頻譜分析儀的發(fā)展、分類以及操作 - 全文

頻譜分析儀是研究電信號頻譜結構的儀器，用于信號失真度、調制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調失真等信號參數的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數，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字方式顯示分析結果，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。儀器內部若采用數字電路和微處理器，具有存儲和運算功能；配置標準接口，就容易構成自動測試系統(tǒng)。

發(fā)展

傳統(tǒng)產品

傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內可調諧的接收機，輸入信號經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圖，就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可

以達到很寬的頻率，例如30Hz-30GHz，與外部混頻器配合，可擴展到100GHz以上，頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量儀器之一。無論測量連續(xù)信號或調制信號，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，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標量儀器而不是矢量儀器。

現(xiàn)代產品

基于快速傅里葉變換（FFT）的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量，達到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結果。這種新型的頻譜分析儀采用數字方法直接由模擬/數字轉換器（ADC）對輸入信號取樣，再經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，對信號進行數據采集時 ADC的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100MHz的實時頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。

半導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，原理上儀器可達到2GHz的帶寬，為了擴展頻率上限，可在ADC前端增加下變頻器，本振采用數字調諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴展到幾GHz以下的頻段使用。

FFT的性能用取樣點數和取樣率來表征，例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點，則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點數為2048點，則分辨率提高到25Hz。由此可知，最高輸人頻率取決于取樣率，分辨率取決于取樣點數。FFT運算時間與取樣，點數成對數關系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時，要選用高速的FFT硬件，或者相應的數字信號處理器（DSP）芯片。例如，10MHz輸入頻率的1024點的運算時間80μs，而10KHz的1024點的運算時間變?yōu)?4ms，1KHz的1024點的運算時間增加至640ms。當運算時間超過200ms時，屏幕的反應變慢，不適于眼睛的觀察，補救辦法是減少取樣點數，使運算時間降低至200ms以下。

分類

頻譜分析儀分為實時分析式和掃頻式兩類。前者能在被測信號發(fā)生的實際時間內取得所需要的全部頻譜信息并進行分析和顯示分析結果；后者需通過多次取樣過程來完成重復信息分析。實時式頻譜分析儀主要用于非重復性、持續(xù)期很短的信號分析。非實時式頻譜分析儀主要用于從聲頻直到亞毫米波段的某一段連續(xù)射頻信號和周期信號的分析。

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，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頻率分量在混頻器內依次進行差頻變換，所產生的中頻信號通過窄帶濾波器后再經放大和檢波，加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉信號，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)生器所產生的鋸齒電壓控制，鋸齒波電壓同時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。

工作原理如圖4（a）所示。用掃頻振蕩器作為超外差接收機的本機振蕩器，當選擇開關S置于1，鋸齒波掃描電壓對本機振蕩器I進行掃頻，輸入信號中的各個頻率分量在混頻器中與本機掃頻信號進行差頻，它們依次落入第一中放窄帶濾波器的通帶內，被濾波器選出，經二次變頻、檢波、放大后，加到示波管的垂直偏轉系統(tǒng)，使屏幕上的垂直顯示正比于各個頻率分量的振幅。掃描電壓同時加到示波管的水平偏轉系統(tǒng)，從而使頻幕的X坐標變成頻率坐標，并在屏幕上顯示出被分析的輸入信號頻譜圖。上述工作方式在本機振蕩器I上進行掃頻，稱“掃前式”工作模式，具有很寬的分析頻帶。當S置于2時，也可在本機振蕩器Ⅱ上進行掃頻，稱“掃中頻式”工作模式，這時可進行窄帶頻譜分析。

實時式頻譜分析儀

在存在被測信號的有限時間內提取信號的全部頻譜信息進行分析并顯示其結果的儀器主要用于分析持續(xù)時間很短的非重復性平穩(wěn)隨機過程和暫態(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。傅里葉分析儀是實時式頻譜分析儀，其基本工作原理是把被分析的模擬信號經模數變換電路變換成數字信號后，加到數字濾波器進行傅里葉分析；由中央處理器控制的正交型數字本地振蕩器產生按正弦律變化和按余弦律變化的數字本振信號，也加到數字濾波器與被測信號作傅里葉分析。正交型數字式本振是掃頻振蕩器，當其頻率與被測信號中的頻率相同時就有輸出，經積分處理后得出分析結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果是復數，可以換算成幅度和相位。分析結果也可送到打印繪圖儀或通過標準接口與計算機相連。

頻率范圍

頻譜分析儀進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)分最鄰近的兩條譜線之間頻率間隔的能力，是頻譜分析儀最重要的技術指

標。分辨力與濾波器型式、波形因數、帶寬、本振穩(wěn)定度、剩余調頻和邊帶噪聲等因素有關，掃頻式頻譜分析儀的分辨力還與掃描速度有關。分辨帶寬越窄越好?，F(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，通常是可調的。

分析時間

完成一次頻譜分析所需的時間，它與分析譜寬和分辨力有密切關系。對于實時式頻譜分析儀，分析時間不能小于其最窄分辨帶寬的倒數。

掃頻速度：分析譜寬與分析時間之比，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觀測的最強信號與最弱信號之比?，F(xiàn)代頻譜分析儀的動態(tài)范圍可達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系。通常有線性顯示、平方律顯示和對數顯示三種方式。

假響應

顯示器上出現(xiàn)不應有的譜線。這對超外差系統(tǒng)是不可避免的，應設法抑止到最小，現(xiàn)代頻譜分析儀可做到小于-90分貝毫瓦。

操作

硬鍵、軟鍵和旋鈕

這是儀器的基本操作手段。

1．三個大硬鍵和一個大旋鈕：大旋鈕的功能由三個大硬鍵設定。按一下頻率硬鍵，則旋鈕可以微調儀器顯示的中心頻率；按一下掃描寬度硬鍵，則旋鈕可以調節(jié)儀器掃描的頻率寬度；按一下幅度硬鍵，則旋鈕可以調節(jié)信號幅度。旋動旋鈕時，中心頻率、掃描寬度（起始、終止頻率）、和幅度的dB數同時顯示在屏幕上。

2．軟鍵：在屏幕右邊，有一排縱向排列的沒有標志的按鍵，它的功能隨項目而變，在屏幕的右側對應于按鍵處顯示什么，它就是什么按鍵。

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

輸入和輸出接口

位于一起面板下邊一排。TV IN測視頻指標的信號輸入口；VOL INTEN是內外一套旋鈕控制、調節(jié)內置喇叭的音量和屏幕亮度；CAL OUT儀器自檢信號輸出；300Mhz 29dBmv儀器標準信號輸出口；PROBE PWR儀器探針電源；IN 75Ω1M—1.8G測試信號總輸入口。

測試準備

1．限制性保護：規(guī)定最高輸入射頻電平和造成永久性損壞的最高電壓值：直流25V，交流峰峰值100V。

2．預熱：測試須等到OVER COLD消失。

3．自校：使用三個月，或重要測量前，要進行自校。

4． 系統(tǒng)測量配置：配置是測量之前把測量的一些參數輸入進去，省去每次測量都進行一次參數輸入。內容：測試項目、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、測CTB、CSO的頻率點、測試行選通等。配置步驟：按MODE鍵——CABLE TV ANALYZER軟鍵——Setup軟鍵，進入設置狀態(tài)。細節(jié)為tune config調諧配置：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拍頻設置、測CTB、CSO的頻點（頻率偏移CTB FRQ offset、CSO FRQ offset）。GATING YES NO是否選通測試行。C/N setup載噪比設置：頻點（頻率偏移C/N FRQ offset）、帶寬。