频谱分析仪可以测量哪些信号？

来源:   作者:小编    发布时间: 2023-12-29 17:23:28   浏览: 递增失败！

频谱分析仪可以测量哪些信号？

　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。　对于时域内的周期性函数，非正弦波（如周期性方波）可以分解成频率不同的正弦波的叠加，对于单一频率的正弦波，仍可以分解出基波和各次谐波，真正纯净的正弦波是不存在的。对于时域内非周期连续时间信号可视为周期无穷大的周期连续信号。频谱分析就是测量信号的各频率分量，分析信号由哪些不同频率、相位和幅度的正弦波构成。信号的频谱分析包括对信号的所有频率特性的分析，如对幅度谱、相位谱、能量谱、功率谱等进行测量，从而获得信号在不同率上的幅度、相位、功率等信息。　常见信号的频谱有两种基本类型：　(1)离散频谱，图形呈线状，又称线状频谱。谱线之间间隔相等，每条谱线代表每个频率分量的幅度。各种周期性信号由基频和频率为基频整数倍的谐波构成，故其频谱是离散的。

　　(2)连续频谱，可视为因谱线无穷小而连成一片。非周期信号和各种随机噪声的频谱都是连续频谱，即在所测的全部频率范围内都有频率分量存在。
　　频率分析的特点
　　1、时域是唯一客观存在的域，频域是一个非真实的、遵循特定规律的数学范畴。
　　2、某些时域上较复杂的波形，频域上的显示可能较为简单。
　　实际的频谱仪通常只给出幅度谱和功率谱，不直接给出相位谱，故当两个信号的基波幅度相同时，二次谐波的幅度也相同，但基波和二次谐波的相位差不相等时，频谱仪观察到的两信号是相同的，而示波器观察到的两波形却截然不同。如图 (a)中波形①、②相位相同， (b)中波形①、②相位差180°。
　　3、对于失真很小的信号，示波器很难定量分析失真的程度，如图 (a)所示。但频 谱仪对于信号的基波和各次谐波能直接给出定量的结果，谱线数量清晰明了。
　　4、对于确定信号存在着傅里叶变换，将时域信号分解成正弦和余弦曲线的叠加，完 成信号从时域到频域的转换，变换结果为幅度谱或相位谱。对于随机信号不存在傅里叶变换，只就某些样本函数的统计特征值做出估算，如均值、方差等，对它们进行的是功率谱分析。
　　频谱分析仪的分类
　　1、按对信号的分析处理方法分类
　　按频谱仪对信号的分析处理方法，可分为模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模拟/数字混 合式频谱仪。
　　模拟式频谱仪以模拟滤波器为基础，用滤波器来实现信号中各频率成分的分离，主要用于射频和微波频段。
　　数字式频谱仪以数字滤波器或FFT为基础构成。数字式频谱仪精度高、性能灵活，受数字系统工作频率的限制，主要用于低频和超低频段。
　　2、按对信号处理的实时性分类
　　按频谱仪对信号处理的实时性分类，可分为实时频谱仪和非实时频谱仪。
　　实时和非实时的分类方法主要针对频率较低或频段覆盖较窄的频谱仪而言。所谓“实时”并非指时间上的快速，实时分析应达到的速度与被分析信号的带宽及所要求的频率分辨率有关。一般认为，实时分析是指在长度为T的时间段内，能够完成频率分辨率达1/T的谱分析；或待分析信号的带宽小于仪器所能同时分析的最大带宽。显然，在一定频率范围内讨论实时分析才有现实意义：在该范围内，数据分析速度与数据采集速度相匹配，不会发生数据积压现象，这样的分析就是实时的；如果待分析的信号带宽超过这个范围，则分析变成非实时的。
　　3、按频谱仪的频率轴刻度类型分类
　　按频谱仪的频率轴刻度类型分类，可分为恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪。
　　恒带宽分析式频谱仪的频率轴为线性刻度，信号的基频分量和各次谐波分量在频谱上等间距排列，适用于周期信号的分析和波形失真分析。恒百分比带宽分析式频谱仪的频率轴采用对数刻度，可以覆盖较宽的频率范围，能够兼顾高、低频段的频率分辨率，适用于噪声类广谱随机信号分析。现在，许多数字式频谱仪可以实现不同带宽的FFT分析以及两 种频率刻度的显示，所以，对于数字式频谱仪而言这种分类并不适用。
　　此外，按工作频带分类，可分为高频频谱仪、低频频谱仪、射频频谱仪、微波频谱仪等；按基本工作原理，可分为扫描式频谱仪和非扫描式频谱仪等。
　　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，其组成框图如下图所示。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：最低采样速率应 该大于或等于被采样信号最高频率的两倍，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，其组成框图如下图所示。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