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1、频谱分析仪的分类秦顺友（中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄 050081）频谱分析仪是用来分析信号中所含有的频率成份的专用仪器。随着无线电和电子技术的不断发展，频谱分析仪的技术性能和测试功能日益完善。目前一些新颖高档的频谱分析仪具有大频率测量范围，高的准确度、灵敏度以及稳定度，可用来测量信号的许多参数。如功率测量、频率测量、调制测量、失真测量、噪声测量、EMC/EMI 测量等等。频谱分析仪按其结构原理可分为两大类，即模拟式频谱分析仪和数字式频谱分析仪。早期的频谱分析仪属于模拟式，目前模拟式频谱分析仪仍在广泛使用。数字式频谱分析仪是以数字滤波器或 FFT 为基础构成的，由于数字式频谱分析
2、仪受到数字系统的工作速度的限制，因此此类频谱分析仪多半使用于低频段。此外，现代一些新颖高档的频谱分析仪，即能用来测量低频信号，又能用来测量高频信号，其结构属于以上两种类型的混合，常称为“模拟数字”混合式频谱分析仪。依据频谱分析仪的实现方法和频谱测试的实现技术，频谱分析仪一般可分为：带通滤波器分析仪、快速傅立叶变换（FFT）分析仪、扫频式频谱分析仪和实时频谱分析仪。1. 带通滤波器分析仪早期实现频谱分析仪的方法就是将待测信号同时引入一系列带宽相同，但中心频率以带宽为步进等差递增的带通滤波器，再分别通过各频率检波器检波，得到各频率点功率的大小，最后再通过显示屏显示出来。这种频谱分析仪称为带通滤波器
3、频谱分析仪。图 1 所示为带通滤波器分析仪的原理方框图。按照此图进行工作的分析仪，称为带通滤波器频谱分析仪。带通滤波器频谱分析仪的最小频率分辨带宽是由带通滤波器的带宽决定的。假设带通滤波器的带宽是 100kHz，那么带通滤波器频谱分析仪的频率精度只有 100kHz。这是因为多条频率的功率谱线如果出现同一带通滤波器的 100kHz 频率范围内，那么带通滤波器的频谱分析仪的测试结果在此 100kHz 范围内，只显示一条功率谱线，带通滤波器将测出其频率范围内的能量，而不管多少频谱分量产生这一总能量。因此对紧密相邻的频谱分量，其最小频率分辨带宽受制于带通滤波器的宽带。图 1 带通滤波器分析仪的原理方框
4、图带通滤波器频谱分析仪的最大优点是能迅速跟踪信号频谱随时间的变化，但他的最大弱点是为了保证最小频率分辨率带宽，需要使用窄带滤波器，所需窄带滤波器的数量随着带通滤波器频谱分析仪的测量频率范围的增大及最小频率分辨率的减小而增加。由于这个原因，带通滤波器频谱分析仪主要用在可容纳分辨带宽非常宽的场合。2、FFT 分析仪众所周知，快速傅氏变换（FFT）可用来确定时域信号的频域表示形式（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。图 1-2 所示，为 FFT 频谱分析仪的简化原理方框图。由图 2 可知，FFT 频谱分析仪的工作原理是：首先 RF 输入信号通过一个可变衰减器，以提供
5、不同的测量范围；然后，信号通过低通滤波器，滤去频谱分析仪频率范围之外的不希望的高频分量；通过取样器，对信号波形进行取样，再用取样电路和模数转换器的共同作用变为数字形式，利用 FFT 计算波形的频谱，并将结果在显示器上显示，从而测量出信号频谱。滤波器 1滤波器 2滤波器 3滤波器 4滤波器 5RF 输入检波器检波器检波器检波器检波器 图 2 FFT 频谱分析仪的简化原理方框图FFT 频谱分析仪能完成多通道滤波器式分析仪相同的功能，但无需使用许多带通滤波器。所不同的是 FFT 分析仪采用数字信号处理来完成多个滤波器相当的功能。FFT 频谱分析仪的理论根据为均匀抽样定理和傅立叶变换。均匀抽样定理：一
6、个在频谱中不含有大于频率 fmax分量的有限频带的信号，由对该信号以不大于 1/2fmax的时间间隔进行的抽样值唯一地确定。当这样的抽样信号通过截止频率 f 的理想低通滤波器后，可以将原信号完全重建。当 FFT 频谱分析仪的模/ 数转换器的实际采样频率 fs应满足：(1-1)max2fs截止频率 f 与采样频率 fs以及 fmax的关系如下：(1-2)axax傅立叶变换：依据傅立叶变换，信号可用时域函数 f(t)完整地表示出来，也可用频域函数 F(j) 完整地表示出来，而且两者之间有密切的联系，其中只要一个确定，另一个也随之唯一地确定。所以可实现时域向频域的转换。3 扫频频谱分析仪目前常用的频
7、谱分析仪采用扫频超外差方案，与无线电接收机相似，频谱分析仪能自动在整个所关心的频带内进行扫频，显示信号幅度和频率成分。扫频频谱分析仪在低频波段已逐渐被 FFT 分析仪取代，但在射频、微波和毫米波频率范围内，扫频频谱分析仪占优势。衰减器 低通滤波器 取样器ADC模/数转换器fsF F T微处理器显示器RF 输入扫频频谱分析仪常见有两种形式，其一是调谐滤波器式频谱分析仪，这种频谱分析仪是通过在整个频率范围内移动一个带通滤波器的中心频率及带宽来工作的。中心频率自动反复在信号频谱范围内扫描，由此依次选出被测信号各频谱分量，经检波和视频放大后加至显示器的垂直偏转电路，而水平偏转电路的输入信号来自调谐滤波
8、器中心频率的扫描信号的同一扫描信号发生器，水平轴的位置就表示频率。这种频谱分析仪的优点是结构简单，价格便宜，不产生虚假信号；缺点是频谱分析仪的灵敏度低，分辨率差。其二是扫频超外差式频谱分析仪，这种频谱分析仪的工作原理普遍被现代分析仪所采用。例如美国 Agilent 公司的 Agilent 8560EC 系列频谱分析仪、Agilent ESA-E 系列频谱分析仪、Agilent 8590 系列频谱分析仪、日本安立公司的 MS2681A/MS2683A/MS2687B/MS2668C 等等，采用的都是扫频超外差式频谱分析仪。扫频超外差式频谱分析仪是把固定的窄带中频放大器作为选择频率的滤波器，把本振
9、扫频器件，频率从低到高输出一串本振信号，与输入的被测信号中的各频率分量逐个混频，使之依次变为相对应的中频频率分量，经放大、检波和视频滤波，最后在 CRT（显示器）上显示测量结果。现代无线电测量广泛使用超外差式频谱分析仪，因此关于超外差式频谱分析仪的工作原理，将在后面章节中详细介绍。4 实时频谱分析仪随着 RF 技术的不断发展，目前射频信号承载着复杂的调制技术，与过去的射频信号相比，其间歇性更高，突发性更强。它们在不同时点之间变化、跳频，快速达到峰值，然后消失，不可预测。结果使测量和分析这些信号的方式遇到了空前的挑战，传统的超外差式频谱分析仪无法实现在频域、时域或调制域中分析不同时间上瞬时信号的
10、能力。如何正确触发、捕获、全面分析和检测当前复杂随时间变化的 RF 信号？正变得越来越关键。实时频谱分析仪的出现为我们提供了在无线通信测试领域强有力的工具。实时频谱分析是指触发、捕获和分析随时间变化的 RF 信号的能力。实时频谱分析仪不仅具有频谱分析的能力，而且可同时进行时域信号的分析、调制信号分析和矢量信号分析，更重要的是能捕获连续信号、间歇性信号和随机信号，并具有实时的频率事件的触发能力。实时频谱分析的基本概念是能够触发 RF 信号，把信号无缝地捕获到内存中，并在多个域(频域、时域和调制域等)中分析信号，这样就可以可靠地检测和检定随时间变化的 RF 信号特点。图 3 所示，为实时频谱分析仪的简化原理方框图。图 3 实时频谱分析仪的简化原理方框图实时频谱分析仪可以在仪器的整个频率范围内调谐 RF 前端， 它把输入信号下变频为固定的中频 IF，然后对信号进行滤波，使用 ADC 进行数字化，最后传送到 DSP 引擎，DSP引擎管理着仪器的触发、内存和分析功能。实时频谱分析仪为提供实时触发、无缝信号捕获和时间相关多域分析而优化的。实时频谱分析仪一旦检测、采集和存储了某个 RF 信号，可以进行频域测量、时域测量和调制域测量。存储器 DSP 触发频域分析 时域分析 调制域分析 码域分析 多域相关ADCRF 下变频器衰减器 低通滤波器RF 输入IF 滤波器
