頻譜分析儀

頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量，可用以測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?，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。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲和運(yùn)算功能；配置標(biāo)準(zhǔn)接口，就容易構(gòu)成自動測試系統(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)

  研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器

• 用途

  測量信號失真度、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 簡介

頻譜分析儀是對無線電信號進(jìn)行測量的*手段，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(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寬的測量儀器之一。無論測量連續(xù)信號或調(diào)制信號,頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是,傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn),它只能測量頻率的幅度,缺少相位信息,因此屬于標(biāo)量儀器而不是矢量儀器。

　　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)算將被測信號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性度和高分辨率,對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí) ADC的取樣率zui少等于輸入信號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的取樣率對輸入信號取樣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(jù)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，F(xiàn)FT變換則說明對于時(shí)間有限的信號（有限長序列），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，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(xù)信號的頻譜分析

　　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(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振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應(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傳送到CRT螢?zāi)簧?，其?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(yīng)關(guān)系。影響信號反應(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，低的RBW將濾除較高頻率的信號成份，導(dǎo)致信號顯示時(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的偵測，將增加雜訊底層值(Noise Floor)，降低量測靈敏度，對於偵測低強(qiáng)度的信號易產(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)信號和周期信號的頻譜分析。它工作于聲頻直至亞毫米的波頻段，只顯示信號的幅度而不顯示信號的相位。它的工作原理是：本地振蕩器采用掃頻振蕩器，它的輸出信號與被測信號中的各個(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，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信號的有*內(nèi)提取信號的全部頻譜信息進(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，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經(jīng)模數(shù)變換電路變換成數(shù)字信號后，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，也加到數(shù)字濾波器與被測信號作傅里葉分析。正交型數(shù)字式本振是掃頻振蕩器，當(dāng)其頻率與被測信號中的頻率相同時(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；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振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應(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。動態(tài)范圍指在顯示器上可同時(shí)觀測的zui強(qiáng)信號與zui弱信號之比?，F(xiàn)代頻譜分析儀的動態(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幅度之間的關(guān)系。通常有線性顯示、平方律顯示和對數(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

　　在量測高頻信號時(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)膾呙樗俣取Ｈ粲帽戎蓄l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(TransientSignal)或脈沖信號(Impulse Signal)的頻譜，而其主要應(yīng)用則在測試周期性的信號及其它雜散信號(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的頻率均高于中頻信號的頻率，振蕩器輸出信號的頻率可被調(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，頻譜分析儀的信號量測范圍，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，均能被混波產(chǎn)生中頻。延伸輸入信號頻率的混波原理，其中縱軸代表輸入信號(?IN)，橫軸代表本地振蕩頻率(?LO)，正負(fù)整數(shù)代表公式(2)中頻放大器對應(yīng)的正負(fù)號。由式(2)得知，頻譜分析儀的信號量測范圍，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，均能被混波產(chǎn)生中頻。延伸輸入信號頻率的混波原理 所示，其中縱軸代表輸入信號(?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)中頻放大器對應(yīng)的正負(fù)號。

6 使用

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

　　二、原理：用窄帶帶通濾波器對信號進(jìn)行選通。

　　三、主要功能：顯示被測信號的頻譜、幅度、頻率?？梢匀帮@示，也可以選定帶寬測試。

　　四、測量機(jī)制：

　　1、 把被測信號與儀器內(nèi)的基準(zhǔn)頻率、基準(zhǔn)電平進(jìn)行對比。因?yàn)樵S多測量的本質(zhì)都是電平測試，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，對電視的行波形進(jìn)行分析，從而測試視頻指標(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)信號幅度。旋動旋鈕時(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、RECALL調(diào)用、MEAS/USER測量/用戶自定義、SGL SWP信號掃描。光標(biāo)（MARKER）區(qū)有四個(gè)硬鍵：MKR光標(biāo)、MKR 光標(biāo)移動、RKR FCTN光標(biāo)功能、PEAK SEARCH峰值搜索。控制（CONTRL）區(qū)有六個(gè)硬鍵：SWEEP掃描、BW帶寬、TRIG觸發(fā)、AUTO COVPLE自動耦合、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測視頻指標(biāo)的信號輸入口；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儀器自檢信號輸出；300Mhz 29dBmv儀器標(biāo)準(zhǔn)信號輸出口；PROBE PWR儀器探針電源；IN 75Ω1M—1.8G測試信號總輸入口。

　　(三) 測試準(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：測試須等到OVER COLD消失。

　　3、自校：使用三個(gè)月，或重要測量前，要進(jìn)行自校。

　　4、系統(tǒng)測量配置：配置是測量之前把測量的一些參數(shù)輸入進(jìn)去，省去每次測量都進(jìn)行一次參數(shù)輸入。內(nèi)容：測試項(xiàng)目、信號輸入方式（頻率還是頻道）、顯示單位、制式、噪聲測量帶寬和取樣點(diǎn)、測CTB、CSO的頻率點(diǎn)、測試行選通等。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CTB、CSO的頻點(diǎn)（頻率偏移CTB FRQ offset、CSO FRQ offset）。GATING YES NO是否選通測試行。C/N setup載噪比設(shè)置：頻點(diǎn)（頻率偏移C/N FRQ offset）、帶寬。