電子測量與儀器頻率域測量頻譜分析儀

1、第八章 頻率域測量-頻譜分析儀8.1 頻率域測量概述8.2 掃描式頻譜儀8.3 傅立葉分析儀8.4 頻譜儀的應(yīng)用儀器科學(xué)與工程系8.1 頻率域測量概述一、頻域測量的任務(wù)：兩大任務(wù)：、線性系統(tǒng)頻率特性測量：集總參數(shù)、分布參數(shù)；準(zhǔn)靜態(tài)系統(tǒng)(低頻、高頻、微波)；不同的波段，用不同的儀器：高頻段(30-300MHz)：掃頻儀微波段(300M-300GHz)：網(wǎng)絡(luò)分析儀 (非絕對分法)、信號的頻譜分析：分析信號的頻率特性、頻譜純度、頻率穩(wěn)定度、調(diào)制度等。廣義上，信號頻譜是指組成信號的全部頻率分量的總集；狹義上，一般的頻譜測量中常將隨頻率變化的幅度譜稱為頻譜。頻譜測量：在頻域內(nèi)測量信號的各頻率分量，以獲得

2、信號的多種參數(shù)。頻譜測量的基礎(chǔ)是傅立葉變換。 頻譜的兩種基本類型離散頻譜（線狀譜），各條譜線分別代表某個頻率分量的幅度，每兩條譜線之間的間隔相等連續(xù)頻譜，可視為譜線間隔無窮小，如非周期信號和各種隨機(jī)噪聲的頻譜二、頻譜分析的基本概念信號的種類：周期信號/非周期信號 離散信號/連續(xù)信號時域周期非周期連續(xù)離散頻域周期非周期連續(xù)離散付氏變換時、頻域?qū)?yīng)關(guān)系：時間頻率幅度 t f V 頻域時域調(diào)制域例子: 兩個正弦信號相乘相加的結(jié)果及其頻譜: cos (t)，2cos (4t)+不同相位合成（相加）的波形，在頻域內(nèi)將無差別。示波器和頻譜儀的作用是互為補(bǔ)充的。藍(lán)+藍(lán)=紅三、頻譜分析的基本原理 頻譜分析儀是

3、使用不同方法在頻域內(nèi)對信號的電壓、功率、頻率等參數(shù)進(jìn)行測量并顯示的儀器。一般有FFT分析（實時分析）法、非實時分析法兩種實現(xiàn)方法。 FFT分析法：在特定時段中對時域數(shù)字信號進(jìn)行FFT變換，得到頻域信息并獲取相對于頻率的幅度、相位信息?？沙浞掷脭?shù)字技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，非常適于非周期信號和持續(xù)時間很短的瞬態(tài)信號的頻譜測量。Trouble：信號截取頻譜改變非實時分析法 在任意瞬間只有一個頻率成分能被測量，無法得到相位信息。適用于連續(xù)信號和周期信號的頻譜測量。 掃頻式分析：使分析濾波器的頻率響應(yīng)在頻率軸上掃描。 差頻式分析（外差式分析）：利用超外差接收機(jī)的原理，將頻率可變的掃頻信號與被分析信號進(jìn)行差頻

4、，再對所得的固定頻率信號進(jìn)行測量分析，由此依次獲得被測信號不同頻率成分的幅度信息。這是模擬式頻譜儀最常采用的方法。四、頻譜儀的分類按分析處理方法分類：模擬式頻譜儀、數(shù)字式頻譜儀、模擬/數(shù)字混合式頻譜儀；按基本工作原理分類：掃描式頻譜儀(掃描式及外差式)、非掃描式頻譜儀(傅立葉分析儀)；按處理的實時性分類：實時頻譜儀、非實時頻譜儀；按輸入通道數(shù)目分類：單通道、多通道頻譜儀；按工作頻帶分類：高頻、射頻、低頻等頻譜儀。 模擬式頻譜儀與數(shù)字式頻譜儀 模擬式頻譜儀：以掃描式為基礎(chǔ)構(gòu)成，采用濾波器或混頻器將被分析信號中各頻率分量逐一分離。所有早期的頻譜儀幾乎都屬于模擬濾波式或超外差結(jié)構(gòu)，并被沿用至今。 數(shù)

5、字式頻譜儀：非掃描式，以數(shù)字濾波器或FFT變換為基礎(chǔ)構(gòu)成。精度高、性能靈活，但受到數(shù)字系統(tǒng)工作頻率的限制。目前單純的數(shù)字式頻譜儀一般用于低頻段的實時分析，尚達(dá)不到寬頻帶高精度頻譜分析。FFT(數(shù)字式)與外差式二者結(jié)合 實時分析應(yīng)達(dá)到的速度與被分析信號的帶寬及所要求的頻率分辨率有關(guān)。一般認(rèn)為，實時分析是指在長度為T的時段內(nèi)，完成頻率分辨率達(dá)到1/T的譜分析；或者待分析信號的帶寬小于儀器能夠同時分析的最大帶寬。 在一定頻率范圍數(shù)據(jù)分析速度與數(shù)據(jù)采集速度相匹配，不發(fā)生積壓現(xiàn)象，這樣的分析就是實時的；如果待分析的信號帶寬超過這個頻率范圍，則是非實時分析。 實時頻譜儀和非實時頻譜儀五、線性系統(tǒng)幅頻特性測

6、量的方法線性系統(tǒng)可用傳輸函數(shù)描述其激勵與響應(yīng)的關(guān)系：就幅頻特性而言，有點頻法、掃頻法兩種測量方法。 、靜態(tài)頻率特性測量點頻法點頻法就是逐點測量幅頻特性的方法。它將單一頻率的正弦信號加到被測電路輸入端，得到幅頻特性。由低到高改變頻率，得到各個頻率點上的幅度比，即幅頻特性。S被測電路測量儀器f+_+_RLuiuoH(f)ff0點頻法測量系統(tǒng)的幅頻特性 2、動態(tài)頻率特性測量掃描式頻譜儀 3、動態(tài)頻率特性測量傅立葉分析儀8.2 掃描式頻譜儀8.2.1 濾波式頻譜分析技術(shù)8.2.2 外差式頻譜儀8.2.3 外差式頻譜儀的主要性能指標(biāo)另: 掃頻信號發(fā)生器8.2.1 濾波式頻譜分析技術(shù)濾波式頻譜分析儀原理及

7、分類 基本原理：先用帶通濾波器選出待分析信號，然后用檢波器將該頻率分量變?yōu)橹绷餍盘?，再送到顯示器將直流信號的幅度顯示出來。為顯示輸入信號的各頻率分量，帶通濾波器的中心頻率是多個或可變的。 并行濾波式頻譜儀順序濾波式頻譜儀掃頻濾波式頻譜儀數(shù)字濾波式頻譜儀一、并行濾波式頻譜儀 每個濾波式之后都有各自的檢波器，無需電子開關(guān)切換及檢波建立時間，因此速度快，能夠滿足實時分析的需要。但是可顯示的頻譜分量數(shù)目取決于濾波器的數(shù)目，所以需要大量的濾波器。二、順序濾波式頻譜儀 也叫檔級濾波頻譜儀，由多個通帶互相銜接的帶通濾波器和共用檢波器構(gòu)成。用多個頻率固定且相鄰的窄帶帶通濾波器陣列來區(qū)分被測信號的各種頻率成分，

8、因此得以全面記錄被測信號。非實時 這種方法簡單易行，但在頻帶較寬或較高頻段的情況下需要大量濾波器，儀器體積過大；由于通帶窄，分辨力和靈敏度都不是很高。一般用于低頻段的音頻測試等場合。三、掃頻濾波式頻譜儀 實質(zhì)是一個中心頻率在整個寬帶頻率范圍內(nèi)可調(diào)諧的窄帶濾波器。當(dāng)它的諧振頻率改變時，濾波器就分離出特定的頻率分量。 掃頻濾波式頻譜儀與檔級濾波式一樣，是一種非實時頻譜測量。結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉。缺點是電調(diào)諧濾波器損耗大、調(diào)諧范圍窄、頻率特性不均勻、分辨率差，目前這種方法只適用于窄帶頻譜分析。非實時窄帶濾波器的中心頻率可調(diào)節(jié)四、數(shù)字濾波式頻譜儀 數(shù)字濾波式頻譜儀在現(xiàn)代頻譜分析儀中占有重要地位。數(shù)字濾波

9、器的形狀因子較小，因而提高了頻譜儀的頻率分辨率；具有數(shù)字信號處理的高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和可編程性等普遍優(yōu)點。 數(shù)字濾波，也就是要對數(shù)字信號過濾處理，其輸入/輸出都是數(shù)字序列，數(shù)字濾波實際是一個序列運算加工過程。 利用數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)頻分或時分復(fù)用，因此僅用一個數(shù)字濾波器就可以實現(xiàn)與并行濾波式等效的實時頻譜儀。用單個數(shù)字濾波器代替多個模擬濾波器之后，濾波器的中心頻率由時基電路控制使之順序改變。與模擬濾波相比，它性能好，并節(jié)省了許多硬件。 輸入放大器 輸入衰減器LPF取樣 保持A/D 數(shù)字濾波器有效值檢波器放大器主振器控制和時基顯示五、帶通濾波器的性能指標(biāo)帶寬通常是指3dB帶寬，或稱半功率

10、帶寬。 分辨率帶寬（RBW）反映了濾波器區(qū)分兩個相同幅度、不同頻率的信號的能力波形因子 波型因子反映了區(qū)分兩個不等幅信號的能力，也稱帶寬選擇性。波形因子定義為濾波器60dB帶寬與3dB帶寬之比： 也可用40dB帶寬與3dB帶寬之比表示。波形因子較小的濾波器的特性曲線更接近于矩形，故波形因子也稱矩形系數(shù)。 濾波器響應(yīng)時間（建立時間） 信號從加到濾波器輸入端到獲得穩(wěn)定輸出所需的時間。通常用達(dá)到穩(wěn)幅幅度的90所需的時間TR來表述，它與絕對帶寬B成反比：TR1/B。 寬帶濾波器的響應(yīng)時間短，測量速度快；窄帶濾波器建立時間較長，但頻率分辨率更高、信噪比好。響應(yīng)時間限制了頻譜儀的掃描分析速度，影響實時頻譜

11、分析的實現(xiàn)。8.2.2 外差式頻譜儀 外差式頻譜儀的頻率變換原理與超外差式收音機(jī)相同：利用無線電接收機(jī)中普遍使用的自動調(diào)諧方式，通過改變掃頻本振的頻率來捕獲待測信號的不同頻率分量。也稱掃頻外差式頻譜儀。掃頻外差式方案是實施頻譜分析的傳統(tǒng)途徑，在高頻段占據(jù)優(yōu)勢地位。 調(diào)節(jié)中心頻率：調(diào)節(jié)混頻器或調(diào)感調(diào)節(jié)掃頻：調(diào)節(jié)掃描電流作用于調(diào)制線圈 如教材中介紹的BT-3掃頻儀，它的中心頻率分為三個工作的波段：I：175MHz，差頻信號源II：75150MHz，調(diào)感式振蕩器III：150300MHz，由II倍頻得到ff075MHz 100MHz 150MHz一、外差式頻譜儀的組成 主要包括輸入通道、混頻電路、中

12、頻處理電路、檢波和視頻濾波等部分。 外差式頻譜分析儀頻率范圍寬、靈敏度高、頻率分辨率可變，是目前頻譜儀中數(shù)量最大的一種。由于被分析的頻譜依次被順序采樣，因而不能進(jìn)行實時分析。這種分析儀只能提供幅度譜，不能提供相位譜。輸 入 通 道 輸入通道也稱前端，主要由輸入衰減、低噪聲放大、低通濾波及混頻等幾部分組成，功能上相當(dāng)于一臺寬頻段、窄帶寬的外差式自動選頻接收機(jī)。用于控制加到儀器后續(xù)部分的信號電平，并對輸入信號取差頻以獲得固定的中頻。 輸入衰減：一方面避免因信號電平過高而引起的失真，同時起到阻抗匹配的功能，盡可能降低源負(fù)載與混頻器之間的失配誤差 低噪聲放大：對輸入電平進(jìn)行調(diào)整，保證混頻器輸入電平滿足

13、一定的幅度要求，獲得較佳混頻效果 低通濾波技術(shù) 多級混頻中頻信號預(yù)處理 中頻信號預(yù)處理主要是在被檢測之前完成對固定中頻信號的自動增益放大、分辨率濾波等處理。中頻濾波器的帶寬通?？沙炭?，以提供不同的頻率分辨率。 中頻信號幅度調(diào)節(jié)：由自動增益電路完成。末級混頻的增益必須能夠以小步進(jìn)精密調(diào)節(jié)，以保持后續(xù)電路中的最大信號電平固定而不受前端的影響。 中頻濾波器：用于減小噪聲帶寬、分辨各頻率分量。頻譜儀的分辨率帶寬由最后一個中頻濾波器的帶寬決定。數(shù)字濾波器選擇性較好、沒有漂移，能夠?qū)崿F(xiàn)極穩(wěn)定的窄分辨率帶寬。檢 波 器 在模擬式頻譜儀中，采用檢波器來產(chǎn)生與中頻交流信號的電平成正比的直流電平，以獲取待測信號的

14、幅度信息。常用包絡(luò)檢波器。 最簡單的包絡(luò)檢波器由一個二極管和一個并聯(lián)RC電路串接而成。只要恰當(dāng)?shù)剡x擇檢波器的R、C值，就可獲得合適的時間常數(shù)以確保檢波器跟隨中頻信號的包絡(luò)變化而變化。頻率掃描速度的快慢也會對檢波輸出產(chǎn)生影響，掃速太快會使檢波器來不及響應(yīng)。 視頻濾波器 視頻濾波器用于對顯示結(jié)果進(jìn)行平滑或平均，以減小噪聲對信號幅度的影響。 基本原理：視頻濾波器實質(zhì)是低通濾波器，它決定了驅(qū)動顯示器垂直方向的視頻電路帶寬。當(dāng)視頻濾波器的截止頻率小于分辨率帶寬時，視頻系統(tǒng)跟不上中頻信號包絡(luò)的快速變化，因此使信號的起伏被“平滑”掉。 應(yīng)用：主要應(yīng)用于噪聲測量，特別是在分辨率帶寬（RBW）較大時。減小視頻濾

15、波器的帶寬（VBW）將削弱或平滑噪聲峰-峰值的變化，當(dāng)VBW/RBW 2.56 fmax ，其中fmax為待分析信號的最高頻率。最高fS由ADC的性能決定。頻率分辨率：采樣頻率一定時，F(xiàn)FT的點數(shù)越多，頻率分辨率越高。頻率分辨率f、采樣頻率fS和分析點數(shù)N三者之間的關(guān)系為f=fS/N。 幅度特性動態(tài)范圍：取決于ADC的位數(shù)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)運算的字長或精度。靈敏度：取決于本底噪聲，主要由前置放大器噪聲決定。幅度讀數(shù)精度：幅度譜線的誤差來源包括計算處理誤差、頻譜混疊誤差、頻譜泄漏誤差以及每次單個記錄分析所含的統(tǒng)計誤差等。其中統(tǒng)計誤差與信號處理方法、譜估計方法、統(tǒng)計平均方法及次數(shù)有關(guān)，往往需要在改變設(shè)置和

16、多次分析之后才能獲得較好結(jié)果。 分析速度主要取決于N點FFT的運算時間、平均運行時間及結(jié)果處理時間，實時頻譜分析的頻率上限可由FFT的速度推算而得。若是實信號的功率譜計算，則速度可以提高一倍。 其他特性可選的窗函數(shù)種類；數(shù)據(jù)觸發(fā)方式；顯示方式；結(jié)果存儲、輸入/輸出功能等。 8.3.2 FFT分析儀的硬件實現(xiàn) FFT分析的硬件實現(xiàn)可選方案：ASIC、FPGA、DSP選擇準(zhǔn)則：可編程性、集成度、開發(fā)周期、性能、功耗可編程性集成度開發(fā)周期性能功耗ASIC低較低短最佳中FPGA較高高最長兩者相當(dāng)?shù)虳SP最高高較長高 選用哪種方案實現(xiàn)頻譜分析？ ASIC：提供有限的可編程性和集成水平，通?？蔀槟稠椆潭ü?/p>

17、能提供最佳解決方案； FPGA：可為高度并行或涉及線性處理的高速信號處理提供最佳解決方案，如數(shù)字濾波器等的設(shè)計； DSP：可為復(fù)雜決策分析等功能提供最佳可編程解決方案，如FFT這樣具有順序特性的信號處理。結(jié)論：鑒于頻譜分析通常需要較高的可編程性，因此使用DSP實現(xiàn)FFT，而使用FPGA實現(xiàn)數(shù)字濾波、抽取等其他數(shù)字信號處理。8.3.3 FFT分析儀與外差式頻譜分析儀 FFT分析儀比外差式頻譜儀測量速度快。外差式頻譜儀的測量速度受限于分辨率帶寬，在較低頻段區(qū)分緊鄰的譜線需要很窄的RBW，因此導(dǎo)致掃描時間可能會長到無法忍受。而FFT分析儀的速度僅取決于量化和FFT計算所需的時間，在相等的頻率分辨率下，F(xiàn)FT分析儀較外差式頻譜儀快得多。 由于FFT分析儀需使用高速ADC進(jìn)行過采樣，可分析的頻率范圍受限于A/D器件的速度，因而在頻率覆蓋范圍上FFT分析儀不及外差式頻譜儀。 現(xiàn)代頻譜儀將外差式掃描頻譜分析技術(shù)與FFT數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合，兼有兩種技術(shù)的優(yōu)點：前端仍采用傳統(tǒng)的外差式結(jié)構(gòu)，而在中頻處理部分采用數(shù)字結(jié)構(gòu)，中頻信號由ADC量化，F(xiàn)FT則由通用微處理器或?qū)Ｓ脭?shù)字邏輯實現(xiàn)。這種方案充分利用了外差式頻譜儀的頻率范圍和FFT優(yōu)秀的頻率分辨率，使得在很高的頻率上進(jìn)行極