頻譜分析儀的簡(jiǎn)介及基本原理

點(diǎn)擊次數：3198 更新時(shí)間：2021-07-05

　　將信號源發(fā)出的信號強度按頻率順序展開(kāi)，使其成為頻率的函數，并考察變化規律，稱(chēng)為頻譜分析。運用傅里葉級數或傅里葉變換，就能實(shí)現把時(shí)間域信號變換成頻率域信號，稱(chēng)為信號的頻率描述或稱(chēng)為頻譜分析。

　　頻譜分析儀是研究電信號頻譜結構的儀器，用于信號失真度、調制度、譜純度、頻率穩定度和交調失真等信號參數的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統的某些參數，是一種多用途的電子測量?jì)x器。它又可稱(chēng)為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等。

　　現代頻譜分析儀能以模擬方式或數字方式顯示分析結果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無(wú)線(xiàn)電頻段的電信號。儀器內部若采用數字電路和微處理器，具有存儲和運算功能;配置標準接口，就容易構成自動(dòng)測試系統。

　　頻譜分析儀簡(jiǎn)介

　　頻譜分析儀是對無(wú)線(xiàn)電信號進(jìn)行測量的手段，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗的常用工具。因此，應用十分廣泛，被稱(chēng)為工程師的射頻萬(wàn)用表。

　　1、傳統頻譜分析儀

　　傳統的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內可調諧的接收機，輸入信號經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標圖，就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可以達到很寬的頻率，例如30Hz-30GHz，與外部混頻器配合，可擴展到100GHz以上，頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量?jì)x器之一。

　　無(wú)論測量連續信號或調制信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是，傳統的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn)，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標量?jì)x器而不是矢量?jì)x器。

　　2、現代頻譜分析儀

　　基于快速傅里葉變換(FFT)的現代頻譜分析儀，通過(guò)傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量，達到與傳統頻譜分析儀同樣的結果，。這種新型的頻譜分析儀采用數字方法直接由模擬/數字轉換器(ADC)對輸入信號取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。

　　在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線(xiàn)性度和高分辨率，對信號進(jìn)行數據采集時(shí)ADC的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100MHz的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。

　　目前半導體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC，亦即，原理上儀器可達到2GHz的帶寬，為了擴展頻率上限，可在A(yíng)DC前端增加下變頻器，本振采用數字調諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴展到幾GHz以下的頻段使用。

　　FFT的性能用取樣點(diǎn)數和取樣率來(lái)表征，例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點(diǎn)，則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點(diǎn)數為2048點(diǎn)，則分辨率提高到25Hz。由此可知，最高輸人頻率取決于取樣率，分辨率取決于取樣點(diǎn)數。

　　FFT運算時(shí)間與取樣，點(diǎn)數成對數關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時(shí)，要選用高速的FFT硬件，或者相應的數字信號處理器(DSP)芯片。例如，10MHz輸入頻率的1024點(diǎn)的運算時(shí)間80μs，而10KHz的1024點(diǎn)的運算時(shí)間變?yōu)?4ms，1KHz的1024點(diǎn)的運算時(shí)間增加至640ms。當運算時(shí)間超過(guò)200ms時(shí)，屏幕的反應變慢，不適于眼睛的觀(guān)察，補救辦法是減少取樣點(diǎn)數，使運算時(shí)間降低至200ms以下。

　　3、用FFT計算信號頻譜的算法

　　離散傅里葉變換X(k)可看成是z變換在單位圓上的等距離采樣值，同樣，X(k)也可看作是序列付氏變換X(ejω)的采樣，采樣間隔為ωN=2π/N

　　由此看出，離散傅里葉變換實(shí)質(zhì)上是其頻譜的離散頻域采樣，對頻率具有選擇性(ωk=2πk/N)，在這些點(diǎn)上反映了信號的頻譜。

　　根據采樣定律，一個(gè)頻帶有限的信號，可以對它進(jìn)行時(shí)域采樣而不丟失任何信息，FFT變換則說(shuō)明對于時(shí)間有限的信號(有限長(cháng)序列)，也可以對其進(jìn)行頻域采樣，而不丟失任何信息。所以只要時(shí)間序列足夠長(cháng)，采樣足夠密，頻域采樣也就可較好地反映信號的頻譜趨勢，所以FFT可以用以進(jìn)行連續信號的頻譜分析

　　頻譜分析儀原理

　　頻譜分析儀系統主要的功能是在頻域里顯示輸入信號的頻譜特性，頻譜分析儀依信號處理方式的不同，一般有兩種類(lèi)型，即時(shí)頻譜分析儀(Real-TimeSpectrumAnalyzer)與掃描調諧頻譜分析儀(Sweep-TunedSpectrumAnalyzer)。

　　即時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應的濾波器與檢知器(Detector)，再經(jīng)由同步的多工掃描器將信號傳送到CRT螢幕上，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波(PeriodicRandomWaves)的瞬間反應，其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限於頻寬范圍，濾波器的數目與最大的多工交換時(shí)間(SwitchingTime)。

　　常用的頻譜分析儀是掃描調諧頻譜分析儀，其基本結構類(lèi)似超外差式接收器，工作原理是輸入信號經(jīng)衰減器直接外加到混波器，可調變的本地振蕩器經(jīng)與CRT同步的掃描產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線(xiàn)性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號(IF)再放大，濾波與檢波傳送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的縱軸顯示信號振幅與頻率的對應關(guān)系。

　　影響信號反應的重要部份為濾波器頻寬，濾波器之特性為高斯濾波器(Gaussian-ShapedFilter)，影響的功能就是量測時(shí)常見(jiàn)到的解析頻寬(RBW，ResolutionBandwidth)。RBW代表兩個(gè)不同頻率的信號能夠被清楚的分辨出來(lái)的低頻寬差異，兩個(gè)不同頻率的信號頻寬如低於頻譜分析儀的RBW，此時(shí)該兩信號將重疊，難以分辨。

　　較低的RBW固然有助於不同頻率信號的分辨與量測，但低的RBW將濾除較高頻率的信號成份，導致信號顯示時(shí)產(chǎn)生失真，失真值與設定的RBW密切相關(guān)，較高的RBW固然有助於寬頻帶信號的偵測，將增加雜訊底層值(NoiseFloor)，降低量測靈敏度，對於偵測低強度的信號易產(chǎn)生阻礙，因此適當的RBW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。

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