頻譜分析儀

頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器,，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度,、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，可用以測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù),，是一種多用途的電子測(cè)量?jī)x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?，F(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)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(hào)。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器,，具有存儲(chǔ)和運(yùn)算功能,；配置標(biāo)準(zhǔn)接口,，就容易構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

基本信息

基本信息

• 中文名稱

  頻譜分析儀

• 外文名稱

  Spectrum Analyzer

• 本質(zhì)

  研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器

• 用途

  測(cè)量信號(hào)失真度,、調(diào)制度、譜純度

• 分類

  即時(shí)頻譜分析與掃描調(diào)諧頻譜分析

• 作用

  電子產(chǎn)品研發(fā),、生產(chǎn),、檢驗(yàn)

目錄

1 簡(jiǎn)介

2 分類

3 工作原理

4 技術(shù)指標(biāo)

5 訊息處理過程

6 使用

1 簡(jiǎn)介

頻譜分析儀是對(duì)無線電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的*手段,，是從事電子產(chǎn)品研發(fā),、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的常用工具,。因此,，應(yīng)用十分廣泛，被稱為工程師的射頻萬用表,。

　　1,、傳統(tǒng)頻譜分析儀

　　傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機(jī),輸入信號(hào)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(biāo)圖,就是輸入信號(hào)的頻譜圖。由于變頻器可以達(dá)到很寬的頻率,例如30Hz-30GHz,與外部混頻器配合,可擴(kuò)展到100GHz以上,頻譜分析儀是頻率覆蓋zui寬的測(cè)量?jī)x器之一,。無論測(cè)量連續(xù)信號(hào)或調(diào)制信號(hào),頻譜分析儀都是很理想的測(cè)量工具,。但是,傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn),它只能測(cè)量頻率的幅度,缺少相位信息,因此屬于標(biāo)量?jī)x器而不是矢量?jī)x器。

　　2,、現(xiàn)代頻譜分析儀

　　基于快速傅里葉變換(FFT)的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運(yùn)算將被測(cè)信號(hào)分解成分立的頻率分量,達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果,,。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)輸入信號(hào)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性度和高分辨率,對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí) ADC的取樣率zui少等于輸入信號(hào)zui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(dǎo)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(dá)到2GHz的帶寬,，為了擴(kuò)展頻率上限,可在ADC前端增加下變頻器,本振采用數(shù)字調(diào)諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴(kuò)展到幾GHz以下的頻段使用,。

　　FFT的性能用取樣點(diǎn)數(shù)和取樣率來表征,例如用100KS/S的取樣率對(duì)輸入信號(hào)取樣1024點(diǎn),則zui高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz,。如果取樣點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn),則分辨率提高到25Hz。由此可知,zui高輸人頻率取決于取樣率,分辨率取決于取樣點(diǎn)數(shù),。FFT運(yùn)算時(shí)間與取樣,點(diǎn)數(shù)成對(duì)數(shù)關(guān)系,頻譜分析儀需要高頻率,、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí),要選用高速的FFT硬件,或者相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片。例如,10MHz輸入頻率的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間80μs,而10KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間變?yōu)?4ms,1KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間增加至640ms,。當(dāng)運(yùn)算時(shí)間超過200ms時(shí),屏幕的反應(yīng)變慢,不適于眼睛的觀察,補(bǔ)救辦法是減少取樣點(diǎn)數(shù),使運(yùn)算時(shí)間降低至200ms以下,。

　　3、用FFT計(jì)算信號(hào)頻譜的算法

　　離散付里葉變換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，離散付里葉變換實(shí)質(zhì)上是其頻譜的離散頻域采樣,，對(duì)頻率具有選擇性（ωk=2πk/N）,，在這些點(diǎn)上反映了信號(hào)的頻譜。

　　根據(jù)采樣定律,，一個(gè)頻帶有限的信號(hào),，可以對(duì)它進(jìn)行時(shí)域采樣而不丟失任何信息，F(xiàn)FT變換則說明對(duì)于時(shí)間有限的信號(hào)（有限長(zhǎng)序列）,，也可以對(duì)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(zhǎng),，采樣足夠密,，頻域采樣也就可較好地反映信號(hào)的頻譜趨勢(shì)，所以FFT可以用以進(jìn)行連續(xù)信號(hào)的頻譜分析

　　頻譜分析儀系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號(hào)的頻譜特性,，頻譜分析儀依信號(hào)處理方式的不同,，一般有兩種類型，即時(shí)頻譜分析儀(Real-Time Spectrum Analyzer)與掃描調(diào)諧頻譜分析儀(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer).即時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅,，其工作原理是針對(duì)不同的頻率信號(hào)而有相對(duì)應(yīng)的濾波器與檢知器(Detector),，再經(jīng)由同步的多工掃描器將信號(hào)傳送到CRT螢?zāi)簧希鋬?yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波(Periodic Random Waves)的瞬間反應(yīng),，其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限於頻寬范圍,，濾波器的數(shù)目與zui大的多工交換時(shí)間(Switching Time)，zui常用的頻譜分析儀是掃描調(diào)諧頻譜分析儀,，其基本結(jié)構(gòu)類似超外差式接收器,，工作原理是輸入信號(hào)經(jīng)衰減器直接外加到混波器，可調(diào)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)間作線性變化的振蕩頻率,，經(jīng)混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)(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(hào)振幅與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。影響信號(hào)反應(yīng)的重要部份為濾波器頻寬,濾波器之特性為高斯濾波器(Gaussian-Shaped Filter),，影響的功能就是量測(cè)時(shí)常見到的解析頻寬(RBW,ResolutionBandwidth),。RBW代表兩個(gè)不同頻率的信號(hào)能夠被清楚的分辨出來的zui低頻寬差異，兩個(gè)不同頻率的信號(hào)頻寬如低於頻譜分析儀的RBW,此時(shí)該兩信號(hào)將重疊,，難以分辨,，較低的RBW固然有助於不同頻率信號(hào)的分辨與量測(cè)，低的RBW將濾除較高頻率的信號(hào)成份,，導(dǎo)致信號(hào)顯示時(shí)產(chǎn)生失真,，失真值與設(shè)定的RBW密切相關(guān)，較高的RBW固然有助於寬頻帶信號(hào)的偵測(cè),，將增加雜訊底層值(Noise Floor),，降低量測(cè)靈敏度，對(duì)於偵測(cè)低強(qiáng)度的信號(hào)易產(chǎn)生阻礙,，因此適當(dāng)?shù)腞BW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念,。

2 分類

　　頻譜分析儀分為掃頻式和實(shí)時(shí)分析式兩類。

　　掃頻式頻譜分析儀它是具有顯示裝置的掃頻超外差接收機(jī),，主要用于連續(xù)信號(hào)和周期信號(hào)的頻譜分析,。它工作于聲頻直至亞毫米的波頻段，只顯示信號(hào)的幅度而不顯示信號(hào)的相位,。它的工作原理是：本地振蕩器采用掃頻振蕩器,，它的輸出信號(hào)與被測(cè)信號(hào)中的各個(gè)頻率分量在混頻器內(nèi)依次進(jìn)行差頻變換，所產(chǎn)生的中頻信號(hào)通過窄帶濾波器后再經(jīng)放大和檢波,，加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉(zhuǎn)信號(hào),，使屏幕上的垂直顯示正比于各頻率分量的幅值。本地振蕩器的掃頻由鋸齒波掃描發(fā)生器所產(chǎn)生的鋸齒電壓控制,，鋸齒波電壓同時(shí)還用作示波管的水平掃描,，從而使屏幕上的水平顯示正比于頻率。

　　實(shí)時(shí)式頻譜分析儀在存在被測(cè)信號(hào)的有*內(nèi)提取信號(hào)的全部頻譜信息進(jìn)行分析并顯示其結(jié)果的儀器主要用于分析持續(xù)時(shí)間很短的非重復(fù)性平穩(wěn)隨機(jī)過程和暫態(tài)過程,，也能分析40兆赫以下的低頻和極低頻連續(xù)信號(hào),，能顯示幅度和相位。傅里葉分析儀是實(shí)時(shí)式頻譜分析儀,，其基本工作原理是把被分析的模擬信號(hào)經(jīng)模數(shù)變換電路變換成數(shù)字信號(hào)后,，加到數(shù)字濾波器進(jìn)行傅里葉分析；由*處理器控制的正交型數(shù)字本地振蕩器產(chǎn)生按正弦律變化和按余弦律變化的數(shù)字本振信號(hào),，也加到數(shù)字濾波器與被測(cè)信號(hào)作傅里葉分析,。正交型數(shù)字式本振是掃頻振蕩器，當(dāng)其頻率與被測(cè)信號(hào)中的頻率相同時(shí)就有輸出,，經(jīng)積分處理后得出分析結(jié)果供示波管顯示頻譜圖形,。正交型本振用正弦和余弦信號(hào)得到的分析結(jié)果是復(fù)數(shù)，可以換算成幅度和相位,。分析結(jié)果也可送到打印繪圖儀或通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)相連,。

3 工作原理

　　頻譜分析儀架構(gòu)猶如時(shí)域用途的示波器,，面板上布建許多功能控制按鍵，作為系統(tǒng)功能之調(diào)整與控制,，系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號(hào)的頻譜特性,。頻譜分析儀依信號(hào)處理方式的不同,，一般有兩種類型,；實(shí)時(shí)頻譜分析儀(Real-Time Spectrum Analyzer)與掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)。實(shí)時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅,，其工作原理是針對(duì)不同的頻率信號(hào)而有相對(duì)應(yīng)的濾波器與檢知器(Detector),，再經(jīng)由同步的多任務(wù)掃瞄器將信號(hào)傳送到CRT 屏幕上，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波(PeriodicRandom Waves)的瞬間反應(yīng),，其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限于頻寬范圍,、濾波器的數(shù)目與zui大的多任務(wù)交換時(shí)間(Switching Time)。

4 技術(shù)指標(biāo)

　　頻譜分析儀的主要技術(shù)指標(biāo)有頻率范圍,、分辨力,、分析譜寬、分析時(shí)間,、掃頻速度,、靈敏度、顯示方式和假響應(yīng),。

　　頻率范圍：頻譜分析儀進(jìn)行正常工作的頻率區(qū)間?，F(xiàn)代頻譜儀的頻率范圍能從低于1赫直至300吉赫。

　　分辨力：頻譜分析儀在顯示器上能夠區(qū)分zui鄰近的兩條譜線之間頻率間隔的能力,，是頻譜分析儀zui重要的技術(shù)指標(biāo),。分辨力與濾波器型式、波形因數(shù),、帶寬,、本振穩(wěn)定度、剩余調(diào)頻和邊帶噪聲等因素有關(guān),，掃頻式頻譜分析儀的分辨力還與掃描速度有關(guān),。分辨帶寬越窄越好。現(xiàn)代頻譜儀在高頻段分辨力為10～100赫,。

　　分析譜寬：又稱頻率跨度,。頻譜分析儀在一次測(cè)量分析中能顯示的頻率范圍，可等于或小于儀器的頻率范圍,，通常是可調(diào)的,。

　　分析時(shí)間：完成一次頻譜分析所需的時(shí)間，它與分析譜寬和分辨力有密切關(guān)系,。對(duì)于實(shí)時(shí)式頻譜分析儀,分析時(shí)間不能小于其zui窄分辨帶寬的倒數(shù),。

　　掃頻速度：分析譜寬與分析時(shí)間之比,，也就是掃頻的本振頻率變化速率。

　　靈敏度：頻譜分析儀顯示微弱信號(hào)的能力,，受頻譜儀內(nèi)部噪聲的限制,，通常要求靈敏度越高越好。動(dòng)態(tài)范圍指在顯示器上可同時(shí)觀測(cè)的zui強(qiáng)信號(hào)與zui弱信號(hào)之比?，F(xiàn)代頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80分貝,。

　　顯示方式：頻譜分析儀顯示的幅度與輸入信號(hào)幅度之間的關(guān)系。通常有線性顯示,、平方律顯示和對(duì)數(shù)顯示三種方式,。

　　假響應(yīng)：顯示器上出現(xiàn)不應(yīng)有的譜線。這對(duì)超外差系統(tǒng)是不可避免的,，應(yīng)設(shè)法抑止到zui小,，現(xiàn)代頻譜分析儀可做到小于-90分貝毫瓦。

5 訊息處理過程

　　在量測(cè)高頻信號(hào)時(shí),，外差式的頻譜分析儀混波以后的中頻因放大之故,，能得到較高的靈敏度，且改變中頻濾波器的頻帶寬度,，能容易地改變頻率的分辨率,，但由于超外差式的頻譜分析儀是在頻帶內(nèi)掃瞄之故，因此,，除非使掃瞄時(shí)間趨近于零,，無法得到輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)(Real Time)反應(yīng)，故欲得到與實(shí)時(shí)分析儀的性能一樣的超外差式頻譜分析儀,，其掃瞄速度要非常之快,，若用比中頻濾波器之時(shí)間常數(shù)小的掃瞄時(shí)間來掃瞄的話，則無法得到信號(hào)正確的振幅,，因此欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率,，且要能得到準(zhǔn)確之響應(yīng)，要有適當(dāng)?shù)膾呙樗俣?。若用比中頻濾波器之時(shí)間常數(shù)小的掃描時(shí)間來掃描的話,，則無法得到信號(hào)的正確振幅。因此,，欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率,，且要得到準(zhǔn)確之響應(yīng)，要有適當(dāng)?shù)膾呙?/a>度,。由以上之?dāng)⑹?，可以得知超外差式頻譜分析儀無法分析瞬時(shí)信號(hào)(TransientSignal)或脈沖信號(hào)(Impulse Signal)的頻譜，而其主要應(yīng)用則在測(cè)試周期性的信號(hào)及其它雜散信號(hào)(Random Signal)的頻譜。頻譜分析儀系統(tǒng)內(nèi)部及面板顯示的特性,，一般本地振蕩器輸出信號(hào)的頻率均高于中頻信號(hào)的頻率,，振蕩器輸出信號(hào)的頻率可被調(diào)整在諧波之頻率，亦即?IN=n??LO±?I F n=1, 2, 3.......(2)由式(2)得知,，頻譜分析儀的信號(hào)量測(cè)范圍,，無形中己被拓寬，低于或高于本地振蕩器或其它諧波頻率的輸入信號(hào),，均能被混波產(chǎn)生中頻,。延伸輸入信號(hào)頻率的混波原理，其中縱軸代表輸入信號(hào)(?IN),，橫軸代表本地振蕩頻率(?LO),，正負(fù)整數(shù)代表公式(2)中頻放大器對(duì)應(yīng)的正負(fù)號(hào),。由式(2)得知,，頻譜分析儀的信號(hào)量測(cè)范圍，無形中己被拓寬,，低于或高于本地振蕩器或其它諧波頻率的輸入信號(hào),，均能被混波產(chǎn)生中頻。延伸輸入信號(hào)頻率的混波原理 所示,，其中縱軸代表輸入信號(hào)(?IN),，橫軸代表本地振蕩頻率(?LO)，圖中的正負(fù)整數(shù)代表公式(2)中頻放大器對(duì)應(yīng)的正負(fù)號(hào),。

6 使用

　　一,、什么是頻譜分析儀在頻域內(nèi)分析信號(hào)的測(cè)試儀。以圖形方式顯示信號(hào)幅度按頻率的分布,，即X軸表示頻率,，Y軸表示信號(hào)幅度。

　　二,、原理：用窄帶帶通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行選通,。

　　三、主要功能：顯示被測(cè)信號(hào)的頻譜,、幅度,、頻率?？梢匀帮@示,，也可以選定帶寬測(cè)試。

　　四,、測(cè)量機(jī)制：

　　1,、 把被測(cè)信號(hào)與儀器內(nèi)的基準(zhǔn)頻率、基準(zhǔn)電平進(jìn)行對(duì)比。因?yàn)樵S多測(cè)量的本質(zhì)都是電平測(cè)試,，如載波電平,、A/V、頻響,、C/N,、CSO、CTB,、HM,、CM以及數(shù)字頻道平均功率等。

　　2,、波形分析：通過107選件和相應(yīng)的分析軟件,，對(duì)電視的行波形進(jìn)行分析，從而測(cè)試視頻指標(biāo),。如DG,、DP、CLDI,、調(diào)制深度,、頻偏等。

　　五,、操作：

　　(一) 硬鍵,、軟鍵和旋鈕：這是儀器的基本操作手段。

　　1,、三個(gè)大硬鍵和一個(gè)大旋鈕：大旋鈕的功能由三個(gè)大硬鍵設(shè)定,。按一下頻率硬鍵，則旋鈕可以微調(diào)儀器顯示的中心頻率,；按一下掃描寬度硬鍵,，則旋鈕可以調(diào)節(jié)儀器掃描的頻率寬度；按一下幅度硬鍵,，則旋鈕可以調(diào)節(jié)信號(hào)幅度,。旋動(dòng)旋鈕時(shí)，中心頻率,、掃描寬度（起始,、終止頻率）、和幅度的dB數(shù)同時(shí)顯示在屏幕上,。

　　2,、軟鍵：在屏幕右邊，有一排縱向排列的沒有標(biāo)志的按鍵,，它的功能隨項(xiàng)目而變,，在屏幕的右側(cè)對(duì)應(yīng)于按鍵處顯示什么，它就是什么按鍵,。

　　3、其它硬鍵：儀器狀態(tài)(INSTRUMNT STATE)控制區(qū)有十個(gè)硬鍵：RESET清零,、CANFIG配置、CAL校準(zhǔn),、AUX CTRL輔助控制,、COPY打印、MODE模式,、SAVE存儲(chǔ),、RECALL調(diào)用、MEAS/USER測(cè)量/用戶自定義,、SGL SWP信號(hào)掃描,。光標(biāo)（MARKER）區(qū)有四個(gè)硬鍵：MKR光標(biāo)、MKR 光標(biāo)移動(dòng),、RKR FCTN光標(biāo)功能,、PEAK SEARCH峰值搜索?？刂疲–ONTRL）區(qū)有六個(gè)硬鍵：SWEEP掃描,、BW帶寬、TRIG觸發(fā),、AUTO COVPLE自動(dòng)耦合、TRACE跟蹤,、DISPLAY顯示,。在數(shù)字鍵區(qū)有一個(gè)BKSP回退，數(shù)字鍵區(qū)的右邊是一縱排四個(gè)ENTER確認(rèn)鍵,，同時(shí)也是單位鍵,。大旋鈕上面的三個(gè)硬鍵是窗口鍵：ON打開、NEXT下一屏,、ZOOM縮放,。大旋鈕下面的兩個(gè)帶箭頭的鍵STEP配合大旋鈕使用作上調(diào)、下調(diào),。

　　(二)輸入和輸出接口：位于一起面板下邊一排,。TV IN測(cè)視頻指標(biāo)的信號(hào)輸入口；VOL INTEN是內(nèi)外一套旋鈕控制,、調(diào)節(jié)內(nèi)置喇叭的音量和屏幕亮度,；CAL OUT儀器自檢信號(hào)輸出；300Mhz 29dBmv儀器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出口,；PROBE PWR儀器探針電源,；IN 75Ω1M—1.8G測(cè)試信號(hào)總輸入口。

　　(三) 測(cè)試準(zhǔn)備：

　　1、限制性保護(hù)：規(guī)定zui高輸入射頻電平和造成*性損壞的zui高電壓值：直流25V,，交流峰峰值100V,。

　　2、預(yù)熱：測(cè)試須等到OVER COLD消失,。

　　3,、自校：使用三個(gè)月，或重要測(cè)量前,，要進(jìn)行自校,。

　　4、系統(tǒng)測(cè)量配置：配置是測(cè)量之前把測(cè)量的一些參數(shù)輸入進(jìn)去,，省去每次測(cè)量都進(jìn)行一次參數(shù)輸入,。內(nèi)容：測(cè)試項(xiàng)目、信號(hào)輸入方式（頻率還是頻道）,、顯示單位,、制式、噪聲測(cè)量帶寬和取樣點(diǎn),、測(cè)CTB,、CSO的頻率點(diǎn)、測(cè)試行選通等,。配置步驟：按MODE鍵——CABLE TV ANALYZER軟鍵——Setup軟鍵,，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。細(xì)節(jié)為tune config調(diào)諧配置：包括頻率,、頻道,、制式、電平單位,。Analyzer input輸入配置：是否加前置放大器,。Beats setup拍頻設(shè)置、測(cè)CTB,、CSO的頻點(diǎn)（頻率偏移CTB FRQ offset,、CSO FRQ offset）。GATING YES NO是否選通測(cè)試行,。C/N setup載噪比設(shè)置：頻點(diǎn)（頻率偏移C/N FRQ offset）,、帶寬。