頻譜分析儀的發(fā)展、分類(lèi)以及操作

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的某些參數，是一種多用途的電子測量?jì)x器。它又可稱(chēng)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(wú)線(xiàn)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(dòng)測試系統。

發(fā)展

傳統產(chǎn)品

傳統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(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?jì)x器之一。無(wú)論測量連續信號或調制信號，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，因此屬于標量?jì)x器而不是矢量?jì)x器。

現代產(chǎn)品

基于快速傅里葉變換（FFT）的現代頻譜分析儀，通過(guò)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(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(xiàn)性度和高分辨率，對信號進(jìn)行數據采集時(shí) 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(shí)時(shí)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A(yíng)DC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(diǎn)數和取樣率來(lái)表征，例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點(diǎn)，則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點(diǎn)數為2048點(diǎn)，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(diǎn)數。FFT運算時(shí)間與取樣，點(diǎn)數成對數關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時(shí)，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(diǎn)的運算時(shí)間80μs，而10KHz的1024點(diǎn)的運算時(shí)間變?yōu)?4ms，1KHz的1024點(diǎn)的運算時(shí)間增加至640ms。當運算時(shí)間超過(guò)200ms時(shí)，屏幕的反應變慢，不適于眼睛的觀(guān)察，補救辦法是減少取樣點(diǎn)數，使運算時(shí)間降低至200ms以下。

分類(lèi)

頻譜分析儀分為實(shí)時(shí)分析式和掃頻式兩類(lèi)。前者能在被測信號發(fā)生的實(shí)際時(shí)間內取得所需要的全部頻譜信息并進(jìn)行分析和顯示分析結果；后者需通過(guò)多次取樣過(guò)程來(lái)完成重復信息分析。實(shí)時(shí)式頻譜分析儀主要用于非重復性、持續期很短的信號分析。非實(shí)時(shí)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依次進(jìn)行差頻變換，所產(chǎn)生的中頻信號通過(guò)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。

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(kāi)關(guān)S置于1，鋸齒波掃描電壓對本機振蕩器I進(jìn)行掃頻，輸入信號中的各個(gè)頻率分量在混頻器中與本機掃頻信號進(jìn)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(jīng)二次變頻、檢波、放大后，加到示波管的垂直偏轉系統，使屏幕上的垂直顯示正比于各個(gè)頻率分量的振幅。掃描電壓同時(shí)加到示波管的水平偏轉系統，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(jìn)行掃頻，稱(chēng)“掃前式”工作模式，具有很寬的分析頻帶。當S置于2時(shí)，也可在本機振蕩器Ⅱ上進(jìn)行掃頻，稱(chēng)“掃中頻式”工作模式，這時(shí)可進(jìn)行窄帶頻譜分析。

實(shí)時(shí)式頻譜分析儀

在存在被測信號的有限時(shí)間內提取信號的全部頻譜信息進(jìn)行分析并顯示其結果的儀器主要用于分析持續時(shí)間很短的非重復性平穩隨機過(guò)程和暫態(tài)過(guò)程，也能分析40兆赫以下的低頻和極低頻連續信號，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)模數變換電路變換成數字信號后，加到數字濾波器進(jìn)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(chǎn)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(shí)就有輸出，經(jīng)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(guò)標準接口與計算機相連。

頻率范圍

頻譜分析儀進(jìn)行正常工作的頻率區間?，F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分最鄰近的兩條譜線(xiàn)之間頻率間隔的能力，是頻譜分析儀最重要的技術(shù)指

標。分辨力與濾波器型式、波形因數、帶寬、本振穩定度、剩余調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?，F代頻譜儀在高頻段分辨力為10～100赫。

分析譜寬

又稱(chēng)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(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)間不能小于其最窄分辨帶寬的倒數。

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(guān)測的最強信號與最弱信號之比?，F代頻譜分析儀的動(dòng)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(guān)系。通常有線(xiàn)性顯示、平方律顯示和對數顯示三種方式。

假響應

顯示器上出現不應有的譜線(xiàn)。這對超外差系統是不可避免的，應設法抑止到最小，現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(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，則旋鈕可以調節儀器掃描的頻率寬度；按一下幅度硬鍵，則旋鈕可以調節信號幅度。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(méi)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）控制區有十個(gè)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(hù)自定義、SGL SWP信號掃描。光標（MARKER）區有四個(gè)硬鍵：MKR光標、MKR 光標移動(dòng)、RKR FCTN光標功能、PEAK SEARCH峰值搜索?？刂疲–ONTRL）區有六個(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。在數字鍵區有一個(gè)BKSP回退，數字鍵區的右邊是一縱排四個(gè)ENTER確認鍵，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(kāi)、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、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(gè)月，或重要測量前，要進(jìn)行自校。

4． 系統測量配置：配置是測量之前把測量的一些參數輸入進(jìn)去，省去每次測量都進(jìn)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(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)入設置狀態(tài)。細節為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(diǎn)（頻率偏移CTB FRQ offset、CSO FRQ offset）。GATING YES NO是否選通測試行。C/N setup載噪比設置：頻點(diǎn)（頻率偏移C/N FRQ offset）、帶寬。