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频谱分析仪的工作原理和用途

分类:技术中心 160人浏览 2021-08-17
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频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器,用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量,可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数,是一种多用途的电子测量仪器。


它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果,能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部若采用数字电路和微处理器,具有存储和运算功能;配置标准接口,就容易构成自动测试系统。


频谱分析仪的工作原理


1、模拟式频谱仪


(1)并行滤波实时频谱仪


并行滤波实时频谱仪又称为多通道滤波式频谱分析仪,其组成框图如下图所示。信号同时加到通带互相衔接的多个带通滤波器中,各个频率同时被检波,经电子开关轮流显示在荧光屏上,实现实时测量。此种频谱仪不仅能分析周期信号、随机信号,还能分析瞬时信号。


(2)挡级滤波器式频谱仪


挡级滤波器式频谱仪又称顺序滤波式频谱仪。与并行滤波实时频谱仪不同,将电子开关加在检波器前,减少了检波器数量,滤波后信号经公共检波 器检波后,送至荧光屏,是一种非实时测量。


并行滤波实时频谱仪、挡级滤波器式频谱仪受滤波器数量及带宽的限制,这类频谱仪常用在等百分比带宽的低频频谱仪中。


(3)外差式频谱仪


外差式频谱仪利用外差式接收机原理,将本机振荡器产生的频率可变的扫频信号与被分析信号进行差频,差频所得固定中频信号送入窄带滤波器,由后级电路进行测量分析,由此依次获得被测信号不同频率分量的幅值信息。外差式频谱仪组成框图如下图所示:


由于差频频率固定,且放大器的增益带宽积是常数,所以窄带中频放大器可获得很高的增益,因此外差式频谱仪具有频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变的优点,高频频谱仪几乎全部采用外差式。


2、数字式频谱仪


(1)数字滤波式实时频谱仪


数字滤波式实时频谱仪的组成框图如下图所示,仅用一个数字滤波器,即构成与模拟式频谱仪中并行滤波法等效的实时频谱仪。由于数字滤波器性能优越,可以实现频分和时分复用,完成频谱测量。同时数字滤波器输出的是序列数字量,因而可以进行数字平方检波和均方运算,大大提高了检波精度和动态范围。该方法受到数字器件资源的限制,无法设置足够多的数字滤波器,从而无法实现高频率分辨率和高扫频宽度。


(2)快速傅里叶频谱仪


快速傅里叶频谱仪的组成框图如下图所示,其核心技术是傅里叶变换(FFT分析),得到被分析信号的离散频谱,再经平方获得功率谱。根据采样定理:采样速率应 该大于或等于被采样信号频率的两倍,故快速傅里叶频谱仪的工作频段一般在低频范 围,己成为低频频谱分析的主要方法。


(3)数字外差式频谱仪


数字外差式频谱仪融合了外差扫描、数字信号处理及实时分析技术,利用数字可编程器件实现模拟外差式频谱仪中的各模块。输入信号经过高速 A/D转换送入处理器,在硬件乘法器内与数字荧光示波器产生的本振扫频信号混频,变频 后信号分别进入低通数字滤波器,提取滤波后的信号幅值,结合当前频率,在显示器上显 示信号频谱。


相比模拟外差式频谱仪,数字外差式频谱仪不仅测量速度快,还能对频谱信号实现存储和分析。相比傅里叶频谱仪和数字滤波式频谱仪,数字外差式频谱仪只使用一个固定截止频率的低通滤波器,节省资源,同时省去大容量的存储器,在保证系统精度的前提下,提高了系统集成度。



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