頻譜分析儀的分類

1、頻譜分析儀的分類秦順友（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊050081）頻譜分析儀是用來分析信號(hào)中所含有的頻率成份的專用儀器。隨著無線電和電子技術(shù)的 不斷發(fā)展，頻譜分析儀的技術(shù)性能和測(cè)試功能日益完善。目前一些新穎高檔的頻譜分析儀具 有大頻率測(cè)量范圍，高的準(zhǔn)確度、靈敏度以及穩(wěn)定度，可用來測(cè)量信號(hào)的許多參數(shù)。如功率 測(cè)量、頻率測(cè)量、調(diào)制測(cè)量、失真測(cè)量、噪聲測(cè)量、 EMC/EMI測(cè)量等等。頻譜分析儀按其結(jié)構(gòu)原理可分為兩大類，即模擬式頻譜分析儀和數(shù)字式頻譜分析儀。早 期的頻譜分析儀屬于模擬式，目前模擬式頻譜分析儀仍在廣泛使用。數(shù)字式頻譜分析儀是以 數(shù)字濾波器或FFT為基礎(chǔ)構(gòu)成的，由于數(shù)字式頻譜

2、分析儀受到數(shù)字系統(tǒng)的工作速度的限制, 因此此類頻譜分析儀多半使用于低頻段。此外，現(xiàn)代一些新穎高檔的頻譜分析儀，即能用來 測(cè)量低頻信號(hào)，又能用來測(cè)量高頻信號(hào)，其結(jié)構(gòu)屬于以上兩種類型的混合，常稱為“模擬 數(shù)字”混合式頻譜分析儀。依據(jù)頻譜分析儀的實(shí)現(xiàn)方法和頻譜測(cè)試的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，頻譜分析儀一般可分為：帶通濾波 器分析儀、快速傅立葉變換（FFT）分析儀、掃頻式頻譜分析儀和實(shí)時(shí)頻譜分析儀。1.帶通濾波器分析儀早期實(shí)現(xiàn)頻譜分析儀的方法就是將待測(cè)信號(hào)同時(shí)引入一系列帶寬相同，但中心頻率以帶 寬為步進(jìn)等差遞增的帶通濾波器，再分別通過各頻率檢波器檢波，得到各頻率點(diǎn)功率的大小， 最后再通過顯示屏顯示出來。這種頻譜分析儀

3、稱為帶通濾波器頻譜分析儀。圖1所示為帶通濾波器分析儀的原理方框圖。按照此圖進(jìn)行工作的分析儀，稱為帶通濾 波器頻譜分析儀。帶通濾波器頻譜分析儀的最小頻率分辨帶寬是由帶通濾波器的帶寬決定的。 假設(shè)帶通濾波器的帶寬是100kHz,那么帶通濾波器頻譜分析儀的頻率精度只有100kHz。這是因?yàn)槎鄺l頻率的功率譜線如果出現(xiàn)同一帶通濾波器的100kHz頻率范圍內(nèi)，那么帶通濾波器的頻譜分析儀的測(cè)試結(jié)果在此100kHz范圍內(nèi)，只顯示一條功率譜線，帶通濾波器將測(cè)出其頻率范圍內(nèi)的能量，而不管多少頻譜分量產(chǎn)生這一總能量。因此對(duì)緊密相鄰的頻譜分量， 其最小頻率分辨帶寬受制于帶通濾波器的寬帶。帶通濾波器頻譜分析儀的最大優(yōu)點(diǎn)

4、是能迅速跟蹤信號(hào)頻譜隨時(shí)間的變化，但他的最大弱 點(diǎn)是為了保證最小頻率分辨率帶寬，需要使用窄帶濾波器，所需窄帶濾波器的數(shù)量隨著帶通 濾波器頻譜分析儀的測(cè)量頻率范圍的增大及最小頻率分辨率的減小而增加。由于這個(gè)原因， 帶通濾波器頻譜分析儀主要用在可容納分辨帶寬非常寬的場(chǎng)合。2、FFT分析儀眾所周知，快速傅氏變換（FFT ）可用來確定時(shí)域信號(hào)的頻域表示形式（頻譜）。信號(hào)必 須在時(shí)域中被數(shù)字化，然后執(zhí)行FFT算法來求出頻譜。圖1-2所示，為FFT頻譜分析儀的簡(jiǎn) 化原理方框圖。由圖2可知，F(xiàn)FT頻譜分析儀的工作原理是：首先 RF輸入信號(hào)通過一個(gè)可變衰減器， 以提供不同的測(cè)量范圍；然后，信號(hào)通過低通濾波器，

5、濾去頻譜分析儀頻率范圍之外的不希 望的高頻分量；通過取樣器，對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行取樣，再用取樣電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的共同作用 變?yōu)閿?shù)字形式，利用FFT計(jì)算波形的頻譜，并將結(jié)果在顯示器上顯示，從而測(cè)量出信號(hào)頻譜。圖2 FFT頻譜分析儀的簡(jiǎn)化原理方框圖FFT頻譜分析儀能完成多通道濾波器式分析儀相同的功能， 但無需使用許多帶通濾波器。 所不同的是FFT分析儀采用數(shù)字信號(hào)處理來完成多個(gè)濾波器相當(dāng)?shù)墓δ堋?FFT頻譜分析儀的 理論根據(jù)為均勻抽樣定理和傅立葉變換。均勻抽樣定理：一個(gè)在頻譜中不含有大于頻率fmax分量的有限頻帶的信號(hào)，由對(duì)該信號(hào)以不大于1/2fmax的時(shí)間間隔進(jìn)行的抽樣值唯一地確定。當(dāng)這樣的抽樣信號(hào)通

6、過截止頻率f的理想低通濾波器后，可以將原信號(hào)完全重建。當(dāng)FFT頻譜分析儀的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)際采樣頻率fs應(yīng)滿足：(1-1)fs2 fmax截止頻率f與米樣頻率fs以及fmax的關(guān)系如下:maxmax(1-2)傅立葉變換：依據(jù)傅立葉變換，信號(hào)可用時(shí)域函數(shù)f(t)完整地表示出來，也可用頻域函數(shù)FjJ完整地表示出來，而且兩者之間有密切的聯(lián)系，其中只要一個(gè)確定，另一個(gè)也隨之唯地確定。所以可實(shí)現(xiàn)時(shí)域向頻域的轉(zhuǎn)換。3掃頻頻譜分析儀目前常用的頻譜分析儀采用掃頻超外差方案，與無線電接收機(jī)相似，頻譜分析儀能自動(dòng) 在整個(gè)所關(guān)心的頻帶內(nèi)進(jìn)行掃頻，顯示信號(hào)幅度和頻率成分。掃頻頻譜分析儀在低頻波段已 逐漸被FFT分析儀

7、取代，但在射頻、微波和毫米波頻率范圍內(nèi)，掃頻頻譜分析儀占優(yōu)勢(shì)。掃頻頻譜分析儀常見有兩種形式，其一是調(diào)諧濾波器式頻譜分析儀，這種頻譜分析儀是 通過在整個(gè)頻率范圍內(nèi)移動(dòng)一個(gè)帶通濾波器的中心頻率及帶寬來工作的。中心頻率自動(dòng)反復(fù) 在信號(hào)頻譜范圍內(nèi)掃描，由此依次選出被測(cè)信號(hào)各頻譜分量，經(jīng)檢波和視頻放大后加至顯示 器的垂直偏轉(zhuǎn)電路，而水平偏轉(zhuǎn)電路的輸入信號(hào)來自調(diào)諧濾波器中心頻率的掃描信號(hào)的同一 掃描信號(hào)發(fā)生器，水平軸的位置就表示頻率。這種頻譜分析儀的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜， 不產(chǎn)生虛假信號(hào)；缺點(diǎn)是頻譜分析儀的靈敏度低，分辨率差。其二是掃頻超外差式頻譜分析 儀，這種頻譜分析儀的工作原理普遍被現(xiàn)代分析儀所采

8、用。例如美國(guó) Agilent 公司的 Agilent 8560EC系列頻譜分析儀、Agile nt ESA-E系列頻譜分析儀、Agile nt 8590系列頻譜分析儀、日 本安立公司的 MS2681A/MS2683A/MS2687B/MS2668C 等等，采用的都是掃頻超外差式頻譜 分析儀。掃頻超外差式頻譜分析儀是把固定的窄帶中頻放大器作為選擇頻率的濾波器，把本 振掃頻器件， 頻率從低到高輸出一串本振信號(hào)， 與輸入的被測(cè)信號(hào)中的各頻率分量逐個(gè)混頻， 使之依次變?yōu)橄鄬?duì)應(yīng)的中頻頻率分量，經(jīng)放大、檢波和視頻濾波，最后在 CRT （顯示器）上 顯示測(cè)量結(jié)果?，F(xiàn)代無線電測(cè)量廣泛使用超外差式頻譜分析儀，因

9、此關(guān)于超外差式頻譜分析 儀的工作原理，將在后面章節(jié)中詳細(xì)介紹。4 實(shí)時(shí)頻譜分析儀隨著 RF 技術(shù)的不斷發(fā)展，目前射頻信號(hào)承載著復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)，與過去的射頻信號(hào)相 比，其間歇性更高，突發(fā)性更強(qiáng)。它們?cè)诓煌瑫r(shí)點(diǎn)之間變化、跳頻，快速達(dá)到峰值，然后消 失，不可預(yù)測(cè)。結(jié)果使測(cè)量和分析這些信號(hào)的方式遇到了空前的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的超外差式頻譜 分析儀無法實(shí)現(xiàn)在頻域、時(shí)域或調(diào)制域中分析不同時(shí)間上瞬時(shí)信號(hào)的能力。如何正確觸發(fā)、 捕獲、全面分析和檢測(cè)當(dāng)前復(fù)雜隨時(shí)間變化的 RF 信號(hào)？正變得越來越關(guān)鍵。實(shí)時(shí)頻譜分析 儀的出現(xiàn)為我們提供了在無線通信測(cè)試領(lǐng)域強(qiáng)有力的工具。實(shí)時(shí)頻譜分析是指觸發(fā)、捕獲和分析隨時(shí)間變化的 RF 信號(hào)的能力。實(shí)時(shí)頻譜分析儀不 僅具有頻譜分析的能力，而且可同時(shí)進(jìn)行時(shí)域信號(hào)的分析、調(diào)制信號(hào)分析和矢量信號(hào)分析， 更重要的是能捕獲連續(xù)信號(hào)、間歇性信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)，并具有實(shí)時(shí)的頻率事件的觸發(fā)能力。實(shí)時(shí)頻譜分析的基本概念是能夠觸發(fā) RF 信號(hào)，把信號(hào)無縫地捕獲到內(nèi)存中，并在多個(gè) 域（頻域、時(shí)域和調(diào)制域等 ）中分析信號(hào)， 這樣就可以可靠地檢測(cè)和檢定隨時(shí)間變化的 RF 信號(hào) 特點(diǎn)。圖3所示，為實(shí)時(shí)頻譜分析儀的簡(jiǎn)化原理方框圖存儲(chǔ)器DSP觸發(fā)111F-1r頻域分析時(shí)域分析調(diào)制域分析碼域分析多域相關(guān)圖3實(shí)時(shí)頻譜分析儀的簡(jiǎn)化原理方框圖實(shí)時(shí)頻譜分析儀可以在儀器的整個(gè)頻率范圍內(nèi)調(diào)諧RF前端