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什么是频谱分析仪?

文章出处:万家博官网 人气:发表时间:2020-08-03 10:36

  从最基础的角度考虑,我们可以把频谱分析仪理解为一种频率选择性、峰值检测的电压表,它经过校准之后显示正弦波的有效值。应当强调的是,尽管我们常用频谱分析仪来直接显示功率,但它毕竟不是功率计。当然,只要知道了正弦波的某个值(例如峰值或平均值)和测量这个值时所用的电阻值,就能够校准电压表用来指示功率。数字技术的出现赋予了现代频谱分析仪更多的功能。本指南在介绍了频谱分析仪基本原理的同时也阐述了使用数字技术和数字信号处理技术赋予这类仪器的新功能。

  在详细介绍频谱分析仪之前,读者也许会问:“什么是频谱?为何要对它进行分析?”我们已经习惯于用时间作为参照,来记录某时刻发生的事件。这种方法当然也适用于电信号。于是可以用示波器来观察某个电信号(或通过适当传感器能转换成电压的其他信号)的瞬时值随时间的变化,也就是在时域中用示波器观察信号的波形。

  然而,傅立叶1理论告诉我们,时域中的任何电信号都可以由一个或多个具有适当频率、幅度和相位的正弦波叠加而成。换句话说,任何时域信号都可以变换成相应的频域信号,通过频域测量可以得到信号在某个特定频率上的能量值。通过适当的滤波,我们能将图 1-1 中的波形分解成若干个独立的正弦波或频谱分量,然后就可以对它们进行单独分析。每个正弦波都用幅度和相位加以表征。如果我们要分析的信号是周期信号(正如本书所研究的情况),傅立叶理论指出,所包含的正弦波的频域间隔是 1/T,其中 T 是信号的周期2

  某些测量场合要求我们考察信号的全部信息 — 频率,幅度和相位,然而,即便不知道各正弦分量间的相位关系,我们也同样能实施许多的信号测量,这种分析信号的方法称为信号的频谱分析。频谱分析更容易理解,而且非常实用,因此我们今后还介绍了如何使用频谱分析仪进行信号的频谱分析。

  为了正确地从时域变换到频域,理论上必须涉及信号在整个时间范围、即在正负无穷大的范围内的各时刻的值,不过在实际测量时我们通常只取一段有限的时间长度。

  2. 若时间信号只出现一次,则 T 为无穷大,在频域中用一系列连续的正弦波表示。

  按照傅立叶变换理论,信号同样也可以从频域变换到时域,当然,这涉及理论上在正负无穷大的频率范围内对信号的所有频谱分量值作出估计。实际上,在有限带宽内进行的测量获取了信号的大部分能量,其结果是令人满意的。在对频域数据进行傅立叶变换时,各个频谱分量的相位也成为至关重要的参数。例如,在把方波变换到频域时如果不保存相位信息,再变换回来的波形可能就是锯齿波了。

  那么,在上述讨论中什么是频谱呢?正确的回答是:频谱是一组正弦波,经适当组合后,形成被考察的时域信号。图 1-1 显示了一个复合信号的波形。假定我们希望看到的是正弦波,但显然图示信号并不是纯粹的正弦形,而仅靠观察又很难确定其中的原因。

  图 1-2 同时在时域和频域显示了这个复合信号。频域图形描绘了频谱中每个正弦波的幅度随频率的变化情况。如图所示,在这种情况下,信号频谱正好由两个正弦波组成。现在我们便知道了为何原始信号不是纯正弦波,因为它还包含第二个正弦分量,在这种情况下是二次谐波。既然如此,时域测量是否过时了呢?答案是否定的。时域测量能够更好的适用于某些测量场合,而且有些测量也只能在时域中进行。例如纯时域测量中所包括的脉冲上升和下降时间、过冲和振铃等。

  频域测量同样也有它的长处。如我们已经在图 1-1 和 1-2 看到的,频域测量更适于确定信号的谐波分量。

  在无线通信领域,人们非常关心带外辐射和杂散辐射。例如在蜂窝通信系统中,必须检查载波信号的谐波成分,以防止对其他有着相同工作频率与谐波的通信系统产生干扰。工程师和技术人员对调制到载波上的信息的失真也非常关心。

  三阶交调(复合信号的两个不同频谱分量互相调制)产生的干扰相当严重,因为其失真分量可能直接落入分析带宽之内而无法滤除。

  频谱监测是频域测量的又一重要领域。政府管理机构对各种各样的无线业务分配不同的频段,例如广播电视、无线通信、移动通信、警务和应急通信等其他业务。保证不同业务工作在其被分配的信道带宽内是至关重要的,通常要求发射机和其他辐射设备应工作于紧邻的频段。在这些通信系统中,针对功率放大器和其他模块的一项重要测量是检测溢出到邻近信道的信号能量以及由此所引起的干扰。

  电磁干扰(EMI)是用来研究来自不同发射设备的有意或无意的无用辐射。在此我们关心的问题是,无论是辐射还是传导(通过电力线或其他互导连线产生),其引起的干扰都可能影响其他系统的正常运行。根据由政府机构或行业标准组织制定的有关条例,几乎任何从事电气或电子产品设计制造的人员都必须对辐射电平与频率的关系进行测试。

  图 1-3. 发射机的谐波失线. GSM 无线信号和频谱辐射模板显示出无用辐射的极限值

  我们经常需要对噪声进行测量。任何有源电路或器件都会产生额外噪声。通过测量噪声系数和信噪比(SNR)能够描述器件的性能及其对总体系统性能的影响。

  图 1-3 至 1-6 列举了使用 X 系列信号分析仪实施这类测量应用的几个例子。

  最初的扫描调谐超外差分析仪只能测量幅度。不过,随着技术的不断发展和通信系统的日益复杂,相位在测量中的地位越来越重要。频谱分析仪现在虽然仍冠以信号分析仪的名称,但实际上已经发展成独立的一类仪器。通过对信号进行数字化,在经过一级或多级频率转换后,信号中的相位和幅度信息可以得到保留和显示出来。因此当前的信号分析仪(例如 Keysight X 系列)综合了模拟、矢量和 FFT(快速傅立叶变换)分析仪的特点。为了进一步改进功能,Keysight X 系列信号分析仪还融合了计算机,并配有可拆卸磁盘驱动器,即使分析仪转移到不安全的场合使用,其敏感数据也能保留在安全区域内。

  技术的发展还促进了仪表的小型化。因此,工程师可以用坚固耐用的便携式频谱分析仪(例如 Keysight FieldFox)更容易地执行户外测量任务,例如发射机或天线场地的勘测。在需要短暂停留以进行快速测量的场合,预热时间为零的分析仪可以使工程师尽快投入工作。通过应用先进的校准技术,这些手持式分析仪实施现场测量的精度与实验室级台式频谱分析仪相差不超过十分之一 dB。

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