Zaman alanı, frekans alanı (time domain, frequency domain) ne demektir

[taydin]

Bu kavramlar, bir sistemin tepkisinin veya bir sinyalin hangi bağımsız değişkene göre incelendiğini ifade eder. Eğer bir sistemin tepkisini ve sinyali zamana göre inceliyorsak, zaman alanında ölçüm yapıyoruz veya zaman alanı analizi (time domain analysis) yapıyoruz demektir. Eğer bir sistemin tepkisini veya sinyali frekansa göre inceliyorsak, frekans alanında ölçüm yapıyoruz veya frekans alanı analizi (frequency domain analysis) yapıyoruz demektir.

Bu iki analiz şeklini kıyaslayacak olursak, zaman alanında ölçüm, daha alt seviyede, daha ayrıntılı bir ölçümdür. Sistemde belirli zaman aralıkları ile ölçüm yaparız ve ölçüm sonuçlarını da grafik veya tablo olarak ortaya koyarız.

Frekans alanında ölçüm yapmak, daha üst seviyeli, daha genel bir ölçümdür. Sisteme değişik frekanslara sahip sinyal girdisi verip bu sinyalin çıkıştaki genliğinin ve fazının nasıl değiştiğini inceleriz. Burada da gene ölçüm sonuçları bir grafik veya tablo olarak ortaya konur.

Burada alt seviye, üst seviye derken, birisi diğerine göre daha aşağılık, işe yaramaz anlamında almamak lazım. Bir sistem hakkında en ayrıntılı ve bütünleşik bilgiyi zaman alanında yapılan analiz verir. Ama özellikle yüksek frekanslarda bu hem çok zordur, hem de o uygulamada bize çok da gerekli olmayan ilave bir sürü bilgi üretir.

 

[taydin]

Aşağıdaki grafikte, 1 KHz, 2 Vrms lik bir sinüs sinyali üreten bir sinyal jeneratörünün çıkışını görüyoruz. Burada X ekseni zaman, Y ekseni ise sinyalin anlık genlik değeri. Yani biz burada bu sinyali zaman alanında analiz ediyoruz.

Zaman alanında sinyal analizi yapmak için de en kullanışlı test cihazı osiloskoptur.

 

[taydin]

Aşağıdaki grafikte ise, aynı sinyalin frekans alanında analizinin sonuçlarını görüyoruz. Burada X ekseni frekans (20 Hz ile 20 KHz aralığında analiz yapıyoruz), Y ekseni de o frekanstaki sinyal genlik değeri. Görüldüğü gibi, sinyalin enerjisinin tamamı 1 KHz frekansında ve diğer frekanslarda neredeyse hiç enerji yok.

Frekans alanında sinyal analizi yapmak için spektrum analizör denen cihazlardan faydalanılır. Bu cihazlar, belli bir frekans aralığını sürekli olarak tararlar ve her frekans adımında genlik ölçümü yaparlar.

Aşağıda, hobicilere yönelik olarak geliştirilen ve pazarlanan bir spektrum analizör görülmektedir. 3.2 GHz'e kadar frekansları destekler

Günümüzde birçok dijital osiloskop, örneklenen veriler üzerinde FFT yaparak frekans spektrumu görüntüleme özelliğine sahiptir. Bu şekilde elde edilen frekans spektrumu da birçok durumda yeterince iş görür, ayrıca bir spektrum analizör almaya gerek kalmaz. Aşağıda benim osiloskop ile elde ettiğim frekans spektrumu görülüyor. 1.2 GHz lik bir sinyali osiloskopa uyguluyorum. Osiloskop da bu sinyali hem zaman alanında (üst) hem de frekans alanında (alt) görüntülüyor.

 

[taydin]

Frekans alanında analiz yapan spektrum analizörler, temelde sinyalin sadece genliğini ölçerler. Eğer bir sinyalin hem genliğini, hem de faz farkını ölçmek istiyorsak, "vector network analyzer" denen ve daha gelişmiş bir spektrum analizör olan cihazlardan faydalanırız. Bu cihazlar ile örneğin bir antenin veya bir yükseltecin frekans ve faz tepkisini net bir şekilde ortaya koyabiliriz.

Profesyonel seviyede VNA'lar son derece pahalıdır ve RADAR gibi hem frekans hem faz tepkisinin kritik olduğu uygulamalarda vazgeçilmez cihazlardır. Ama son yıllarda hobicilere hitap eden nispeten daha ucuz cihazlar da piyasaya çıkmaya başladı. Aşağıda PicoVNA ürününü görüyoruz. Yapılan analizde, frekans tepkisi ve faz tepkisi de bir "smith chart" şeklinde ortaya konuyor