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频谱分析仪原理等介绍
[ 2011-3-23 ] [转载请注明来源：就是要仪器网 www.94117.net]
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。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果,能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。
在实验室和车间最常用的信号测试仪器是电子示波器。人的思维对时间概念比较敏感，每时每刻都与时域事件发生联系，但是信号往往以频率形式出现，用示波器观察最简单的调幅载波信号也不方便，往往显示载波时看不清调制仪，屏幕上获得的是三条谱线，即载频和在载频左右的调制频。调制方式越复杂，电子示波器越难显示，频谱分析器的表达能力强，频谱分析仪是名副其实的频域仪器的代表。沟通时间一频率的数字表达方法就是傅里叶变换，它把时间信号分解成正弦和余弦曲线的叠加，完成信号由时间域转换到频率域的过程。
早期的频谱分析仪实质上是一台扫频接收机，输入信号与本地振荡信号在混频器变频后，经过一组并联的不同中心频率的带通滤波器，使输入信号显示在一组带通滤波器限定的频率轴上。显然，由于带通滤波器由无源元件构成，频谱分析器整体上显得很笨重，而且频率分辨率不高。既然傅里叶变换可把输入信号分解成分立的频率分量，同样可起着滤波器类似的作用，借助快速傅里叶变换电路代替低通滤波器，使频谱分析仪的构成简化，分辨率增高，测量时间缩短，扫频范围扩大，这就是现代频谱分析仪的优点了。
矢量信号分析仪是在预定频率范围内自动测量电路增益与相应的仪器，它有内部的扫频频率源或可控制的外部信号源。其功能是测量对输入该扫频信号的被测电路的增益与相位，因而它的电路结构与频谱分析仪相似。频谱分析仪需要测量未知的和任意的输入频率，矢量信号分析仪则只测量自身的或受控的已知频率；频谱分析仪只测量输入信号的幅度（标量仪器），矢量信号分析仪则测量输入信号的幅度和相位（矢量仪器）。由此可见，矢量信号分析仪的电路结构比频谱分析仪复杂，价位也较高。现代的矢量信号分析仪也采用快速傅里叶变换，以下介绍它们的异同。
频谱分析仪和FFT频谱分析仪
传统的频谱分析仪的电路是在一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经下变频后由低通滤器输出，滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率，例如30HZ- 30GHZ，与外部混频器配合，可扩展到100GHz以上，频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一。无论测量连续信号或调制信号，频谱分析器都是很理想的测量工具。
但是，传统的频谱分析仪也有明显的缺点。首先，它只适于测量稳态信号，不适宜测量瞬态事件；第二，它只能测量频率的幅度，缺少相位信息，因此属于标量仪器而不是矢量仪器；第三，它需要多种低频带通滤波器，获得的测量结果要花费较长的时间，因此被视为非实时仪器。
既然通过傅里叶运算可以将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的结果，出现基于快速傅里叶变换（FFT）的频谱分析仪。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器（ADC）对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱分布图。据此可知，这种频谱分析仪亦称为实时频谱分析仪，它的频率范围受到ADC采集速率和FFT运算速度的限制。
为获得良好的仪器线性度和高分辨率，对信号进行数据采集的ADC需要12位 -16位的分辨率，按取样原理可知，ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍，亦即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有 200MS/S的取样率。目前半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC，亦即，原理上仪器可达到2GHz的带宽，此时垂直分辨率只有8位（256级），显然8位分辨率过低，因此，实时频谱分析仪适用于400MHz带宽以下的频段，此时具有 12位（4096级）以上的分辨率。为了扩展频率上限，可在ADC前端增加下变频器，本振采用直接数字事成的振荡器，这种混合式的频谱分析仪适合在几 GHz以下的频段使用。
FFT的性能用取样点数和取样率来表征，例如用100KS/S的取样率对输入信号取样1024点，则最高输入频率是 50KHz和分辨率是50Hz。如果取样点数为2048点，则分辨率提高到25Hz。由此可知，最高输入频率取决全取样率，分辨率取决于取样点数。FFT 运算时间与取样点数成对数关系，频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时，要选用高速的FFT硬件，或者相应的数字信号处理器（DSP）芯片。例如，10MHz输入频率的1024点的运算时间80μs，而10KHz的1024点的运算时间变为64ms，1KHz的1024点的运算时间增加至 640ms。当运算时间超过200ms时，屏幕的反应变慢，不适于眼睛的观察，补救办法是减少取样点数，使运算时间降低至200ms以下。
矢量网络分析仪
对于频谱分析和电磁干扰测量来说，频谱分析仪是通信测量仪器中常用的设备，由于具有大于100dB的动态范围、低于-110dBc/Hz的噪声、 1Hz-100Hz的带宽、50GHz以上的频率范围，能够接收到极微弱的信号和分辨出两个幅度相差很大的信号。频谱分析仪的缺点是只能显示频率分量的幅值，而不能获得信号的相位。对于某些通信元器件和通信链路，幅值和相位必须能够同时测量出来，前者如放大器和振荡器，后者是第一代至第三代的移动通信。
前面曾提及，为了扩大基于FFT的频谱分析仪的频率范围，可在前端增加下变频器。同样原理可用于矢量信号分析仪，它是传统频谱分析仪与FFT分析仪的结合，从而获得在高频和射频频率下的FFT分析能力，同时显示幅度和相位信息。对于现代通信的数字调制分析，以及调幅/调频/调相的解调都是非常有效的手段。
频谱分析仪的变频前端扩展仪器到GHz的频段，经变频后的输入信号频率变成适于FFT处理的频段，电路中的滤波器与频谱分析仪的滤波器不同，这里的滤波器不是选择性的，而防止ADC变换过程产生的信号混叠，即变换过程中出现的虚假信号。ADC的输出分成两路，获得同相和正交信号，经DSP 作时间一频率的FFT运算后由显示屏获得频谱的幅度和相位。
目前仪器公司供应的矢量信号分析器的频率范围可达3GHz，测量对象是复杂的移动通信常用频段的调制信号，如GSM、CDMA的基带特性和载波特性。矢量信号分析仪的测量模式有：标量、矢量、数字解调和门控测量。触发可由基带输入信号或由中频信号调节，包括触发电平和相位。扫频方式有单次和连续，对测量数据可多次平均，并用有效值（RMS）、峰值保持和指数坐标指示。
一种新型的矢量信号分析器的重要特性是：频率范围-DC--2.7GHz;基带带宽--40MHz;中频带宽36MHz;率分辨率--0.001HZ;时基准确度--0.2ppm/年；相位噪声--97dBc/Hz（载波偏移100Hz）,-122dBc/Hz（载波偏移1khz）幅度范围 -45-+20dBm；幅度准确度--正负2dB；三阶互调失真---70dB。应用领域是卫星通信、扩频跳频通信、点到点通信、以及频率监控和搜索。以移动通信的码分多址（CDMA）来说，利用配套的分析软件，可以获得：
发射机的平均载波功率
功率随时间的变化
相位和频率误差
邻近信道功率比
伪随机噪声序列的调制精度
近距离寄发生发射频率
频谱测量和波形测量
在无线基站或移动电话的产品开发和产品检验中，矢量信号分析仪可按多种工业标准，对GSM、CDMA等的发射机和手机进行严格的精度和动态范围测量。在CDMA等通信产品生产中，只利用连续测量是不够的，利用数字调制信号可方便地测出输出功率和失真等重要参数。
矢量信号分析仪采用Windows平台，容易通过外接微机进行数据处理和交换，Windows平台便于性能升级和利用其他工程设计工具，熟识的图形界面可缩短学习时间，留出更多的时间进行测量和应用各种设计及测试工具。
数字存储示波器的频谱测量
数字存储示波器（DSO）的前端就是ADC变换，因而同样具有频谱分析能力，通过标准或选购的FFT模块获得频谱分析特性。应该指出，DSO主要特点是时域测量，带宽100MHz的产品具有10位以上的垂直分辨率，带宽500MHz的产品只有8位的分辨率，亦即在分辨率上低于频谱分析仪的12位-16 位。DSO的前置放大器和衰减器引入瞬态失真，容易在频谱图上表现为低电平的谱波噪声。
特别是高频数字在存储示波器，它采用交叠的ADC来提高取样率，例如每块ADC的取样率是1Gs/s，两块叠加起来获得2Gs/s的取样率。这是简便的提高有效带宽的办法，但用于频谱显示时，各ADC的线性度、增益、频率响应和取样定时稍有差别，都会在取样时钟脉冲交叠取样过程中引入频谱失真，相当多了一组Fs/N的取样脉冲，这里Fs是基本取样频率，N是交叠的ADC数。这种电路自身产生的混叠信号不容易用滤波器消除，用DSO测量高频信号时要非常小心在频谱图上出现的混叠信息。例如，利用上述两块取样率 1Gs/s ADC构成的DSO来观察100MHz正弦波时，会在900、1100MHz附近出现虚假信号。由此可见，DSO观察时域信号是最好的仪器，由于频域变换后往往出现虚假信号，测量频谱特性时一定要注意“去伪存真”。
小结
频谱分析仪的频率范围最宽，灵敏度高，非常适于通信设备和链路的频率分布测量，缺点是只能获得输入信号的幅值。矢量信号分析仪频率范围较低，利用FFT的特点能够同时获得幅度和相位，特别地第一、二、三代移动通信，包括蜂窝、GSM和CDMA设备的测量。
早期的频谱分析仪实质上是一台扫频接收机，输入信号与本地振荡信号在混频器变频后，经过一组并联的不同中心频率的带通滤波器，使输入信号显示在一组带通滤波器限定的频率轴上。显然，由于带通滤波器由无源元件构成，频谱分析器整体上显得很笨重，而且频率分辨率不高。既然傅里叶变换可把输入信号分解成分立的频率分量，同样可起着滤波器类似的作用，借助快速傅里叶变换电路代替低通滤波器，使频谱分析仪的构成简化，分辨率增高，测量时间缩短，扫频范围扩大，这就是现代频谱分析仪的优点了。
矢量信号分析仪是在预定频率范围内自动测量电路增益与相应的仪器，它有内部的扫频频率源或可控制的外部信号源。其功能是测量对输入该扫频信号的被测电路的增益与相位，因而它的电路结构与频谱分析仪相似。频谱分析仪需要测量未知的和任意的输入频率，矢量信号分析仪则只测量自身的或受控的已知频率；频谱分析仪只测量输入信号的幅度（标量仪器），矢量信号分析仪则测量输入信号的幅度和相位（矢量仪器）。由此可见，矢量信号分析仪的电路结构比频谱分析仪复杂，价位也较高。现代的矢量信号分析仪也采用快速傅里叶变换，以下介绍它们的异同。
频谱分析仪和FFT频谱分析仪
传统的频谱分析仪的电路是在一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经下变频后由低通滤器输出，滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率，例如30HZ- 30GHZ，与外部混频器配合，可扩展到100GHz以上，频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一。无论测量连续信号或调制信号，频谱分析器都是很理想的测量工具。
但是，传统的频谱分析仪也有明显的缺点。首先，它只适于测量稳态信号，不适宜测量瞬态事件；第二，它只能测量频率的幅度，缺少相位信息，因此属于标量仪器而不是矢量仪器；第三，它需要多种低频带通滤波器，获得的测量结果要花费较长的时间，因此被视为非实时仪器。
既然通过傅里叶运算可以将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的结果，出现基于快速傅里叶变换（FFT）的频谱分析仪。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器（ADC）对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱分布图。据此可知，这种频谱分析仪亦称为实时频谱分析仪，它的频率范围受到ADC采集速率和FFT运算速度的限制。
为获得良好的仪器线性度和高分辨率，对信号进行数据采集的ADC需要12位 -16位的分辨率，按取样原理可知，ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍，亦即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有 200MS/S的取样率。目前半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC，亦即，原理上仪器可达到2GHz的带宽，此时垂直分辨率只有8位（256级），显然8位分辨率过低，因此，实时频谱分析仪适用于400MHz带宽以下的频段，此时具有 12位（4096级）以上的分辨率。为了扩展频率上限，可在ADC前端增加下变频器，本振采用直接数字事成的振荡器，这种混合式的频谱分析仪适合在几 GHz以下的频段使用。
FFT的性能用取样点数和取样率来表征，例如用100KS/S的取样率对输入信号取样1024点，则最高输入频率是 50KHz和分辨率是50Hz。如果取样点数为2048点，则分辨率提高到25Hz。由此可知，最高输入频率取决全取样率，分辨率取决于取样点数。FFT 运算时间与取样点数成对数关系，频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时，要选用高速的FFT硬件，或者相应的数字信号处理器（DSP）芯片。例如，10MHz输入频率的1024点的运算时间80μs，而10KHz的1024点的运算时间变为64ms，1KHz的1024点的运算时间增加至 640ms。当运算时间超过200ms时，屏幕的反应变慢，不适于眼睛的观察，补救办法是减少取样点数，使运算时间降低至200ms以下。
矢量网络分析仪
对于频谱分析和电磁干扰测量来说，频谱分析仪是通信测量仪器中常用的设备，由于具有大于100dB的动态范围、低于-110dBc/Hz的噪声、 1Hz-100Hz的带宽、50GHz以上的频率范围，能够接收到极微弱的信号和分辨出两个幅度相差很大的信号。频谱分析仪的缺点是只能显示频率分量的幅值，而不能获得信号的相位。对于某些通信元器件和通信链路，幅值和相位必须能够同时测量出来，前者如放大器和振荡器，后者是第一代至第三代的移动通信。
前面曾提及，为了扩大基于FFT的频谱分析仪的频率范围，可在前端增加下变频器。同样原理可用于矢量信号分析仪，它是传统频谱分析仪与FFT分析仪的结合，从而获得在高频和射频频率下的FFT分析能力，同时显示幅度和相位信息。对于现代通信的数字调制分析，以及调幅/调频/调相的解调都是非常有效的手段。
频谱分析仪的变频前端扩展仪器到GHz的频段，经变频后的输入信号频率变成适于FFT处理的频段，电路中的滤波器与频谱分析仪的滤波器不同，这里的滤波器不是选择性的，而防止ADC变换过程产生的信号混叠，即变换过程中出现的虚假信号。ADC的输出分成两路，获得同相和正交信号，经DSP 作时间一频率的FFT运算后由显示屏获得频谱的幅度和相位。
目前仪器公司供应的矢量信号分析器的频率范围可达3GHz，测量对象是复杂的移动通信常用频段的调制信号，如GSM、CDMA的基带特性和载波特性。矢量信号分析仪的测量模式有：标量、矢量、数字解调和门控测量。触发可由基带输入信号或由中频信号调节，包括触发电平和相位。扫频方式有单次和连续，对测量数据可多次平均，并用有效值（RMS）、峰值保持和指数坐标指示。
一种新型的矢量信号分析器的重要特性是：频率范围-DC--2.7GHz;基带带宽--40MHz;中频带宽36MHz;率分辨率--0.001HZ;时基准确度--0.2ppm/年；相位噪声--97dBc/Hz（载波偏移100Hz）,-122dBc/Hz（载波偏移1khz）幅度范围 -45-+20dBm；幅度准确度--正负2dB；三阶互调失真---70dB。应用领域是卫星通信、扩频跳频通信、点到点通信、以及频率监控和搜索。以移动通信的码分多址（CDMA）来说，利用配套的分析软件，可以获得：
发射机的平均载波功率
功率随时间的变化
相位和频率误差
邻近信道功率比
伪随机噪声序列的调制精度
近距离寄发生发射频率
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在无线基站或移动电话的产品开发和产品检验中，矢量信号分析仪可按多种工业标准，对GSM、CDMA等的发射机和手机进行严格的精度和动态范围测量。在CDMA等通信产品生产中，只利用连续测量是不够的，利用数字调制信号可方便地测出输出功率和失真等重要参数。
矢量信号分析仪采用Windows平台，容易通过外接微机进行数据处理和交换，Windows平台便于性能升级和利用其他工程设计工具，熟识的图形界面可缩短学习时间，留出更多的时间进行测量和应用各种设计及测试工具。
数字存储示波器的频谱测量
数字存储示波器（DSO）的前端就是ADC变换，因而同样具有频谱分析能力，通过标准或选购的FFT模块获得频谱分析特性。应该指出，DSO主要特点是时域测量，带宽100MHz的产品具有10位以上的垂直分辨率，带宽500MHz的产品只有8位的分辨率，亦即在分辨率上低于频谱分析仪的12位-16 位。DSO的前置放大器和衰减器引入瞬态失真，容易在频谱图上表现为低电平的谱波噪声。
特别是高频数字在存储示波器，它采用交叠的ADC来提高取样率，例如每块ADC的取样率是1Gs/s，两块叠加起来获得2Gs/s的取样率。这是简便的提高有效带宽的办法，但用于频谱显示时，各ADC的线性度、增益、频率响应和取样定时稍有差别，都会在取样时钟脉冲交叠取样过程中引入频谱失真，相当多了一组Fs/N的取样脉冲，这里Fs是基本取样频率，N是交叠的ADC数。这种电路自身产生的混叠信号不容易用滤波器消除，用DSO测量高频信号时要非常小心在频谱图上出现的混叠信息。例如，利用上述两块取样率 1Gs/s ADC构成的DSO来观察100MHz正弦波时，会在900、1100MHz附近出现虚假信号。由此可见，DSO观察时域信号是最好的仪器，由于频域变换后往往出现虚假信号，测量频谱特性时一定要注意“去伪存真”。
小结
频谱分析仪的频率范围最宽，灵敏度高，非常适于通信设备和链路的频率分布测量，缺点是只能获得输入信号的幅值。矢量信号分析仪频率范围较低，利用FFT的特点能够同时获得幅度和相位，特别地第一、二、三代移动通信，包括蜂窝、GSM和CDMA设备的测量。
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