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简谈频谱分析仪

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  • 发布时间:2015/9/25 16:26:49
  • 作者:ljl_yinhe

信号的描述

  通常对一个信号特征的描述,可以在时域,频域和调制域三个域内进行。信号的时间和幅度构成时域,频率和幅度构成频域,时间和频率构成调制域。

时域、频域、调制域

  图1 时域、频域、调制域

信号的观测

  在时域中对信号进行观测,使用的仪器是示波器,它可以获得信号的时域波形,并且能够很直观地在屏幕上展示出信号在时间轴上的各种时域特性;在频域测试中采用的仪器则是频谱分析仪,它的基本功能是测量信号的幅度和频率响应。有些测量场合需要获得信号的频率、幅度、相位以及网络等信息,这时就是在调制域内进行的测量,通常用到的测量仪器是矢量网络分析仪。

信号的频谱分析

  对于一个电信号的研究,我们可以分析它随时间变化的特性,也可以由它所包含的频率分量(即频谱分布)来描述,对信号进行频谱分析,可以得到信号的频率结构,了解信号的频率成分或系统的特征。频谱分析是揭示信号特征的重要方法,也是处理信号的重要手段。

信号的频谱分析

  图2信号的频谱分析

频谱分析仪的历程

  频谱分析仪作为信号频域测量的主要工具,它能自动分析电信号并在整个频谱上显示出全部频率分量情况,以及各频率成分之间的相对强弱关系(各频率成分的幅值),其发展也经历了从传统的模拟式到现代的数字式。

01传统频谱分析仪

  早期的频谱分析仪,是基于模拟信号处理的,前端电路是一系列带宽相同,但中心频率以带宽为步进等差递增的带通滤波器,被测信号通过带通滤波器滤波后,再分别通过各频率检波器检波,得出各频率成分的大小,最后再通过显示屏显示出来。

传统频谱分析仪原理示意图

  图3传统频谱分析仪原理示意图

  将采用这种方式实现的频谱分析仪称为带通滤波器频谱分析仪,其最大优点是动态响应能强,能迅速跟踪信号频谱随时间的变化,但其最大的缺点是:1、频率分辨率低;2、需要大量的滤波器;3、仪器稳定性不高。为了保证分析仪的频率分辨率,需要使用通频带很窄的滤波器,所需窄带滤波器的数量随着测量频率范围增大及频率分辨率的提高而增加,并且由于模拟滤波器中心频率会随时间、环境温度“漂移”,因此制造高稳定度、高精度的的这种频谱分析仪比较困难。

02现代频谱分析仪

  随着数字电路的发展,数字信号处理技术的成熟,利用微处理器对信号进行处理已成为通用的方法。

  现代频谱分析仪通常的架构是采用FPGA+DSP的方式,首先由PFGA控制模数转换芯片(ADC)进行高速采样,将模拟信号转换为数字信号,然后通过DSP对数据进行傅里叶变换成频域信号获得频谱信息。这种频谱分析仪为获得真实的信息并且不失真,对被测信号进行数据采集时 ADC的采样频率最少等于输入信号最高频率的两倍。