقليل “RBW” يتم تحسين الانتقائية جنباً إلى جنب مع نسبة الإشارة إلى الضوضاء، ومع ذلك يؤدي هذا إلى تقليل سرعة المسح.

• “RBW” هي اختصار لـ “Resolution Bandwidth”.

سادساً: الكاشف:

يستخدم المحلل بشكل أساسي كاشفًا بحيث يتم تحويل إشارة “IF” من مرشح “IF” إلى نطاق أساسي أو إشارة فيديو، كما يتم ترقيم إشارة الفيديو هذه بشكل أكبر باستخدام “ADC” وتظهر على المحور الصادي للشاشة، وبالنسبة لعنصر تتبع واحد أثناء وضع الكشف الإيجابي، تؤخذ القيمة القصوى للإشارة في الاعتبار، بينما في وضع الكشف السلبي يتم أخذ الحد الأدنى للقيمة في الاعتبار.

لاكتشاف الإشارات التي تحتوي على مكونات ضوضاء، يتم استخدام الوضع العادي في الغالب المعروف أيضًا باسم وضع “Rosen fell”، وهذا لأنّه عند حدوث ارتفاع مفاجئ وهبوط في مستوى الإشارة، يفترض الكاشف أنّه ضوضاء ويستفيد من الاكتشاف الإيجابي والسلبي بالتناوب، ومع ذلك فإنّ الارتفاع المستمر في مستوى الإشارة يتوافق مع الإشارة الأصلية وبالتالي يتم استخدام وضع الكشف عن الذروة الإيجابية.

سابعاً: مرشح الفيديو:

تعمل هذه الوحدة كوسيط بين الكاشف و”ADC”، وهي في الأساس مرشح تمرير منخفض، جيث يتم استخدامه لتنعيم الآثار التي سيتم عرضها على الشاشة، كما أنّ محلل الطيف يعرض مكون الإشارة والضوضاء على الشاشة، لذلك إذا كان محتوى الضوضاء أعلى فسيكون من الصعب دراسة الإشارة.

ومع ذلك فإنّ التغيير في عرض نطاق الفيديو يؤدي إلى انخفاض في تغيرات الذروة إلى الذروة في مكونات الضوضاء، وبالتالي باستخدامه يمكن الحصول على الإشارات الفعلية باستخدام مكون ضوضاء أعلى.

• “ADC” هي اختصار لـ “Analog to Digital Converter”.

ثامناً: المذبذب المحلي:

يستخدم هذا لضبط المحلل وهو في الأساس مذبذب يتم التحكم فيه بالجهد، حيث يتم ضبط “LO” بواسطة مولد المدى بحيث يختلف التردد وفقاً لجهد إشارة المنحدر، كما يتم أخذ عينات إشارة الفيديو باستخدام “ADC” بالتزامن مع مولد المدى، كما أنّ العلاقة بين إشارة الدخل والمذبذب المحلي معروفة ممّا يسمح بمعايرة المحور السيني من حيث التردد، وهذا يؤدي إلى إنشاء مجال التردد على المحور الأفقي.

عمل محلل الطيف:

في البداية، يتم توفير الإشارة المراد تحليلها لمخفف التردد اللاسلكي الذي يرسل الإشارة المثلى إلى الخالط، كما يجمع الخلاط بين إشارة الإدخال والإشارة المستلمة من المذبذب المحلي لتوليد إشارة تردد متوسط، وعلاوةً على ذلك يتم توفير الإشارة لمرشح “IF” الذي يتم توفير ناتجه للكاشف، بحيث يمكن اكتشاف الإشارة عند التردد المضبوط.

ويُظهر الجهد عند ناتج الكاشف اتساع الإشارة ويدفع المحور الصادي للمخطط المراد عرضه، ويوفر التزامن بين مولد المدى و”LO” استجابة التردد، ويؤدي هذا إلى إنتاج مخطط السعة مقابل التردد على شاشة “LCD” للمحلل.

• “LCD” هي اختصار لـ “Liquid Crystal Display”.

• “ADC” هي اختصار لـ “Analog to Digital Converter”.

تطبيقات محلل الطيف:

يجد نوع المستقبل من محلل الطيف تطبيقات في مجالات مختلفة مثل معدات الاتصالات ونظام الاتصالات المتنقلة ومعدات البث، وتُستخدم أجهزة تحليل الطيف في وصلات اتصالات الميكروويف والرادار وأنظمة تلفاز الكابل.