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頻譜分析是觀察和測量信號幅度和信號失真的一種快速方法,其顯示結(jié)果可以直觀反映出輸入信號的傅立葉變換的幅度。信號頻域分析的測量范圍極其寬廣,超過140dB,這使得頻譜分析儀成為適合現(xiàn)代通信和微波領(lǐng)域的多用途儀器。頻譜分析實(shí)質(zhì)上是考察給定信號源,天線,或信號分配系統(tǒng)的幅度與頻率的關(guān)系,這種分析能給出有關(guān)信號的重要信息,如穩(wěn)定度,失真,幅度以及調(diào)制的類型和質(zhì)量。利用這些信息,可以進(jìn)行電路或系統(tǒng)的調(diào)試,以提高效率或驗(yàn)證在所需要的信息發(fā)射和不需要的信號發(fā)射方面是否符合不斷涌現(xiàn)的各種規(guī)章條例。
現(xiàn)代頻譜分析儀已經(jīng)得到許多綜合利用,從研究開發(fā)到生產(chǎn)制造,到現(xiàn)場維護(hù)。新型頻譜分析儀已經(jīng)改名叫信號分析儀,已經(jīng)成為具有重要價(jià)值的實(shí)驗(yàn)室儀器,能夠快速觀察大的頻譜寬度,然后迅速移近放大來觀察信號細(xì)節(jié)已受到的高度重視。在制造領(lǐng)域,測量速度結(jié)合通過計(jì)算機(jī)來存取數(shù)據(jù)的能力,可以快速,和重復(fù)地完成一些極其復(fù)雜的測量。
有兩種技術(shù)方法可完成信號頻域測量(統(tǒng)稱為頻譜分析)。
1.FFT分析儀用數(shù)值計(jì)算的方法處理一定時(shí)間周期的信號,可提供頻率;幅度和相位信息。這種儀器同樣能分析周期和非周期信號。FFT的特點(diǎn)是速度快;精度高,但其分析頻率帶寬受ADC采樣速率限制,適合分析窄帶寬信號。
2.掃頻式頻譜分析儀可分析穩(wěn)定和周期變化信號,可提供信號幅度和頻率信息,適合于寬頻帶快速掃描測試。
FFT分析儀能夠完成多通道濾波器式同樣的功能,但無需使用許多帶通濾波器,它使用數(shù)字信號處理來實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立濾波器相當(dāng)?shù)墓δ?。從概念上講,F(xiàn)FT方法是簡單明確的:對信號進(jìn)行數(shù)字化,再計(jì)算頻譜。實(shí)際上,為了使測量具有意義,還需要考慮很多因素。
FFT的實(shí)質(zhì)是基帶變換,換句話說,F(xiàn)FT的頻率范圍總是從0Hz開始并延伸到某個(gè)頻率處。這對需要分析較窄頻帶(不是從直流開始)的測量情況可能是一個(gè)重大限制。例如,F(xiàn)FT分析儀具有取樣頻率,F(xiàn)FT的頻率范圍是0Hz到128KHz。若N=1024,則頻率分辨力將是,故不能分辨間隔小于250Hz的譜線。
提高頻率分辨力的一種方法是時(shí)間記錄中的取樣點(diǎn)數(shù)N,這也FFT輸出的節(jié)點(diǎn)數(shù)。不過,問題在于,這會(huì)增加FFT所要處理的數(shù)組長度,從而增加計(jì)算時(shí)間。FFT算法的計(jì)算時(shí)間往往限制了儀器的性能(比如屏幕刷新速度),所以增加FFT的長度往往是可取的。
另一種方法是使用數(shù)字下變頻器,對于帶限信號,進(jìn)行數(shù)字下變頻,這樣等效降低了采樣速率,可以提高頻率分辨力。ADC的輸出與數(shù)字正弦波相乘,借助數(shù)字混頻使數(shù)字正弦波的頻率降低。

頻譜分析儀
是一種比較貴重的綜合性儀器,一旦損壞,相應(yīng)的維修費(fèi)用比較高,且維修周期比較長,因此正確使用非常重要。
1、對于來說電源是非常重要的,在給頻譜分析儀加電之前,一定要確保電源接確,保證地線可靠接地。頻譜分析儀配置的是三芯電源線,開機(jī)之前,必須將電源線插頭插入標(biāo)準(zhǔn)的三相插座中,千萬不要使用沒有保護(hù)地的電源線,以防止可能造成的人身傷害。
2、在對信號進(jìn)行測量前,頻譜分析儀開機(jī)后應(yīng)預(yù)熱三十分鐘,當(dāng)測試環(huán)境溫度改變35度時(shí),頻譜分析儀應(yīng)重新進(jìn)行校準(zhǔn)。
3、任何頻譜分析儀在輸入端口都有一個(gè)允許輸入的全功率,稱為輸入電平。如國產(chǎn)多功能頻譜分析儀4032要求連續(xù)波輸入信號的功率不能超過+30dBmW(1W),且不允許直流輸入。若輸入信號值超出了頻譜分析儀所允許的輸入電平值,則會(huì)造成儀器損壞;對于不允許直流輸入的頻譜分析儀,若輸入信號中含有直流成份,則也會(huì)對頻譜分析儀造成損傷。
一般的輸入電平值通常在前面板靠近輸入連接口的地方標(biāo)出。如果頻譜分析儀不允許信號中含有直流電壓,當(dāng)測量帶有直流分量的信號時(shí),應(yīng)外接一個(gè)恰當(dāng)數(shù)值的電容器用于隔直流。
當(dāng)對所測信號的性質(zhì)不太了解時(shí),我們可采用以下的辦法來保證頻譜分析儀的安全使用:如果有RF功率計(jì),可以用它來先測一下信號電平;如果沒有功率計(jì),則在信號電纜與頻譜儀的輸入端之間應(yīng)接上一個(gè)一定量值的外部衰減器,頻譜分析儀應(yīng)選擇的射頻衰減和可能的基準(zhǔn)電平,并且使用寬的頻率掃寬(SPAN),保證可能偏出屏幕的信號可以清晰看見。我們也可以使用示波器、電壓表等儀器來檢查DC及AC信號電平。

頻譜分析儀分類
頻譜分析儀分為實(shí)時(shí)分析式和掃頻式兩類。前者能在被測信號發(fā)生的實(shí)際時(shí)間內(nèi)取得所需要的全部頻譜信息并進(jìn)行分析和顯示分析結(jié)果;后者需通過多次取樣過程來完成重復(fù)信息分析。實(shí)時(shí)式頻譜分析儀主要用于非重復(fù)性、持續(xù)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(xù)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(jī),主要用于連續(xù)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(nèi)依次進(jìn)行差頻變換,所產(chǎn)生的中頻信號通過窄帶濾波器后再經(jīng)放大和檢波,加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉(zhuǎn)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。
用掃頻振蕩器作為超外差接收機(jī)的本機(jī)振蕩器,當(dāng)選擇開關(guān)S置于1,鋸齒波掃描電壓對本機(jī)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(jī)掃頻信號進(jìn)行差頻,它們依次落入中放窄帶濾波器的通帶內(nèi),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(zhuǎn)系統(tǒng),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(zhuǎn)系統(tǒng),從而使頻幕的X坐標(biāo)變成頻率坐標(biāo),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(jī)振蕩器I上進(jìn)行掃頻,稱“掃前式”工作模式,具有很寬的分析頻帶。當(dāng)S置于2時(shí),也可在本機(jī)振蕩器Ⅱ上進(jìn)行掃頻,稱“掃中頻式”工作模式,這時(shí)可進(jìn)行窄帶頻譜分析。

頻譜分析儀儀器特性
分析頻譜分析儀的訊息處理過程
在量測高頻信號時(shí),外差式的頻譜分析儀混波以后的中頻因放大之故,能得到較高的靈敏度,且改變中頻濾波器的頻帶寬度,能容易地改變頻率的分辨率,但由于超外差式的頻譜分析儀是在頻帶內(nèi)掃瞄之故,因此,除非使掃瞄時(shí)間趨近于零,無法得到輸入信號的實(shí)時(shí)(Real Time)反應(yīng),故欲得到與實(shí)時(shí)分析儀的性能一樣的超外差式頻譜分析儀,其掃瞄速度要非常之快,若用比中頻濾波器之時(shí)間常數(shù)小的掃瞄時(shí)間來掃瞄的話,則無法得到信號正確的振幅,因此欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率,且要能得到準(zhǔn)確之響應(yīng),要有適當(dāng)?shù)膾呙樗俣取S梢陨现當(dāng)⑹?,可以得知超外差式頻譜分析儀無法分析瞬時(shí)信號(TransientSignal)或脈沖信號(Impulse Signal)的頻譜,而其主要應(yīng)用則在測試周期性的信號及其它雜散信號(Random Signal)的頻譜。頻譜分析儀系統(tǒng)內(nèi)部及面板顯示的特性,詳如附錄一的說明,對該內(nèi)容的了解將有助于頻譜分析儀的操作使用。一般本地振蕩器輸出信號的頻率均高于中頻信號的頻率,本地振蕩器輸出信號的頻率可被調(diào)整在諧波之頻率,亦即?IN=n??LO±?I F n=1,2,3.......⑵
由式⑵得知,頻譜分析儀的信號量測范圍,無形中己被拓寬,低于或高于本地振蕩器或其它諧波頻率的輸入信號,均能被混波產(chǎn)生中頻。延伸輸入信號頻率的混波原理,其中縱軸代表輸入信號(?IN),橫軸代表本地振蕩頻率(?LO),圖中的正負(fù)整數(shù)代表公式⑵中頻放大器對應(yīng)的正負(fù)號。
可體會(huì)頻譜分析儀利用本地振蕩的諧波信號延伸輸入信號頻率的工作原理。然而可能對應(yīng)多個(gè)輸入信號頻率,為消除此一現(xiàn)象,在衰減器前面加入頻率預(yù)選器(Preselector),用來提升頻譜分析儀的范圍,同時(shí)使輸出的結(jié)果能去除其它不必要的頻率而真正反應(yīng)輸入信號的頻率。
圖1.4:利用本地振蕩之諧波信號拓展信號頻率的原理
由以上得知超外差或頻譜分析儀無法分析瞬時(shí)信號(TransientSignal)或脈沖信號(Impulse Signal)的頻譜,而其主要應(yīng)用則在測試周期性的信號及其它隨機(jī)信號(Random Signal)的頻譜。
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