頻譜分析儀的簡介及基本原理

點擊次數：3512 更新時間：2021-07-05

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

　　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儀器。它又可稱為頻域示波器、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線電頻段的電信號。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，就容易構成自動測試系統。

　　頻譜分析儀簡介

　　頻譜分析儀是對無線電信號進行測量的手段，是從事電子產品研發、生產、檢驗的常用工具。因此，應用十分廣泛，被稱為工程師的射頻萬用表。

　　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儀器之一。

　　無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，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標量儀器而不是矢量儀器。

　　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性度和高分辨率，對信號進行數據采集時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的實時頻譜分析儀需要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ADC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的性能用取樣點數和取樣率來表征，例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點，則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點數為2048點，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數。

　　FFT運算時間與取樣，點數成對數關系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時，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點的運算時間80μs，而10KHz的1024點的運算時間變為64ms，1KHz的1024點的運算時間增加至640ms。當運算時間超過200ms時，屏幕的反應變慢，不適于眼睛的觀察，補救辦法是減少取樣點數，使運算時間降低至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，離散傅里葉變換實質上是其頻譜的離散頻域采樣，對頻率具有選擇性(ωk=2πk/N)，在這些點上反映了信號的頻譜。

　　根據采樣定律，一個頻帶有限的信號，可以對它進行時域采樣而不丟失任何信息，FFT變換則說明對于時間有限的信號(有限長序列)，也可以對其進行頻域采樣，而不丟失任何信息。所以只要時間序列足夠長，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，一般有兩種類型，即時頻譜分析儀(Real-TimeSpectrumAnalyzer)與掃描調諧頻譜分析儀(Sweep-TunedSpectrumAnalyzer)。

　　即時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)，再經由同步的多工掃描器將信號傳送到CRT螢幕上，其優點是能顯示周期性雜散波(PeriodicRandomWaves)的瞬間反應，其缺點是價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，其基本結構類似超外差式接收器，工作原理是輸入信號經衰減器直接外加到混波器，可調變的本地振蕩器經與CRT同步的掃描產生器產生隨時間作線性變化的振蕩頻率，經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常見到的解析頻寬(RBW，ResolutionBandwidth)。RBW代表兩個不同頻率的信號能夠被清楚的分辨出來的低頻寬差異，兩個不同頻率的信號頻寬如低於頻譜分析儀的RBW，此時該兩信號將重疊，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，導致信號顯示時產生失真，失真值與設定的RBW密切相關，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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