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頻譜分析儀的工作原理
頻譜分析儀架構(gòu)猶如時域用途的示波器，面板上布建許多功能控制按鍵，作為系統(tǒng)功能之調(diào)整與控制，實時頻譜分析儀（Real-Time Spectrum Analyzer）與掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）。實時頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應的濾波器與檢知器（Detector），再經(jīng)由同步的多任務掃瞄器將信號傳送到CRT 屏幕上，其優(yōu)點是能顯示周期性雜散波（PeriodicRandom Waves）的瞬間反應，其缺點是價昂且性能受限于頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與的多任務交換時間（Switching Time）。
常用的頻譜分析儀是掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT 同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號（IF）再放大、濾波與檢波傳送到CRT 的垂直方向板，因此在CRT 的縱軸顯示信號振幅與頻率的對應關(guān)系，信號流程架構(gòu)如圖1.3 所示。
影響信號反應的重要部份為濾波器頻寬，濾波器之特性為高斯濾波器（Gaussian-Shaped Filter），影響的功能就是量測時常見到的解析頻寬（RBW，Resolution Bandwidth）。RBW 代表兩個不同頻率的信號能夠被清楚的分辨出來的頻寬差異，兩個不同頻率的信號頻寬如低于頻譜分析儀的RBW，此時該兩信號將重疊，難以分辨，較低的RBW 固然有助于不同頻率信號的分辨與量測，低的RBW 將濾除較高頻率的信號成份，導致信號顯示時產(chǎn)生失真，失真值與設定的RBW 密切相關(guān)，較高的RBW 固然有助于寬帶帶信號的偵測，將增加噪聲底層值（Noise Floor），降低量測靈敏度，對于偵測低強度的信號易產(chǎn)生阻礙，因此適當?shù)腞BW 寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。
另外的視頻頻寬（VBW，Video Bandwidth）代表單一信號顯示在屏幕所需的頻寬。如前所說明，量測信號時，視頻頻寬過與不及均非適宜，都將造成量測的困擾，如何調(diào)整必須加以了解。通常RBW 的頻寬大于等于VBW，調(diào)整RBW 而信號振幅并無產(chǎn)生明顯的變化，此時之RBW 頻寬即可加以采用。量測RF 視頻載波時，信號經(jīng)設備內(nèi)部的混波器降頻后再加以放大、濾波（RBW 決定）及檢波顯示等流程，若掃描太快，RBW 濾波器將無法完全充電到信號的振幅峰值，因此必須維持足夠的掃描時間，而RBW 的寬度與掃描時間呈互動關(guān)系，RBW 較大，掃描時間也較快，反之亦然，RBW 適當寬度的選擇因而顯現(xiàn)其重要性。較寬的RBW 較能充分地反應輸入信號的波形與振幅，但較低的RBW 將能區(qū)別不同頻率的信號。例如使用于6MHz 頻寬視訊頻道的量測，經(jīng)驗得知，RBW 為300kHz 與3MHz 時，載波振幅峰值并不產(chǎn)生顯著變化，量測6MHz的視頻信號通常選用300kHz 的RBW 以降低噪聲。天線信號量測時，頻譜分析儀的展頻（Span）使用100MHz，獲得較寬廣的信號頻譜需求，RBW使用3MHz。這些的量測參數(shù)并非一成不變，將會依現(xiàn)場狀況及過去量測的經(jīng)驗加以調(diào)整。

頻譜分析儀分為實時分析式和掃頻式兩類。前者能在被測信號發(fā)生的實際時間內(nèi)取得所需要的全部頻譜信息并進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信息分析。實時式頻譜分析儀主要用于非重復性、持續(xù)期很短的信號分析。非實時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，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頻率分量在混頻器內(nèi)依次進行差頻變換，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。
工作原理、用掃頻振蕩器作為超外差接收機的本機振蕩器，當選擇開關(guān)S置于1，鋸齒波掃描電壓對本機振蕩器I進行掃頻，輸入信號中的各個頻率分量在混頻器中與本機掃頻信號進行差頻，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頻率分量的振幅。掃描電壓同時加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，從而使頻幕的X坐標變成頻率坐標，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振蕩器I上進行掃頻，稱“掃前式”工作模式，具有很寬的分析頻帶。當S置于2時，也可在本機振蕩器Ⅱ上進行掃頻，稱“掃中頻式”工作模式，這時可進行窄帶頻譜分析。
實時式頻譜分析儀
在存在被測信號的有限時間內(nèi)提取信號的全部頻譜信息進行分析并顯示其結(jié)果的儀器主要用于分析持續(xù)時間很短的非重復性平穩(wěn)隨機過程和暫態(tài)過程，也能分析40兆赫以下的低頻和極低頻連續(xù)信號，能顯示幅度和相位。傅里葉分析儀是實時式頻譜分析儀，其基本工作原理是把被分析的模擬信號經(jīng)模數(shù)變換電路變換成數(shù)字信號后，加到數(shù)字濾波器進行傅里葉分析；由*處理器控制的正交型數(shù)字本地振蕩器產(chǎn)生按正弦律變化和按余弦律變化的數(shù)字本振信號，也加到數(shù)字濾波器與被測信號作傅里葉分析。正交型數(shù)字式本振是掃頻振蕩器，當其頻率與被測信號中的頻率相同時就有輸出，經(jīng)積分處理后得出分析結(jié)果供示波管顯示頻譜圖形。正交型本振用正弦和余弦信號得到的分析結(jié)果是復數(shù)，可以換算成幅度和相位。分析結(jié)果也可送到打印繪圖儀或通過標準接口與計算機相連。

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，可以進行電路或系統(tǒng)的調(diào)試，以提率或驗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。新型頻譜分析儀已經(jīng)改名叫信號分析儀，已經(jīng)成為具有重要價值的實驗室儀器，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)合通過計算機來存取數(shù)據(jù)的能力，可以快速，和重復地完成一些極其復雜的測量。
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)值計算的方法處理一定時間周期的信號，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)字信號處理來實現(xiàn)多個立濾波器相當?shù)墓δ?。從概念上講，F(xiàn)FT方法是簡單明確的：對信號進行數(shù)字化，再計算頻譜。實際上，為了使測量具有意義，還需要考慮很多因素。
FFT的實質(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間記錄中的取樣點數(shù)N，這也FFT輸出的節(jié)點數(shù)。不過，問題在于，這會增加FFT所要處理的數(shù)組長度，從而增加計算時間。FFT算法的計算時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，相應的維修費用比較高，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，開機之前，必須將電源線插頭插入標準的三相插座中，千萬不要使用沒有保護地的電源線，以防止可能造成的人身傷害。
2、在對信號進行測量前，頻譜分析儀開機后應預熱三十分鐘，當測試環(huán)境溫度改變35度時，頻譜分析儀應重新進行校準。
3、任何頻譜分析儀在輸入端口都有一個允許輸入的全功率，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出。如果頻譜分析儀不允許信號中含有直流電壓，當測量帶有直流分量的信號時，應外接一個恰當數(shù)值的電容器用于隔直流。
當對所測信號的性質(zhì)不太了解時，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，可以用它來先測一下信號電平；如果沒有功率計，則在信號電纜與頻譜儀的輸入端之間應接上一個一定量值的外部衰減器，頻譜分析儀應選擇的射頻衰減和可能的基準電平，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。
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