頻譜分析儀的發(fā)展歷程

 頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，可用以測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測(cè)量?jī)x器。它又可稱(chēng)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(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果,能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無(wú)線電頻段的電信號(hào)。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲(chǔ)和運(yùn)算功能；配置標(biāo)準(zhǔn)接口，就容易構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。
早期的頻譜分析儀實(shí)質(zhì)上是一臺(tái)掃頻接收機(jī)，輸入信號(hào)與本地振蕩信號(hào)在混頻器變頻后，經(jīng)過(guò)一組并聯(lián)的不同中心頻率的帶通濾波器，使輸入信號(hào)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(wú)源元件構(gòu)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(hào)分解成分立的頻率分量，同樣可起著濾波器類(lèi)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(gòu)成簡(jiǎn)化，分辨率增高，測(cè)量時(shí)間縮短，掃頻范圍擴(kuò)大，這就是現(xiàn)代頻譜分析儀的優(yōu)點(diǎn)了。

傳統(tǒng)的頻譜分析儀的電路是在一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機(jī)，輸入信號(hào)經(jīng)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(biāo)圖，就是輸入信號(hào)的頻譜圖。由于變頻器可以達(dá)到很寬的頻率，例如30HZ- 30GHZ，與外部混頻器配合，可擴(kuò)展到100GHz以上，頻譜分析儀是頻率覆蓋*寬的測(cè)量?jī)x器之一。無(wú)論測(cè)量連續(xù)信號(hào)或調(diào)制信號(hào)，頻譜分析器都是很理想的測(cè)量工具。
但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn)。
首先，它只適于測(cè)量穩(wěn)態(tài)信號(hào)，不適宜測(cè)量瞬態(tài)事件；
第二，它只能測(cè)量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標(biāo)量?jī)x器而不是矢量?jī)x器；
第三，第三，它需要多種低頻帶通濾波器，獲得的測(cè)量結(jié)果要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，因此被視為非實(shí)時(shí)儀器。
既然通過(guò)傅里葉運(yùn)算可以將被測(cè)信號(hào)分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果，出現(xiàn)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(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)輸入信號(hào)取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。據(jù)此可知，這種頻譜分析儀亦稱(chēng)為實(shí)時(shí)頻譜分析儀，它的頻率范圍受到ADC采集速率和FFT運(yùn)算速度的限制。
為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(hào)*高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100MHz的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要ADC有 200MS/S的取樣率。目前半導(dǎo)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(dá)到2GHz的帶寬，此時(shí)垂直分辨率只有8位（256級(jí)），顯然8位分辨率過(guò)低，因此，實(shí)時(shí)頻譜分析儀適用于400MHz帶寬以下的頻段，此時(shí)具有 12位（4096級(jí)）以上的分辨率。為了擴(kuò)展頻率上限，可在ADC前端增加下變頻器，本振采用直接數(shù)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(diǎn)數(shù)和取樣率來(lái)表征，例如用100KS/S的取樣率對(duì)輸入信號(hào)取樣1024點(diǎn)，則*高輸入頻率是 50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn)，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(diǎn)數(shù)。FFT 運(yùn)算時(shí)間與取樣點(diǎn)數(shù)成對(duì)數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí)，要選用高速的FFT硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片。例如，10MHz輸入頻率的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間80μs，而10KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間變?yōu)?4ms，1KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間增加至 640ms。當(dāng)運(yùn)算時(shí)間超過(guò)200ms時(shí)，屏幕的反應(yīng)變慢，不適于眼睛的觀察，補(bǔ)救辦法是減少取樣點(diǎn)數(shù)，使運(yùn)算時(shí)間降低至200ms以下

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