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 頻譜分析儀的原理與特點

檢測設備

來源:檢測儀 點擊數:4035次 更新時間:2017-1-9 14:16:19
內容詳細:

  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,F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。

  在實驗室和車間常用的信號測試儀器是電子示波器。人的思維對時間概念比較敏感,每時每刻都與時域事件發生聯系,但是信號往往以頻率形式出現,用示波器觀察更簡單的調幅載波信號也不方便,往往顯示載波時看不清調制儀,屏幕上獲得的是三條譜線,即載頻和在載頻左右的調制頻。調制方式越復雜,電子示波器越難顯示,頻譜分析器的表達能力強,頻譜分析儀是名副其實的頻域儀器的代表。溝通時間一頻率的數字表達方法就是傅里葉變換,它把時間信號分解成正弦和余弦曲線的疊加,完成信號由時間域轉換到頻率域的過程。

  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。

  矢量信號分析儀是在預定頻率范圍內自動測量電路增益與相應的儀器,它有內部的掃頻頻率源或可控制的外部信號源。其功能是測量對輸入該掃頻信號的被測電路的增益與相位,因而它的電路結構與頻譜分析儀相似。頻譜分析儀需要測量未知的和任意的輸入頻率,矢量信號分析儀則只測量自身的或受控的已知頻率;頻譜分析儀只測量輸入信號的幅度(標量儀器),矢量信號分析儀則測量輸入信號的幅度和相位(矢量儀器)。由此可見,矢量信號分析儀的電路結構比頻譜分析儀復雜,價位也較高,F代的矢量信號分析儀也采用快速傅里葉變換,以下介紹它們的異同。

  頻譜分析儀和FFT頻譜分析儀

  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更寬的測量儀器之一。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,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的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍,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,則最高輸入頻率是 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,最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。

  矢量網絡分析儀

  對于頻譜分析和電磁干擾測量來說,頻譜分析儀是通信測量儀器中常用的設備,由于具有大于100dB的動態范圍、低于-110dBc/Hz的噪聲、 1Hz-100Hz的帶寬、50GHz以上的頻率范圍,能夠接收到極微弱的信號和分辨出兩個幅度相差很大的信號。頻譜分析儀的缺點是只能顯示頻率分量的幅值,而不能獲得信號的相位。對于某些通信元器件和通信鏈路,幅值和相位必須能夠同時測量出來,前者如放大器和振蕩器,后者是第一代至第三代的移動通信。

  前面曾提及,為了擴大基于FFT的頻譜分析儀的頻率范圍,可在前端增加下變頻器。同樣原理可用于矢量信號分析儀,它是傳統頻譜分析儀與FFT分析儀的結合,從而獲得在高頻和射頻頻率下的FFT分析能力,同時顯示幅度和相位信息。對于現代通信的數字調制分析,以及調幅/調頻/調相的解調都是非常有效的手段。

  頻譜分析儀的變頻前端擴展儀器到GHz的頻段,經變頻后的輸入信號頻率變成適于FFT處理的頻段,電路中的濾波器與頻譜分析儀的濾波器不同,這里的濾波器不是選擇性的,而防止ADC變換過程產生的信號混疊,即變換過程中出現的虛假信號。ADC的輸出分成兩路,獲得同相和正交信號,經DSP 作時間一頻率的FFT運算后由顯示屏獲得頻譜的幅度和相位。

  目前儀器公司供應的矢量信號分析器的頻率范圍可達3GHz,測量對象是復雜的移動通信常用頻段的調制信號,如GSM、CDMA的基帶特性和載波特性。矢量信號分析儀的測量模式有:標量、矢量、數字解調和門控測量。觸發可由基帶輸入信號或由中頻信號調節,包括觸發電平和相位。掃頻方式有單次和連續,對測量數據可多次平均,并用有效值(RMS)、峰值保持和指數坐標指示。

  一種新型的矢量信號分析器的重要特性是:頻率范圍-DC--2.7GHz;基帶帶寬--40MHz;中頻帶寬36MHz;率分辨率--0.001HZ;時基準確度--0.2ppm/年;相位噪聲--97dBc/Hz(載波偏移100Hz),-122dBc/Hz(載波偏移1khz)幅度范圍 -45-+20dBm;幅度準確度--正負2dB;三階互調失真---70dB。應用領域是衛星通信、擴頻跳頻通信、點到點通信、以及頻率監控和搜索。以移動通信的碼分多址(CDMA)來說,利用配套的分析軟件,可以獲得:

  發射機的平均載波功率

  功率隨時間的變化

  相位和頻率誤差

  鄰近信道功率比

  偽隨機噪聲序列的調制精度

  近距離寄發生發射頻率

  頻譜測量和波形測量

  在無線基站或移動電話的產品開發和產品檢驗中,矢量信號分析儀可按多種工業標準,對GSM、CDMA等的發射機和手機進行嚴格的精度和動態范圍測量。在CDMA等通信產品生產中,只利用連續測量是不夠的,利用數字調制信號可方便地測出輸出功率和失真等重要參數。

  矢量信號分析儀采用Windows平臺,容易通過外接微機進行數據處理和交換,Windows平臺便于性能升級和利用其他工程設計工具,熟識的圖形界面可縮短學習時間,留出更多的時間進行測量和應用各種設計及測試工具。

  數字存儲示波器的頻譜測量

  數字存儲示波器(DSO)的前端就是ADC變換,因而同樣具有頻譜分析能力,通過標準或選購的FFT模塊獲得頻譜分析特性。應該指出,DSO主要特點是時域測量,帶寬100MHz的產品具有10位以上的垂直分辨率,帶寬500MHz的產品只有8位的分辨率,亦即在分辨率上低于頻譜分析儀的12位-16 位。DSO的前置放大器和衰減器引入瞬態失真,容易在頻譜圖上表現為低電平的譜波噪聲。

  特別是高頻數字在存儲示波器,它采用交疊的ADC來提高取樣率,例如每塊ADC的取樣率是1Gs/s,兩塊疊加起來獲得2Gs/s的取樣率。這是簡便的提高有效帶寬的辦法,但用于頻譜顯示時,各ADC的線性度、增益、頻率響應和取樣定時稍有差別,都會在取樣時鐘脈沖交疊取樣過程中引入頻譜失真,相當多了一組Fs/N的取樣脈沖,這里Fs是基本取樣頻率,N是交疊的ADC數。這種電路自身產生的混疊信號不容易用濾波器消除,用DSO測量高頻信號時要非常小心在頻譜圖上出現的混疊信息。例如,利用上述兩塊取樣率 1Gs/s ADC構成的DSO來觀察100MHz正弦波時,會在900、1100MHz附近出現虛假信號。由此可見,DSO觀察時域信號是更好的儀器,由于頻域變換后往往出現虛假信號,測量頻譜特性時一定要注意“去偽存真”。

  頻譜分析儀的頻率范圍更寬,靈敏度高,非常適于通信設備和鏈路的頻率分布測量,缺點是只能獲得輸入信號的幅值。矢量信號分析儀頻率范圍較低,利用FFT的特點能夠同時獲得幅度和相位,特別地第一、二、三代移動通信,包括蜂窩、GSM和CDMA設備的測量。

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