נתח תדרים

נתח תדרים מ-2005

נתח תדרים (באנגלית: Spectrum Analyzer) הוא מכשיר מדידה חשמלי המודד את ההספק של אות חשמלי. במצב העבודה העיקרי של המכשיר, הוא מציג סדרה של מדידות הספק, שכל אחת מהן חושבה בתחום תדרים צר שהמפעיל הגדיר. כך מוצג ניתוח של ההספק שמכיל האות בתחום רחב של תדירויות. המכשיר גם יכול להמיר למדידה אלקטרונית גלים מסוגים אחרים, כגון: גלים אקוסטיים וגלים אופטיים, באמצעות המרה מתאימה.

קיים גם נתח תדרים אופטי, המציג את ספקטרום האות הנמדד תוך שימוש בטכניקות מדידה אופטיות ישירות, כגון מונוכרומטור (מסנן אורכי גל). בתצוגת נתח התדרים מופיעה התדירות בציר האופקי, והאמפליטודה של ההספק מופיעה בציר האנכי.

היסטוריה

נתחי התדרים הראשונים, אשר הומצאו בשנות ה-60 של המאה ה-20, נשלטו באופן אנלוגי. לאחר הגילוי של טרנספורם פורייה המהיר (FFT) ב-1965, הוצגו ב-1967 נתחי התדרים הראשונים אשר היו מבוססים על ה-FFT.

בשנות ה-10 של המאה ה-21 קיימים שלושה סוגים בסיסיים של נתחי תדרים: נתח תדרים הנשלט אנלוגית, נתח אותות וקטורים, ונתח זמן אמת.

נתח תדרים מ-1970

נתח תדרים מודרני

סוגים ומאפיינים

שני סוגים עיקריים של נתחי תדרים נמצאים בשימוש. הראשון מבוסס על מקלט סופרהטרודין, וממיר את האות הנקלט סביב תדר נמוך, ותכולת התדר שלו מוצגת כפונקציה של הזמן. התדר המרכזי אליו מומר האות עובר סריקה בעזרת מתנד מבוקר מתח (VCO). כתוצאה מכך, במצבים מסוימים לא כל תחולת האות מוצגת על המסך בכל רגע.

רוחב הפס של המסנן (BPF) של המקלט קובע את כושרו של המכשיר להפרדה (רזולוציה) בין תדירויות שונות. ככל שמוגדר מסנן צר יותר, כך הרזולוציה גבוהה יותר, וניתן להציג מספר גדול יותר של תחומי תדרים (ומתקבלת תצוגה "עדינה" יותר); אולם מכייון שההספק הכולל מחושב בכל תחום בנפרד - ככל שהרזולוציה גבוהה יותר, כך קצב העדכון של המדידות איטי יותר, בגלל המספר הגדול יותר של חישובי ההספק. ה"תשלום" בעבור דיוק בתדירויות (ה-Trade-Off) מבוטא בנוסחה: $ST=k\cdot {Span \over RBW^{2}}$ שבה ST מציין את זמן הסריקה (Sweep Time) בשניות, k הוא קבוע פרופורציה (חסר ממדים), Span הוא טווח התדירויות (בהרץ), ו-RBW הוא רזולוצית המדידה במונחי רוחב סרט (Resolution BandWidth), שנמדד גם כן בהרצים. זהו רוחב הסרט של שרשרת רכיבי הרדיו (RF) שלפני גלאי ההספק. ככל שרוחב הסרט קטן יותר, כך שני אותות (שלכל אחד מהם תדירות מרכזית שונה) יכולים להיות קרובים יותר בתדירות, והמכשיר עדיין יוכל להציגם בנפרד זה מזה; יתרון נוסף לקביעת רוחב סרט קטן הוא, שכך פוחת הספק הרעש הכולל המתווסף לאות הנמדד בעת המדידה, וכך עולה רגישות המדידה.

סוג אחר של נתח תדרים מבוסס על חישוב FFT. כמו בסוג הראשון, המקלט מבצע המרה לתדר מרכזי נמוך יותר של האות, אך תדר זה לא עובר סריקה. המטרה כאן היא הורדת קצב הדגימה, כדי שה-FFT יוכל להתמודד עם כל הדגימות, וכך להימנע ממידע שאבד ברגעי זמן קצרים. כאן חשוב לדגום את האות בתדר נייקוויסט, שהוא לפחות כפליים מרוחב הסרט של האות, בהתאם למשפט הדגימה של שאנון-נייקויסט. הספקטרום המוצג יכיל את כל התדרים מ-0 (DC) ועד למחצית תדר הדגימה.

(VBW (video bandwidth filter הוא מסנן-מעביר-נמוכים הנמצא אחרי גלאי המעטפת. זהו רוחב הסרט של שרשרת האות לאחר הגלאי. המכשיר לוקח מספר דגימות ליחידת זמן ושומר בזיכרון רק אחת מהן -את הממוצע שלהן, או את הגבוהה מביניהן. רוחב סרט זה קובע את היכולת להבדיל בין שתי רמות הספק שונות של הדגימות. הפילטר נדרש כדי "לעדן" את התצוגה על ידי הסרת רעש מהמעטפת. כמו ה-RBW, גם ה-VBW משפיע על זמן הסריקה של התצוגה, על פי הנוסחה:
$t_{sweep}=k\cdot {(f_{2}-f_{1}) \over (R_{BW}-V_{BW})}$
שבה f1 ,f2 הם הגבולות של תחום התדירויות של הסריקה.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא נתח תדרים בוויקישיתוף

ערך זה הוא קצרמר בנושא פיזיקה. אתם מוזמנים לתרום למכלול ולהרחיב אותו.