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频谱仪原理简介
bjmesh | 2020-03-31 09:37:23    阅读:1082   发布文章

频谱分析仪原理:频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备设备,是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具,因此,应用十分广泛,被称为工程师的射频万用表。

1、传统频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机,输入信号经变频器变频后由低通滤器输出,滤波输出作为垂直分量,频率作为水平分量,在示波器屏幕上绘出坐标图,就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率,例如30Hz-30GHz,与外部混频器配合,可扩展到100GHz以上。频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一,无论测量连续信号或调制信号,频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是,传统的频谱分析仪也有明显的缺点,它只能测量频率的幅度,缺少相位信息,因此属于标量仪器。

2、现代频谱分析仪是基于快速傅里叶变换(FFT)的频谱分析仪,通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量,达到与传统频谱分析仪同样的结果。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经过FFT处理后获得频谱分布图。在这种频谱分析仪中,为获得良好的仪器线性度和高分辨率,对信号进行数据采集时ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍fs=2f,即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/S的取样率。目前半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC,或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC;即原理上仪器可达到2GHz的带宽,为了扩展频率上限,可在ADC前端增加下变频器,本振采用数字调谐振荡器。这种混合式的频谱分析仪可扩展到几GHz以下的频段使用。FFT的性能用取样点数和取样率来表征,例如用100KS/S的取样率对输入信号取样1024点,则最高输入频率是50KHz和分辨率是50Hz;如果取样点数为2048点,则分辨率提高到25Hz。由此可知,最高输人频率取决于取样率,分辨率取决于取样点数,FFT运算时间与取样点数成对数关系,频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时,要选用高速的FFT硬件,或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。例如,10MHz输入频率的1024点的运算时间80μs,而10KHz的1024点的运算时间变为64ms,1KHz的1024点的运算时间增加至640ms。当运算时间超过200ms时,屏幕的反应变慢,不适于眼睛的观察,补救办法是减少取样点数,使运算时间降低至200ms以下。

3、用FFT计算信号频谱的算法是离散傅里叶变换,X(k)可看成是z变换在单位圆上的等距离采样值,同样X(k)也可看作是序列付氏变换X(ejω)的采样,采样间隔为ωN=2π/N 由此看出,离散付里叶变换实质上是其频谱的离散频域采样,对频率具有选择性(ωk=2πk/N),在这些点上反映了信号的频谱。根据采样定律,一个频带有限的信号,可以对它进行时域采样而不丢失任何信息,FFT变换则说明对于时间有限的信号(有限长序列),也可以对其进行频域采样,而不丢失任何信息。所以只要时间序列足够长,采样足够密,频域采样也就可较好地反映信号的频谱趋势,所以FFT可以用以进行连续信号的频谱分析。

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