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频谱分析仪原理

菜鸟
2017-09-22 09:15:08    评分

  本章将重点介绍频谱分析仪工作的基本 原理。虽然今天的技术使得现代数字实现 替代许多模拟电路成为可能,但是从经典 的频谱分析仪结构开始了解仍然非常有 好处。
    图 2-1 是一个超外差频谱分析仪的简化 框图。“外差”是指混频,即对频率进行 转换,而“超”则是指超音频频率或高于 音频的频率范围。从图中我们看到,输入 信号先经过一个衰减器,再经低通滤波器 (稍后会看到为何在此处放置滤波器)到 达混频器,然后与来自本振(LO)的信号 相混频。

gooxian-频谱分析仪的原理1


   由于混频器是非线性器件,其输出除了包含 两个原始信号之外,还包含它们的谐波以及 原始信号与其谐波的和信号与差信号。若任 何一个混频信号落在中频(IF)滤波器的通 带内,它都会被进一步处理(被放大并可能 按对数压缩)。基本的处理过程有包络检 波、低通滤波器进行滤波以及显示。斜波发 生器在屏幕上产生从左到右的水平移动,同 时它还对本振进行调谐,使本振频率的变 化与斜波电压成正比。
   如果您熟悉接收普通调幅(AM)广播信号 的超外差调幅收音机,您一定会发现它的结 构与图 2-1 所示框图极为相似。差别在于频 谱分析仪的输出是屏幕而不是扬声器,且 其本振调谐是电子调谐而不是靠前面板旋 钮调谐。
   既然频谱分析仪的输出是屏幕上的 X-Y 迹线,那么让我们来看看从中能获得什 么信息。显示被映射在由 10 个水平网格 和 10 个垂直网格组成的标度盘上。横 轴表示频率,其标度值从左到右线性增 加。频率设置通常分为两步:先通过中 心频率控制将频率调节到标度盘的中心 线上,然后通过频率扫宽控制再调节横 跨 10 个网格的频率范围(扫宽)。这两 个控制是相互独立的,所以改变中心频 率时,扫宽并不改变。还有,我们可以采 用设置起始频率和终止频率的方式来代 替设置中心频率和扫宽的方式。不管是 哪种情况,我们都能确定任意被显示信 号的绝对频率和任何两个信号之间的相 对频率差。
   纵轴标度按幅度大小划分。可以选用以电 压定标的线性标度或以分贝(dB)定标的 对数标度。对数标度比线性标度更经常 使用,因为它能反映出更大的数值范围。 对数标度能同时显示幅度相差 70 至 100 dB(电压比为 3200 至 100,000 或功率比 为 10,000,000 至 10,000,000,000)的信 号,而线性标度则只能用于幅度差不大于 20 至 30 dB(电压比 10 至 32)的信号。 在这两种情况下,我们都会运用校准技术 1给出标度盘上最高一行的电平即基准电 平的绝对值,并根据每个小格所对应的比 例来确定标度盘上其他位置的值。这样, 我们既能测量信号的绝对值,也能测量任 意两个信号的相对幅度差。
   屏幕上会注释出频率和幅度的标度值。图 2-2 是一个典型的频谱分析仪的显示。

gooxian-频谱分析仪2png

                频谱分析仪


   现在让我们将注意力再回到图 2-1 中所显 示的频谱分析仪元器件。
   其中隔直电容是用来防止分析仪因直流信 号或信号的直流偏置而被损坏,不过它会对 低频信号产生衰减,并使一些频谱仪的最 低可用起始频率增加至 9 kHz、100 kHz 或 10 MHz。 在有些分析仪中,可以像图 2-3 那样连接 一个幅度基准信号,它提供了一个有精确频 率和幅度的信号,用于分析仪周期性的自 我校准。

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关键词: 频谱分析仪     购线网    

助工
2018-01-29 17:06:17    评分
2楼

  频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备手段,是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具。因此,应用十分广泛,被称为工程师的射频万用表。

  1、传统频谱分析仪传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机,输入信号经变频器变频后由低通滤器输出,滤波输出作为垂直分量,频率作为水平分量,在示波器屏幕上绘出坐标图,就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率,例如30Hz-30GHz,与外部混频器配合,可扩展到100GHz以上,频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一。无论测量连续信号或调制信号,频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是,传统的频谱分析仪也有明显的缺点,它只能测量频率的幅度,缺少相位信息,因此属于标量仪器而不是矢量仪器。

  2、现代频谱分析仪 基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪,通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量,达到与传统频谱分析仪同样的结果,。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。 在这种频谱分析仪中,为获得良好的仪器线性度和高分辨率,对信号进行数据采集时ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍,亦即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/S的取样率。 目前半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC,亦即,原理上仪器可达到2GHz的带宽,为了扩展频率上限,可在ADC前端增加下变频器,本振采用数字调谐振荡器。这种混合式的频谱分析仪可扩展到几GHz以下的频段使用。 FFT的性能用取样点数和取样率来表征,例如用100KS/S的取样率对输入信号取样1024点,则最高输入频率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取样点数为2048点,则分辨率提高到25Hz。由此可知,最高输人频率取决于取样率,分辨率取决于取样点数。FFT运算时间与取样,点数成对数关系,频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时,要选用高速的FFT硬件,或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。例如,10MHz输入频率的1024点的运算时间80μs,而10KHz的1024点的运算时间变为64ms,1KHz的1024点的运算时间增加至640ms。当运算时间超过200ms时,屏幕的反应变慢,不适于眼睛的观察,补救办法是减少取样点数,使运算时间降低至200ms以下。

  3、用FFT计算信号频谱的算法 离散付里叶变换X(k)可看成是z变换在单位圆上的等距离采样值同样,X(k)也可看作是序列付氏变换X(ejω)的采样,采样间隔为ωN=2π/N 由此看出,离散付里叶变换实质上是其频谱的离散频域采样,对频率具有选择性(ωk=2πk/N),在这些点上反映了信号的频谱。 根据采样定律,一个频带有限的信号,可以对它进行时域采样而不丢失任何信息,FFT变换则说明对于时间有限的信号(有限长序列),也可以对其进行频域采样,而不丢失任何信息。所以只要时间序列足够长,采样足够密,频域采样也就可较好地反映信号的频谱趋势,所以FFT可以用以进行连续信号的频谱分析。

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