頻譜分析儀的發展歷程

時間：2020/5/7閱讀：2652

頻譜分析儀是研究電信號頻譜結構的儀器，用于信號失真度、調制度、譜純度、頻率穩定度和交調失真等信號參數的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統的某些參數，是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等。現代頻譜分析儀能以模擬方式或數字方式顯示分析結果,能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號。儀器內部若采用數字電路和微處理器，具有存儲和運算功能；配置標準接口，就容易構成自動測試系統。
早期的頻譜分析儀實質上是一臺掃頻接收機，輸入信號與本地振蕩信號在混頻器變頻后，經過一組并聯的不同中心頻率的帶通濾波器，使輸入信號顯示在一組帶通濾波器限定的頻率軸上。顯然，由于帶通濾波器由無源元件構成，頻譜分析器整體上顯得很笨重，而且頻率分辨率不高。既然傅里葉變換可把輸入信號分解成分立的頻率分量，同樣可起著濾波器類似的作用，借助快速傅里葉變換電路代替低通濾波器，使頻譜分析儀的構成簡化，分辨率增高，測量時間縮短，掃頻范圍擴大，這就是現代頻譜分析儀的優點了。

傳統的頻譜分析儀的電路是在一定帶寬內可調諧的接收機，輸入信號經下變頻后由低通濾器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標圖，就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可以達到很寬的頻率，例如30HZ- 30GHZ，與外部混頻器配合，可擴展到100GHz以上，頻譜分析儀是頻率覆蓋*寬的測量儀器之一。無論測量連續信號或調制信號，頻譜分析器都是很理想的測量工具。
但是，傳統的頻譜分析儀也有明顯的缺點。
首先，它只適于測量穩態信號，不適宜測量瞬態事件；
第二，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標量儀器而不是矢量儀器；
第三，第三，它需要多種低頻帶通濾波器，獲得的測量結果要花費較長的時間，因此被視為非實時儀器。
既然通過傅里葉運算可以將被測信號分解成分立的頻率分量，達到與傳統頻譜分析儀同樣的結果，出現基于快速傅里葉變換（FFT）的頻譜分析儀。這種新型的頻譜分析儀采用數字方法直接由模擬/數字轉換器（ADC）對輸入信號取樣，再經FFT處理后獲得頻譜分布圖。據此可知，這種頻譜分析儀亦稱為實時頻譜分析儀，它的頻率范圍受到ADC采集速率和FFT運算速度的限制。
為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，對信號進行數據采集的ADC需要12位 -16位的分辨率，按取樣原理可知，ADC的取樣率*少等于輸入信號*高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100MHz的實時頻譜分析儀需要ADC有 200MS/S的取樣率。目前半導體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC，亦即，原理上儀器可達到2GHz的帶寬，此時垂直分辨率只有8位（256級），顯然8位分辨率過低，因此，實時頻譜分析儀適用于400MHz帶寬以下的頻段，此時具有 12位（4096級）以上的分辨率。為了擴展頻率上限，可在ADC前端增加下變頻器，本振采用直接數字事成的振蕩器，這種混合式的頻譜分析儀適合在幾 GHz以下的頻段使用。
FFT的性能用取樣點數和取樣率來表征，例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點，則*高輸入頻率是 50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點數為2048點，則分辨率提高到25Hz。由此可知，*高輸入頻率取決全取樣率，分辨率取決于取樣點數。FFT 運算時間與取樣點數成對數關系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時，要選用高速的FFT硬件，或者相應的數字信號處理器（DSP）芯片。例如，10MHz輸入頻率的1024點的運算時間80μs，而10KHz的1024點的運算時間變為64ms，1KHz的1024點的運算時間增加至 640ms。當運算時間超過200ms時，屏幕的反應變慢，不適于眼睛的觀察，補救辦法是減少取樣點數，使運算時間降低至200ms以下

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