頻譜分析儀的分類_頻譜分析儀是干什么用的_頻譜分析儀的使用方法

頻譜分析儀的分類

頻譜分析儀是用來分析信號中所含有的頻率成份的專用儀器。隨著無線電和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜分析儀的技術(shù)性能和測試功能日益完善。目前一些新穎高檔的頻譜分析儀具有大頻率測量范圍，高的準(zhǔn)確度、靈敏度以及穩(wěn)定度，可用來測量信號的許多參數(shù)。如功率測量、頻率測量、調(diào)制測量、失真測量、噪聲測量、EMC/EMI測量等等。

頻譜分析儀按其結(jié)構(gòu)原理可分為兩大類，即模擬式頻譜分析儀和數(shù)字式頻譜分析儀。早期的頻譜分析儀屬于模擬式，目前模擬式頻譜分析儀仍在廣泛使用。數(shù)字式頻譜分析儀是以數(shù)字濾波器或FFT為基礎(chǔ)構(gòu)成的，由于數(shù)字式頻譜分析儀受到數(shù)字系統(tǒng)的工作速度的限制，因此此類頻譜分析儀多半使用于低頻段。此外，現(xiàn)代一些新穎高檔的頻譜分析儀，即能用來測量低頻信號，又能用來測量高頻信號，其結(jié)構(gòu)屬于以上兩種類型的混合，常稱為“模擬?數(shù)字”混合式頻譜分析儀。

依據(jù)頻譜分析儀的實(shí)現(xiàn)方法和頻譜測試的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，頻譜分析儀一般可分為：帶通濾波器分析儀、快速傅立葉變換（FFT）分析儀、掃頻式頻譜分析儀和實(shí)時(shí)頻譜分析儀。

1.  帶通濾波器分析儀

早期實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀的方法就是將待測信號同時(shí)引入一系列帶寬相同，但中心頻率以帶寬為步進(jìn)等差遞增的帶通濾波器，再分別通過各頻率檢波器檢波，得到各頻率點(diǎn)功率的大小，后再通過顯示屏顯示出來。這種頻譜分析儀稱為帶通濾波器頻譜分析儀。

所示為帶通濾波器分析儀的原理方框圖。按照此圖進(jìn)行工作的分析儀，稱為帶通濾波器頻譜分析儀。帶通濾波器頻譜分析儀的小頻率分辨帶寬是由帶通濾波器的帶寬決定的。假設(shè)帶通濾波器的帶寬是100kHz，那么帶通濾波器頻譜分析儀的頻率精度只有100kHz。這是因?yàn)槎鄺l頻率的功率譜線如果出現(xiàn)同一帶通濾波器的100kHz頻率范圍內(nèi)，那么帶通濾波器的頻譜分析儀的測試結(jié)果在此100kHz范圍內(nèi)，只顯示一條功率譜線，帶通濾波器將測出其頻率范圍內(nèi)的能量，而不管多少頻譜分量產(chǎn)生這一總能量。因此對緊密相鄰的頻譜分量，其小頻率分辨帶寬受制于帶通濾波器的寬帶。

帶通濾波器分析儀的原理方框圖

帶通濾波器頻譜分析儀的大優(yōu)點(diǎn)是能迅速跟蹤信號頻譜隨時(shí)間的變化，但他的大弱點(diǎn)是為了保證小頻率分辨率帶寬，需要使用窄帶濾波器，所需窄帶濾波器的數(shù)量隨著帶通濾波器頻譜分析儀的測量頻率范圍的增大及小頻率分辨率的減小而增加。由于這個(gè)原因，帶通濾波器頻譜分析儀主要用在可容納分辨帶寬非常寬的場合。

2、FFT分析儀

眾所周知，快速傅氏變換（FFT）可用來確定時(shí)域信號的頻域表示形式（頻譜）。信號必須在時(shí)域中被數(shù)字化，然后執(zhí)行FFT算法來求出頻譜。圖1-2所示，為FFT頻譜分析儀的簡化原理方框圖。

由可知，F(xiàn)FT頻譜分析儀的工作原理是：首先RF輸入信號通過一個(gè)可變衰減器，以提供不同的測量范圍；然后，信號通過低通濾波器，濾去頻譜分析儀頻率范圍之外的不希望的高頻分量；通過取樣器，對信號波形進(jìn)行取樣，再用取樣電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的共同作用變?yōu)閿?shù)字形式，利用FFT計(jì)算波形的頻譜，并將結(jié)果在顯示器上顯示，從而測量出信號頻譜。

        FFT頻譜分析儀的簡化原理方框圖

FFT頻譜分析儀能完成多通道濾波器式分析儀相同的功能，但無需使用許多帶通濾波器。所不同的是FFT分析儀采用數(shù)字信號處理來完成多個(gè)濾波器相當(dāng)?shù)墓δ堋FT頻譜分析儀的理論根據(jù)為均勻抽樣定理和傅立葉變換。

均勻抽樣定理：一個(gè)在頻譜中不含有大于頻率fmax分量的有限頻帶的信號，由對該信號以不大于1/2fmax的時(shí)間間隔進(jìn)行的抽樣值唯一地確定。當(dāng)這樣的抽樣信號通過截止頻率f的理想低通濾波器后，可以將原信號完全重建。當(dāng)FFT頻譜分析儀的模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)際采樣頻率fs應(yīng)滿足：

                       (1-1)

    截止頻率f與采樣頻率fs以及fmax的關(guān)系如下：

                  (1-2)

傅立葉變換：依據(jù)傅立葉變換，信號可用時(shí)域函數(shù)f(t)完整地表示出來，也可用頻域函數(shù)F(jw) 完整地表示出來，而且兩者之間有密切的聯(lián)系，其中只要一個(gè)確定，另一個(gè)也隨之唯一地確定。所以可實(shí)現(xiàn)時(shí)域向頻域的轉(zhuǎn)換。

3  掃頻頻譜分析儀

目前常用的頻譜分析儀采用掃頻超外差方案，與無線電接收機(jī)相似，頻譜分析儀能自動在整個(gè)所關(guān)心的頻帶內(nèi)進(jìn)行掃頻，顯示信號幅度和頻率成分。掃頻頻譜分析儀在低頻波段已逐漸被FFT分析儀取代，但在射頻、微波和毫米波頻率范圍內(nèi)，掃頻頻譜分析儀占優(yōu)勢。

掃頻頻譜分析儀常見有兩種形式，其一是調(diào)諧濾波器式頻譜分析儀，這種頻譜分析儀是通過在整個(gè)頻率范圍內(nèi)移動一個(gè)帶通濾波器的中心頻率及帶寬來工作的。中心頻率自動反復(fù)在信號頻譜范圍內(nèi)掃描，由此依次選出被測信號各頻譜分量，經(jīng)檢波和視頻放大后加至顯示器的垂直偏轉(zhuǎn)電路，而水平偏轉(zhuǎn)電路的輸入信號來自調(diào)諧濾波器中心頻率的掃描信號的同一掃描信號發(fā)生器，水平軸的位置就表示頻率。這種頻譜分析儀的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，不產(chǎn)生虛假信號；缺點(diǎn)是頻譜分析儀的靈敏度低，分辨率差。其二是掃頻超外差式頻譜分析儀，這種頻譜分析儀的工作原理普遍被現(xiàn)代分析儀所采用。例如美國Agilent公司的Agilent 8560EC系列頻譜分析儀、Agilent ESA-E系列頻譜分析儀、Agilent 8590系列頻譜分析儀、日本安立公司的MS2681A/MS2683A/MS2687B/MS2668C等等，采用的都是掃頻超外差式頻譜分析儀。掃頻超外差式頻譜分析儀是把固定的窄帶中頻放大器作為選擇頻率的濾波器，把本振掃頻器件，頻率從低到高輸出一串本振信號，與輸入的被測信號中的各頻率分量逐個(gè)混頻，使之依次變?yōu)橄鄬?yīng)的中頻頻率分量，經(jīng)放大、檢波和視頻濾波，后在CRT（顯示器）上顯示測量結(jié)果。現(xiàn)代無線電測量廣泛使用超外差式頻譜分析儀，因此關(guān)于超外差式頻譜分析儀的工作原理，將在后面章節(jié)中詳細(xì)介紹。

4  實(shí)時(shí)頻譜分析儀

隨著RF技術(shù)的不斷發(fā)展，目前射頻信號承載著復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)，與過去的射頻信號相比，其間歇性更高，突發(fā)性更強(qiáng)。它們在不同時(shí)點(diǎn)之間變化、跳頻，快速達(dá)到峰值，然后消失，不可預(yù)測。結(jié)果使測量和分析這些信號的方式遇到了空前的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的超外差式頻譜分析儀無法實(shí)現(xiàn)在頻域、時(shí)域或調(diào)制域中分析不同時(shí)間上瞬時(shí)信號的能力。如何正確觸發(fā)、捕獲、全面分析和檢測當(dāng)前復(fù)雜隨時(shí)間變化的RF信號？正變得越來越關(guān)鍵。實(shí)時(shí)頻譜分析儀的出現(xiàn)為我們提供了在無線通信測試領(lǐng)域強(qiáng)有力的工具。

實(shí)時(shí)頻譜分析是指觸發(fā)、捕獲和分析隨時(shí)間變化的RF信號的能力。實(shí)時(shí)頻譜分析儀不僅具有頻譜分析的能力，而且可同時(shí)進(jìn)行時(shí)域信號的分析、調(diào)制信號分析和矢量信號分析，更重要的是能捕獲連續(xù)信號、間歇性信號和隨機(jī)信號，并具有實(shí)時(shí)的頻率事件的觸發(fā)能力。

實(shí)時(shí)頻譜分析的基本概念是能夠觸發(fā)RF信號，把信號無縫地捕獲到內(nèi)存中，并在多個(gè)域(頻域、時(shí)域和調(diào)制域等)中分析信號，這樣就可以可靠地檢測和檢定隨時(shí)間變化的RF信號特點(diǎn)。

 實(shí)時(shí)頻譜分析儀的簡化原理方框圖

    實(shí)時(shí)頻譜分析儀可以在儀器的整個(gè)頻率范圍內(nèi)調(diào)諧RF前端， 它把輸入信號下變頻為固定的中頻IF，然后對信號進(jìn)行濾波，使用ADC進(jìn)行數(shù)字化，后傳送到DSP引擎，DSP引擎管理著儀器的觸發(fā)、內(nèi)存和分析功能。實(shí)時(shí)頻譜分析儀為提供實(shí)時(shí)觸發(fā)、無縫信號捕獲和時(shí)間相關(guān)多域分析而優(yōu)化的。實(shí)時(shí)頻譜分析儀一旦檢測、采集和存儲了某個(gè)RF信號，可以進(jìn)行頻域測量、時(shí)域測量和調(diào)制域測量。

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