掃描頻譜分析儀基礎(chǔ)知識(shí)：超外差光譜分析儀技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

超外差頻譜分析儀，也稱為掃描或掃描頻譜分析儀，是第一種使用的頻譜分析儀形式。

從本質(zhì)上講，超外差頻譜分析儀或掃描/掃描頻譜分析儀是一種無(wú)線電接收器，在輸出端有一個(gè)顯示屏，指示輸出電平。在所需范圍內(nèi)對(duì)接收機(jī)進(jìn)行調(diào)諧或掃描，并選擇濾波器以接受所需的信號(hào)帶寬。

頻譜分析儀使用許多無(wú)線電接收機(jī)中使用的超外差原理作為其操作所依賴的基本原理。超外差原理使用混頻器，此外還使用本地生成或本地振蕩器來(lái)轉(zhuǎn)換頻率。

掃描/掃描頻譜分析儀的優(yōu)缺點(diǎn)

與其他類型的頻譜分析儀相比，掃描或掃描頻譜分析儀具有許多優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在選擇合適的類型時(shí)，有必要了解它們之間的差異及其相對(duì)優(yōu)點(diǎn)。

另一種主要類型的頻譜分析儀使用數(shù)字技術(shù)并依賴于快速傅里葉變換，因此通常被稱為 FFT 分析儀。

超外差光譜分析儀技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

寬帶：由于采用超外差原理，這種類型的頻譜分析儀能夠具有非常寬的掃描范圍。掃描的跨度可以擴(kuò)展到幾 GHz。

能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)工作：使用超外差原理，這種類型的頻譜分析儀能夠在非常高的頻率下工作 - 許多頻譜分析儀將其覆蓋范圍擴(kuò)展到許多GHz，因?yàn)榭梢詮姆浅８叩念l率轉(zhuǎn)換到處理頻段。

超外差頻譜分析儀技術(shù)的缺點(diǎn)

無(wú)法測(cè)量相位：超外差或掃描頻譜分析儀是一種標(biāo)量?jī)x器，無(wú)法測(cè)量相位 - 它只能測(cè)量給定頻率上的信號(hào)幅度。

無(wú)法測(cè)量瞬態(tài)事件：FFT分析儀技術(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行采樣，然后對(duì)其進(jìn)行處理以提供所需的顯示。通過(guò)這種方式，它能夠捕獲瞬態(tài)事件。由于超外差分析儀掃描所需的帶寬，這需要更長(zhǎng)的時(shí)間，因此無(wú)法有效地捕獲瞬態(tài)事件。

過(guò)去，F(xiàn)FT頻譜分析儀比更傳統(tǒng)的掃頻或超外差頻譜分析儀更昂貴。然而，技術(shù)已經(jīng)向前發(fā)展，現(xiàn)在在許多情況下幾乎沒(méi)有成本差異。通常，大多數(shù)現(xiàn)代頻譜分析儀將使用數(shù)字處理，盡管它們可能仍使用超外差原理來(lái)提供所需的頻率范圍。

掃描頻譜分析儀基礎(chǔ)知識(shí)

掃頻譜分析儀使用與許多無(wú)線電接收機(jī)相同的超外差原理，作為其工作所依賴的基本原理。超外差原理使用混頻器和本地生成的本地振蕩器信號(hào)來(lái)轉(zhuǎn)換頻率。

分析儀中使用的混頻原理與超外差無(wú)線電的工作方式完全相同。

進(jìn)入前端的信號(hào)被轉(zhuǎn)換為另一個(gè)頻率，通常頻率較低。在設(shè)備的中頻部分使用固定頻率濾波器，可以使用高性能濾波器，并且可以通過(guò)改變進(jìn)入混頻器的本振信號(hào)的頻率來(lái)改變分析儀或接收器的輸入頻率。

盡管頻譜分析儀的基本概念與超外差無(wú)線電完全相同，但使其能夠執(zhí)行功能的特定實(shí)現(xiàn)略有不同。

超外差或掃頻頻譜分析儀框圖

本振的頻率決定了通過(guò)中頻濾波器的信號(hào)頻率。這在頻率上是掃描的（頻率線性增加），以便覆蓋所需的頻段。用于控制本振頻率的掃描電壓也控制顯示屏上掃描的掃描。這樣，掃描點(diǎn)在屏幕上的位置與本地振蕩器的位置或頻率有關(guān)，因此與輸入信號(hào)的頻率有關(guān)。此外，由于接收到的輸入電平范圍很大，通過(guò)濾波器的任何信號(hào)都會(huì)被進(jìn)一步放大、檢測(cè)并通常轉(zhuǎn)換為對(duì)數(shù)刻度，然后被傳遞到顯示器 Y 軸。

掃描頻譜分析儀的元件

雖然掃描頻譜分析儀的基本概念相當(dāng)簡(jiǎn)單，但一些電路模塊可能需要進(jìn)一步解釋。

射頻衰減器：信號(hào)進(jìn)入測(cè)試儀器時(shí)到達(dá)的第一個(gè)元件是射頻衰減器。早期型號(hào)使用手動(dòng)切換的衰減器，但現(xiàn)代分析儀通常由測(cè)試儀器中的處理器控制。其目的是將進(jìn)入混頻器的信號(hào)電平調(diào)整到最佳電平。如果信號(hào)電平過(guò)高，不僅讀數(shù)可能落在顯示屏之外，而且混頻器性能也可能不是最佳的?；旌掀骺赡軙?huì)在指定的操作區(qū)域之外運(yùn)行，并且可能會(huì)看到其他混合產(chǎn)品，并且可能會(huì)在顯示屏上看到錯(cuò)誤信號(hào)。

事實(shí)上，當(dāng)懷疑有錯(cuò)誤信號(hào)時(shí)，可以調(diào)整輸入衰減器以提供額外的衰減，例如+10 dB。如果顯示電平上的信號(hào)下降超過(guò)此量，則很可能是不需要的混頻產(chǎn)物，并且輸入信號(hào)電平的射頻衰減不足。

輸入RF衰減器還用于為非常大的信號(hào)提供一些保護(hù)。非常大的信號(hào)很可能會(huì)損壞混頻器。由于這些混合器是性能非常高的部件，更換起來(lái)并不便宜，而且相對(duì)容易損壞。還增加了一個(gè)保護(hù)元素。通常，輸入RF衰減器包括一個(gè)電容，這樣可以保護(hù)混頻器免受被測(cè)線路上可能存在的任何直流電的影響。

低通濾波器和預(yù)選器：該電路跟隨衰減器，用于消除帶外信號(hào)。頻譜分析儀中的該濾波器可防止無(wú)用信號(hào)與本振混雜，并在中頻產(chǎn)生無(wú)用響應(yīng)。這些將作為信號(hào)出現(xiàn)在顯示屏上，因此必須將其刪除。

微波頻譜分析儀通常用更全面的預(yù)選器取代低通濾波器。這允許通過(guò)一個(gè)頻帶，并且其響應(yīng)顯然是針對(duì)感興趣的頻帶量身定制的。

攪拌機(jī)：混合器自然是分析儀成功的關(guān)鍵。因此，攪拌機(jī)是高性能產(chǎn)品，通常非常昂貴。它們必須能夠在非常寬的信號(hào)范圍內(nèi)工作，并提供非常低水平的雜散響應(yīng)。產(chǎn)生的任何雜散信號(hào)都可能引起雜散響應(yīng)，這些雜散響應(yīng)將與實(shí)際信號(hào)一起顯示在顯示屏上。因此，混頻器的動(dòng)態(tài)范圍性能對(duì)于整個(gè)分析儀至關(guān)重要。

使用掃描頻譜分析儀時(shí)必須格外小心，不要將過(guò)多的功率直接饋入混頻器，否則很容易發(fā)生損壞。在測(cè)試功率可能很高的無(wú)線電發(fā)射機(jī)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況，并且意外地將衰減器調(diào)到低值設(shè)置，以便更高的功率電平到達(dá)混頻器。因此，通常最好使用能夠處理功率的外部固定衰減器?；祛l器損壞將導(dǎo)致頻譜分析儀無(wú)法使用，需要維修，這通常很昂貴。

IF放大器：離開混頻器的信號(hào)通常是低電平的，需要放大。級(jí)的增益是可調(diào)的，通常為10dB級(jí)。改變此處的增益會(huì)改變信號(hào)在分析儀垂直刻度上的位置。中頻增益必須與射頻增益控制結(jié)合使用，在現(xiàn)代分析儀中，兩者通常相互連接和調(diào)整，以提供最佳的整體性能。過(guò)高的IF增益水平會(huì)增加前端噪聲水平，這可能導(dǎo)致低電平信號(hào)被屏蔽。因此，RF增益控制通常應(yīng)保持在盡可能高的水平，而不會(huì)使混頻器過(guò)載。通過(guò)這種方式，整個(gè)測(cè)試儀器的噪聲性能得到了優(yōu)化。

IF濾波器：IF濾波器限制了所查看的帶寬，從而有效地提高了頻率分辨率。但是，這是以較慢的掃描速率為代價(jià)的?？s小IF帶寬可降低本底噪聲，并能夠查看較低電平的雜散信號(hào)。

本地振蕩器：頻譜分析儀內(nèi)的本地振蕩器自然是設(shè)備整個(gè)運(yùn)行的關(guān)鍵元件。它的性能決定了整個(gè)分析儀的許多整體性能參數(shù)。它必須能夠在非常寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，以使分析儀能夠在所需的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。它還必須具有非常好的相位噪聲性能。如果振蕩器的相位噪聲性能較差，那么不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法進(jìn)行窄帶測(cè)量，因?yàn)楸菊裆系慕辔辉肼晫⑥D(zhuǎn)化為被測(cè)信號(hào)的測(cè)量值，而且還會(huì)阻止它對(duì)相位噪聲本身進(jìn)行任何有意義的測(cè)量 - 如今越來(lái)越多地進(jìn)行這種測(cè)量。

斜坡發(fā)生器：斜坡發(fā)生器驅(qū)動(dòng)本地振蕩器和顯示器的掃描。這樣，顯示器的水平軸就直接與頻率相連。換言之，斜坡發(fā)生器由頻譜分析儀上的掃描速率調(diào)整控制。

包絡(luò)或液位檢測(cè)器：包絡(luò)檢波器將來(lái)自IF濾波器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可傳遞到顯示器的信號(hào)電壓。由于電平檢測(cè)器必須適應(yīng)非常大的信號(hào)差異，因此線性度和寬動(dòng)態(tài)范圍至關(guān)重要。

檢測(cè)器的類型也可能對(duì)所進(jìn)行的測(cè)量有影響。檢測(cè)器是平均電平檢測(cè)器還是提供RMS值。

RMS 檢波器根據(jù)分配給該像素的樣本計(jì)算顯示跡線中每個(gè)像素的功率，即該像素所代表的帶寬。將每個(gè)樣本的電壓平方相加，然后將結(jié)果除以樣本數(shù)。然后取平方根給出 RMS 值。

對(duì)于平均值，將樣本相加，然后將結(jié)果除以樣本數(shù)。

顯示：在許多方面，顯示器是測(cè)試儀器的核心，因?yàn)檫@是查看信號(hào)頻譜的地方。頻譜分析儀的整個(gè)顯示部分包含大量的處理功能，使信號(hào)能夠以易于理解的方式查看。最小信號(hào)、最大峰值、自動(dòng)峰值、突出顯示和更多元素的標(biāo)記等項(xiàng)目由該區(qū)域的信號(hào)處理控制。這些功能以及更多功能是所提供處理量顯著增加的結(jié)果。

至于顯示屏本身，最初使用的是陰極射線管，但現(xiàn)在最常見(jiàn)的顯示形式是液晶顯示器的形式。液晶顯示器的使用確實(shí)有一些局限性，但總體而言，隨著該技術(shù)的發(fā)展水平，它們可以提供所需的靈活性。

超外差頻譜分析儀，或也稱為掃描頻譜分析儀，盡管已被使用數(shù)字FFT技術(shù)的頻譜分析儀所取代，但仍在使用。然而，它有助于說(shuō)明頻譜分析儀的原理，并且通常在某些實(shí)驗(yàn)室中可能提供較舊的設(shè)備。

審核編輯：黃飛