最全的频谱分析仪基础知识

前言

频谱分析是观察和测量信号幅度和信号失真的一种快速方法，其显示结果可以直观反映出输入信号的傅立叶变换的幅度。信号频域分析的测量范围极其宽广，超过140dB，这使得频谱分析仪成为适合现代通信和微波领域的多用途仪器。频谱分析实质上是考察给定信号源，天线，或信号分配系统的幅度与频率的关系，这种分析能给出有关信号的重要信息，如稳定度，失真，幅度以及调制的类型和质量。利用这些信息，可以进行电路或系统的调试，以提高效率或验证在所需要的信息发射和不需要的信号发射方面是否符合不断涌现的各种规章条例。

现代频谱分析仪已经得到许多综合利用，从研究开发到生产制造，到现场维护。新型频谱分析仪已经改名叫信号分析仪，已经成为具有重要价值的实验室仪器，能够快速观察大的频谱宽度，然后迅速移近放大来观察信号细节已受到工程师的高度重视。在制造领域，测量速度结合通过计算机来存取数据的能力，可以快速，精确和重复地完成一些极其复杂的测量。

有两种技术方法可完成信号频域测量（统称为频谱分析）

1．FFT分析仪 用数值计算的方法处理一定时间周期的信号，可提供频率；幅度和相位信息。这种仪器同样能分析周期和非周期信号。FFT 的特点是速度快；精度高，但其分析频率带宽受ADC采样速率限制，适合分析窄带宽信号。

2．扫频式频谱分析仪可分析稳定和周期变化信号，可提供信号幅度和频率信息，适合于宽频带快速扫描测试。

图1  信号的频域分析技术

快速傅立叶变换频谱分析仪

快速傅立叶变换可用来确定时域信号的频谱。信号必须在时域中被数字化，然后执行FFT算法来求出频谱。一般FFT分析仪的结构是：输入信号首先通过一个可变衰减器，以提供不同的测量范围，然后信号经过低通滤波器，除去处于仪器频率范围之外的不希望的高频分量，再对波形进行取样即模拟到数字转换，转换为数字形式后，用微处理器（或其他数字电路如FPGA,DSP）接收取样波形，利用FFT计算波形的频谱，并将结果记录和显示在屏幕上。

FFT分析仪能够完成多通道滤波器式同样的功能，但无需使用许多带通滤波器，它使用数字信号处理来实现多个独立滤波器相当的功能。从概念上讲，FFT方法是简单明确的：对信号进行数字化，再计算频谱。实际上，为了使测量具有意义，还需要考虑很多因素。

FFT的实质是基带变换，换句话说，FFT的频率范围总是从0Hz开始并延伸到某个最高频率处。这对需要分析较窄频带（不是从直流开始）的测量情况可能是一个重大限制。例如，FFT分析仪具有取样频率，FFT的频率范围是0Hz到128KHz。若N=1024，则频率分辨力将是，故不能分辨间隔小于250Hz的谱线。

提高频率分辨力的一种方法是增大时间记录中的取样点数N，这也增大FFT输出的节点数。不过，问题在于，这会增加FFT所要处理的数组长度，从而增加计算时间。FFT算法的计算时间往往限制了仪器的性能（比如屏幕刷新速度），所以增加FFT的长度往往是可取的。

另一种方法是使用数字下变频器，对于带限信号，进行数字下变频，这样等效降低了采样速率，可以提高频率分辨力。ADC的输出与数字正弦波相乘，借助数字混频使数字正弦波的频率降低。再用数字滤波器进行滤波，数字滤波器通过利用适当的抽选因子来形成适当的频率间隔，这个带宽可以做得很窄，可以形成窄到1Hz的频率间隔和频率分辨力。

图2  在FFT分析仪中利用数字混频器可以为频变分析提供频带选择

扫频式频谱分析仪工作原理

频谱仪就是采用扫频式原理来完成信号的频域测试。

频谱分析仪的功能是要分辨输入信号中各个频率成份并测量各频率成份的频率和功率。为完成以上功能，在扫描-调谐频谱分析中采用超外差方式，它能提供宽的频率覆盖范围，同时允许在中频（IF）进行信号处理。图3是超外差式扫频频谱分析仪的结构框图。

输入信号进入频谱仪后与本振（LO）混频，当混频产物等于中频（IF）时，这个信号送到检波器，检波器输出视频信号通过放大、采样、数字化后决定CRT显示信号的垂直电平。扫描振荡器控制CRT显示的水平频率轴和本地振荡器调谐同步，它同时驱动水平CRT偏转和调谐LO。

频谱分析仪依靠中频滤波器分辨各频率成份，检波器测量信号功率，依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号频率值。

这种扫描- 调谐分析仪的工作原理正象你家中的调幅（AM）接收机，只是调幅接收机的本振不是扫描的，而是用刻度旋钮人工进行调谐；另外不是用显示器显示信息而是用扬