精华内容
下载资源
问答
  • 认识频谱分析仪(1)- 原理及结构

    千次阅读 2019-08-07 09:37:32
    本文主要总结了频谱分析仪原理及内部构造。

    目录

    什么是频谱分析仪?

    频谱分析仪原理


    什么是频谱分析仪?

    频谱分析仪是用来观察信号由哪些频率组成的仪器,横轴是频率,纵轴是功率。

    所有信号都可以拆解为不同频谱的正弦波信号(傅里叶级数/傅里叶变换)。

    频谱分析仪原理

    下图为频谱分析仪的内部结构原理图:

    混频器Mixer将输入频率与本地振荡器运算变为中频,这个称为降频Downconvert;本地振荡器的频率不断变化,才能待测频谱的信号从start frequency 到 stop frequency,从而得到频谱图。换句话说你在span设定的频宽就是Local generator扫描的频宽。

    输入端衰减器Attenuator

    为了避免信号过大,造成频谱仪内部元件饱和甚至损坏,通常先将信号衰减,之后显示时再放大,屏幕上的功率值为实际的功率值,无需换算,单衰减量通常会显示给使用者参考。

    混频器Mixer及中频滤波器IF filter

    中频滤波器(IF filter)的输入频率固定,Mixer的作用是将目标频率降至IF的频率(降频Downconvert)。Mixer将RF输入信号与本地振荡器 (Local oscillator)运算后得到两组频率信号,一组是fout=(fosc-fRF),另一组是fout=(fosc+fRF),经过低通滤波器Low Pass Filter后,只有较小的fout=(fosc-fRF)通过IF filter。这个IF=(fosc-fRF)中频信号的频率就是输入信号在FRF的功率,屏幕上以一个点表示。点的高低表示功率大小。

    扫频器 Sweep generator

    刚刚的IF信号功率,只表示了输入信号中单一特定频率的功率,所以只是一个点,这个点只表示了IF filter上一个非常窄的频宽范围内的总功率。如果使用者想把某个频段范围的功率曲线全部画出来,理论上就需要不断移动IF filter的中心频率来获得该频段的功率。实际上IF filter的中心频率是固定的,所以只能调整LO(Local Oscillator)的频率。LO本身由电压控制频率,其实是个VCO(Voltage control oscillator),因此Sweep generator就担任了voltage controller的角色,通过改变Sweep generator的电压来改变LO的频率,将信号的不同频率传送到IF filter。

    视频滤波器-Video filter

    Video filter是一个低通滤波器,用来过滤IF filter之后的包洛波(envelope),而envelope最差就是贴着IF信号走,最大频率不会超过RBW,因为VBW越小越能缓和envelope的变动率。代价也是sweep time变长。视频滤波器不会降低平均噪声电平,但能减少噪声的低电平信号,通过减小VBW能暴露出较宽Video filter看不到的低电平信号,从而使得信号不被噪声淹没。

    显示- Display

    功率是RBW内计算出来的功率,当RBW变大时,Noise floor也会变高,因为杂波会随着RBW变大把其它频率上的杂波吸收进来。但是待测信号的功率值不会因为RBW的大小而变化,因为待测信号的频率是固定的。

     

    若需更多帮助,请联系我们

    广州虹科电子科技有限公司
    Hongke Technology Co., Ltd    
    电话:400-999-3848 ; 18710149603
    邮箱:ltt@hkaco.com
    网址:www.hkaco.com    

    展开全文
  • 手持频谱分析仪电路设计原理图和PCB PDF档以及详细的BOM清单; 手持频谱分析仪电路gerber文件和结构组装图等; 频谱分析仪Tcl源码; 手持频谱分析仪源码; 源文出处:...
  • 80Mhz-100Mhz频谱仪以STM32F429为核心控制芯片,配合锁相环芯片PFFC2072实现了本振源电路,设计并制作了80Mhz-100Mhz频谱分析仪。该系统由本振源电路、混频电路、窄带滤波电路、检波电路、数字采集与显示电路五部分...
  • 频谱分析仪原理结构框图

    千次阅读 2013-12-12 09:38:37
    下面看一下传统频谱分析仪原理和现代频谱分析仪(或称为信号分析仪)的发展。1是传统的扫频式频谱分析仪的结构框图。 1 传统扫频式频谱分析仪的结构框图 输入信号进入频谱分析仪后与本振混频,...

    频谱分析仪是常用的电子测量仪器之一,他的功能是分辨输入信号中各个频率成分并测量各个频率成分的频率和功率。

    下面看一下传统频谱分析仪的原理和现代频谱分析仪(或称为信号分析仪)的发展。图1是传统的扫频式频谱分析仪的结构框图。

    图1  传统扫频式频谱分析仪的结构框图

    输入信号进入频谱分析仪后与本振混频,当混频产物等于中频时,这个信号送到检波器,检波器输出视频信号,通过放大、采样、数字化后决定CRT显示信号的垂直电平。扫描振荡器控制CRT显示的水平频率轴和本地振荡器调谐同步,它同时驱动水平CRT偏转和调谐本振。

    频谱分析仪依靠中频滤波器分辨各个频率成分,检波器测量信号功率,依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号频率值。

    这种扫描-调谐分析仪的工作原理正象你家中的调幅AM接收机,只是调幅接收机的本振不是扫描的,而是用刻度旋钮人工进行调谐,另外不是用显示器显示信息而是用扬声器播放声音。

    图2是最新的安捷伦MXA系列频谱分析仪的结构框图。MXA采用全数字中频和数字信号处理的方式进行频谱分析和信号的矢量分析,这是现代的频谱分析仪/信号分析仪与传统频谱分析仪最大的不同。数字处理部分相当于多制式信号接收机,软硬结合满足各种各样频谱分析和矢量信号分析的应用。

    图2   现代频谱分析仪/信号分析仪的结构
    展开全文
  • 了解了频谱分析仪和频率特性测试仪的原理。 ————————————————————————————————————————————————————— 频谱分析仪  频谱分析仪主要用来分析信号中各频率...

    17年电赛的元器件清单下来了,基本仪器有频率特性测试仪,且13年国赛出现过,15年国赛也出现过频谱分析仪,知乎上有人猜测今年依然会出频域测量的题,这几天我就找了不少资料。了解了频谱分析仪和频率特性测试仪的原理。
    —————————————————————————————————————————————————————
    频谱分析仪
         频谱分析仪主要用来分析信号中各频率成分。主要有多滤波器并行分析式、扫频外差分析式和FFT分析式。但是电赛做简易频谱分析仪我们常用扫频法。多滤波器并行分析太依赖硬件,在做测量仪器中,硬件的难度已经很大了。FFT分析式太依赖AD采样速率,像15年的赛题,做80M~100M,如果想用FFT做就要求AD芯片的采样速率可以达到200M以上。如果想采用等效采样法需要产生待分析信号的同频率的方波,才能精准的产生等效采样的时钟信号(至少我们现在掌握的技术,刚才请教了我们队的硬件,需要特定的芯片去转换)。
    这里写图片描述

        被测信号可能会有N个频谱分量,但利用一个频率连续扫动的扫频本地振荡器(扫频本振)产生的频率fL与被测信号混频,这样被测信号的第n个频谱分量总会有机会落入中频滤波器的通带中。通常令本地振荡的幅度保持不变,这时混频器的输出及经滤波后输出、显示都依次与被测信号的频谱分量的幅度成正比。检波后可在Y方向显示该频谱分量的大小。
        图中的扫频本振的输出频率是受扫描电压发生器控制的。若线性扫频,那扫描电压的幅度及扫频发生器的输出频率呈线性变化。我们可以直接把扫描电压用来驱动显示器光点在X方向移动,并把横轴直接用被测信号谱线的频率来刻度。
    频谱分析仪的主要技术指标
         1、有效频率范围是指在满足仪器性能指标的情况下,仪器能分析的最宽频率范围。在扫频外差式分析仪中,有效频率范围是指滤波器能选出的信号最低频率至最高频率。
          2、频率相对误差是所有与频率相关仪器测量结果的基本保障,它对频谱仪是很重要的。
          3、灵敏度 用来表征在给定的其他指标条件下,频谱仪能测量最小信号的能力。
          4、分析时间或扫描时间,分析时间是指进行一次频谱分析所用的时间。对于扫频外差式分析仪分析时间实际上常指扫描或晨扫频时间,既显示器上扫描线从最左端扫到最右端所用的时间,应保证中频滤波器的动态特性不能因扫速过快而变坏。 

     频率特性测试仪
        频率特性的测量有很多方法。其分类可以是正弦波点频测量,也可以是扫频测量;可以是直接法测量,也可以是比较法或称比值法测量;可以只反映幅值的增益或衰减,也可以既反映幅频特性又反映相频特性等。
         点频法既是将正弦信号被调至一个个频率点进行测量。
         扫频法是指采用一定方法使正弦信号的输出频率能随时间在一定范围内扫描。(个人理解和扫频外差式频谱分析仪差不多,一个是信号源经过系统,一个是和待测信号混频)
    ———————————————————————————————————————————————
    以上主要内容摘自《电子测量》第三版。侵删。  

    展开全文
  • 这个项目使用PIC18F单片机控制FFT频谱的音频信号,并将显示结果传输给LCD128 *64显示。 FFT库文件截图: 频谱分析仪电路原理图:
  • 文件中有手持频谱分析仪原理图,是PDF格式的,有BOM表,还有源码!
  • #MSA - Scotty 的模块化频谱分析仪 Eagle 原理图和 PCB 布局 此存储库包含 Scotty 的 MSA 的 Eagle 原理图和 PCB 布局。 有关如何构建、校准和操作 MSA 的详细信息,请网站。 文件和 Eagle 7.1 格式。 MSA 库中的...
  • 一、什么是:在频域内分析信号的图示测试。以图形方式显示信号幅度按频率的分布,即X轴表示频率,Y轴表示信号幅度。二、原理:用窄带带通滤波器对信号进行选通。三、主要功能:显示被测信号的频谱、幅度、频率。...
  • R3271频谱分析仪维修资料1
  • 信号频域分析的测量范围极其宽广,超过140dB,这使得频谱分析仪成为适合现代通信和微波领域的多用途仪器。频谱分析实质上是考察给定信号源,天线,或信号分配系统的幅度与频率的关系,这种分析能给出有关信号的重要...
    c48ee0ffaa28eb4e2b398fad7cf144ba.png

    前言


    频谱分析是观察和测量信号幅度和信号失真的一种快速方法,其显示结果可以直观反映出输入信号的傅立叶变换的幅度。信号频域分析的测量范围极其宽广,超过140dB,这使得频谱分析仪成为适合现代通信和微波领域的多用途仪器。频谱分析实质上是考察给定信号源,天线,或信号分配系统的幅度与频率的关系,这种分析能给出有关信号的重要信息,如稳定度,失真,幅度以及调制的类型和质量。利用这些信息,可以进行电路或系统的调试,以提高效率或验证在所需要的信息发射和不需要的信号发射方面是否符合不断涌现的各种规章条例。
    现代频谱分析仪已经得到许多综合利用,从研究开发到生产制造,到现场维护。新型频谱分析仪已经改名叫信号分析仪,已经成为具有重要价值的实验室仪器,能够快速观察大的频谱宽度,然后迅速移近放大来观察信号细节已受到工程师的高度重视。在制造领域,测量速度结合通过计算机来存取数据的能力,可以快速,精确和重复地完成一些极其复杂的测量。有两种技术方法可完成信号频域测量(统称为频谱分析)。
    1.FFT分析仪 用数值计算的方法处理一定时间周期的信号,可提供频率;幅度和相位信息。这种仪器同样能分析周期和非周期信号。FFT 的特点是速度快;精度高,但其分析频率带宽受ADC采样速率限制,适合分析窄带宽信号。
    2.扫频式频谱分析仪可分析稳定和周期变化信号,可提供信号幅度和频率信息,适合于宽频带快速扫描测试。

    43ae15873bd6c3ed851348992c01f2d6.png图1  信号的频域分析技术

    快速傅立叶变换频谱分析仪
    快速傅立叶变换可用来确定时域信号的频谱。信号必须在时域中被数字化,然后执行FFT算法来求出频谱。一般FFT分析仪的结构是:输入信号首先通过一个可变衰减器,以提供不同的测量范围,然后信号经过低通滤波器,除去处于仪器频率范围之外的不希望的高频分量,再对波形进行取样即模拟到数字转换,转换为数字形式后,用微处理器(或其他数字电路如FPGA,DSP)接收取样波形,利用FFT计算波形的频谱,并将结果记录和显示在屏幕上。
    FFT分析仪能够完成多通道滤波器式同样的功能,但无需使用许多带通滤波器,它使用数字信号处理来实现多个独立滤波器相当的功能。从概念上讲,FFT方法是简单明确的:对信号进行数字化,再计算频谱。实际上,为了使测量具有意义,还需要考虑很多因素。
    FFT的实质是基带变换,换句话说,FFT的频率范围总是从0Hz开始并延伸到某个最高频率处。这对需要分析较窄频带(不是从直流开始)的测量情况可能是一个重大限制。例如,FFT分析仪具有取样频率,FFT的频率范围是0Hz到128KHz。若N=1024,则频率分辨力将是,故不能分辨间隔小于250Hz的谱线。
    提高频率分辨力的一种方法是增大时间记录中的取样点数N,这也增大FFT输出的节点数。不过,问题在于,这会增加FFT所要处理的数组长度,从而增加计算时间。FFT算法的计算时间往往限制了仪器的性能(比如屏幕刷新速度),所以增加FFT的长度往往是可取的。
    另一种方法是使用数字下变频器,对于带限信号,进行数字下变频,这样等效降低了采样速率,可以提高频率分辨力。ADC的输出与数字正弦波相乘,借助数字混频使数字正弦波的频率降低。再用数字滤波器进行滤波,数字滤波器通过利用适当的抽选因子来形成适当的频率间隔,这个带宽可以做得很窄,可以形成窄到1Hz的频率间隔和频率分辨力。

    4c7feef5b3d701d9c5681a45c36a292d.png图2  在FFT分析仪中利用数字混频器可以为频变分析提供频带选择

    扫频式频谱分析仪工作原理
    频谱仪就是采用扫频式原理来完成信号的频域测试。
    频谱分析仪的功能是要分辨输入信号中各个频率成份并测量各频率成份的频率和功率。为完成以上功能,在扫描-调谐频谱分析中采用超外差方式,它能提供宽的频率覆盖范围,同时允许在中频(IF)进行信号处理。图3是超外差式扫频频谱分析仪的结构框图。
    输入信号进入频谱仪后与本振(LO)混频,当混频产物等于中频(IF)时,这个信号送到检波器,检波器输出视频信号通过放大、采样、数字化后决定CRT显示信号的垂直电平。扫描振荡器控制CRT显示的水平频率轴和本地振荡器调谐同步,它同时驱动水平CRT偏转和调谐LO。
    频谱分析仪依靠中频滤波器分辨各频率成份,检波器测量信号功率,依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号频率值。
    这种扫描- 调谐分析仪的工作原理正象你家中的调幅(AM)接收机,只是调幅接收机的本振不是扫描的,而是用刻度旋钮人工进行调谐;另外不是用显示器显示信息而是用扬声器。

    4d976b629ca6dd61992145e62fb10652.png图3  扫频超外差式频谱分析仪的简化框图

    基于扫描式工作原理,当输入信号为单点频信号时,该信号需和扫描本振信号进行混频,这样中频信号也为频率变化的扫频信号,该扫频信号通过中频滤波器和检波器后输出波形为中频滤波器频响形状。

    5475cf86f2e265f4ff051b3b6e3c965e.png图4 扫频式频谱分析仪的测量过程

    输入衰减器
    输入衰减器是信号在频谱仪中的第一级处理,频谱分析仪输入衰减器功能包含以下方面:
    1. 保证频谱仪在宽频范围内保持良好匹配特性;
    2 .保护混频及其它中频处理电路。防止部件损坏和产生过大非线性失真。
    一般频谱分析仪衰减器衰减范围为:0~65dB; 可按照5dB步进变化。当改变输入衰减器设置时,信号电平会受到影响。如衰减值由10dB变为20dB,信号幅度人为被减小10dB,相应检波输出也会降低,为补偿该变化,频谱仪内部会利用放大器补偿衰减影响。所以当在改变衰减器设置时,输入信号在频谱仪上的显示并不发生变化。
    仪表自动设置衰减器件的原则是保证:

    输入信号电平-衰减器设置<=混频器工作电平


    可以注意一下仪表的这几个参数值是否满足上式的关系。
    所以,当改变仪表输入衰减器设置时,其内部衰减器和中频放大器会发生变化。中频放大器决定信号在屏幕上的显示位置。
    频谱仪工作时,其中频放大器增益和衰减器设值连动工作,当改变输入衰减器设置时,输入信号显示电平并不会发生变化。

    混频器
    混频器完成信号的频谱搬移,将不同频率输入信号变换到相应频率。在混频过程中会存在镜相干扰问题。镜相干扰举例:
         输入信号频率:800MHz;  本振信号频率:780MHz;
         中频信号频率:800-780=20MHz;
         则镜相干扰信号频率:780-20=760MHz,
         760MHz信号是800MHz信号的镜相干扰。

    这样带来的测量问题就是频谱仪的一个中频信号显示不能判断是760MHz信号还是800MHz信号的响应。
    频谱仪需采用相应方法来解决这个问题。频谱分析仪利用两种方法解决该问题。
    1.在低频率段(<3GHz),利用高混频和低通滤波器抑制干扰。
    2.在高频率段(>3GHz),利用带通跟踪滤波器抑制干扰。

    f7fd25c5e9afd3d6135cd4dc37854abe.png图5  典型频谱分析仪的变频处理过程

    中频滤波器
    中频滤波器是谱分析仪中关键部件,频谱分析仪主要依靠该滤波器来分辩不同频率信号,频谱仪许多关键指标(测量分辨率、测量灵敏度、测量速度、测量精度等)都和中频滤波器的带宽和形状有关。
    中频滤波器通常由LC滤波器,晶体滤波器或数字滤波器的组合实现。形状因素和滤波器类型是说明这些滤波器特性的重要因素。形状因素为滤波器是如何选择的一个测度,通常规定为3dB/60Dbk宽度之比,比值表示出如何在3dB带宽内的大信号附件分辨小1百万倍(-60dB)的信号。这类滤波器对频谱分析仪的性能有重大影响,虽然某些滤波器类型如Butterworth巴特沃兹滤波器或Chebychev切比雪夫滤波器具有优良的选择性(信号分离的能力),以及高斯滤波器和同步调谐滤波器具有较好的时域性能(较好的扫描幅度精度),但最终应用哪种滤波器属最佳将起重大作用。优良的形状因素性能对紧靠在一起的信号提供较好的分辨率。较好的时域性能(无过冲)提供了更快的扫描速度和良好的幅度精度。

    对数放大器
    对数放大器以对数方式处理输入信号,允许有大的待测量和小的待测量同步易显示和分辨。实现这种压缩的一种方法是构建增益随信号幅度而变化的放大器。在低电平信号下,增益可能为10dB,而在较大的幅度下,增益下降到0。为了获得所需的对数范围,必须将若干这类放大器进行级联。对数放大器通常具有约70dB到超过100dB的范围。除对数范围外,逼真度(对数压缩与对数曲线相符的接近程度)是应考虑的重要因素,这个误差将直接反映测量的幅度误差。

    检波器
    检波器将输入信号功率转换为输出视频电压,该电压值对应输入信号功率。
    针对不同特性输入信号(正弦信号、噪音信号、随机调制信号等),需采用不同检波方式才能准确测出该信号功率。
    现代频谱仪一般采用数字技术,支持所有检波方式以确保准确测量各种被测信号的功率参数。

    视频滤波器
    视频滤波器对检波器输出视频信号进行低通滤波处理,减小视频带宽可对频谱显示中的噪声抖动进行平滑,从而减小显示噪声的抖动范围。这样有利频谱仪发现淹没在噪声中的小功率CW信号,还可提高测量的可重复性。

    扫描本振
    扫描本振是整个频谱分析仪中的关键部分之一,扫描本振的稳定度和频谱纯度对许多性能指标都是一个限制因素。本振的稳定度影响最小分辨带宽,但是,即使利用频率很稳定的本振,仍然存在残余的不稳定度,这称之为相位噪声或相位噪声边带。相位噪声影响对邻近信号的观察,而如果我们只考虑带宽和形状因素,是不难观察到的。现代频谱分析仪的应用之一是直接测量其他设备的相位噪声,这对本振的相位噪声要求是非常高的。

    频谱分析仪关键性能指标
    频谱分析仪作为分析仪表,其基本性能要求包含:
    1. 频率方面指标:

    • 测量频率范围:反映频谱仪测量信号范围能力;

    • 频率分辨率:反映频谱仪分辨两个频率间隔信号的能力。

    2. 幅方面度指标:

    • 灵敏度:频谱仪发现小信号的能力;

    • 内部失真:反映频谱仪测量大信号的能力;

    • 动态范围:频谱仪同时分析大信号和小信号的能力。

    3.  另外频谱仪的性能还包含其分析精度和测量速度。
    测量谐波失真或搜索信号要求频率范围从低于基波扩展到超过多次谐波。测量交调失真则要求窄的扫频宽度(span),以便观察邻近的交调失真产物。因此,首先是选择有足够频率和扫宽范围的频谱分析仪。第二个要求是什么样的频率分辨率?测量双音交调对分辨率提出了严格的要求。
    频谱分析仪测量频率范围由其本振范围决定。通过采用本振的谐波可扩展频谱分析仪的分析频率范围,还可采用外混频方法将其分析频率范围扩展至更高(75GHz; 110GHz;325GHz等)。

    频率分辨率
    这个例子反映频谱分析仪测量分辨率对测试结果的影响,输入的物理信号为两个频率间隔的信号,只有当频谱分析仪的分辨能力足够高时,才会在屏幕上正确反映信号的特性。
    很多信号测试应用要求频谱分析仪要具有尽量高的频率分辨率。

    8e192fa2b8c5452b2f97c2270367e271.png图6  频率分辨率

    频谱分析仪的频率分辨率与其内部的中频滤波器和本振性能有关。
    其中,中频滤波器的影响因素包含:

    滤波器类型;带宽;形状因数(shape factor)

    本振剩余调频(residual FM)和噪声边带也是确定有用分辨率时应考虑的因素。
    依次分析每一项。首先要注意的事情之一,是在频谱仪上理想CW信号不可能显示为无限细的线,它本身有一定的宽度。当调谐通过信号时,其形状是频谱分析仪自身分辨带宽(IF滤波器)形状的显示。这样,如果改变滤波器的带宽,就改变了显示响应的宽度。技术指标的数据表中规定3 dB带宽,其它应用(EMC)定义滤波器带宽为6dB 带宽。
    本振性能对分辨率有影响是因为中频信号来源于输入信号与本振信号的混频,两个信号中的噪声是功率相加关系。

    • 输入信号相位噪声性能为:10kHz offset –110dBc/Hz;

    • 混频本振相位噪声性能为:10kHz offset –110dBc/Hz,

    • 则混频输出中频信号相位噪声性能为:10kHz offset –107dBc/Hz。

    单点频信号在频谱上测试显示结果为中频滤波器的频响形状。
    滤波器的形状通过其带宽(3dB或6dB)和矩形系数得到定义。这两个参数都会影响频谱分析仪的频率分辨能力。

    b28465cc0f5a2f0c218f4f7db4081018.png图7  中频滤波器带宽和形状因素(矩形系数)定义

    在双音测试中,两个信号相隔10kHz,RBW=10KHz时,仪表测试可显示出两个信号峰。显然用10kHz滤波器分辨出等幅双音信号是没有问题的。

    频谱分析仪的RBW即为其分辨等幅信号的能力


    上面的分析得到的结论是:

    频谱分析仪RBW 越小,其频率分辨率越高

    中频滤波器3dB带宽告诉我们,等幅信号彼此靠近到何种程度仍然能够彼此分开(根据3dB下降)。一般的说,如果两信号的间隔大于或等于所选用分辨带宽滤波器的3dB带宽,两个等幅信号就可以分辨出来。在双音测试中的两个信号表明了这个含义。当两个信号间隔10 kHz时,用10 kHz的分辨带宽容易分开它们。然而,若用较宽的分辨带宽,两个信号显示为一个。
    注解:当两信号出现在分辨带宽之内时,由于两个信号相互作用,利用大约比分辨带宽小10倍的视频带宽可平滑其响应。
    通常我们需测量不等幅信号。由于在我们的例子中两个信号描绘出滤波器的形状,小信号有可能被掩埋在大信号滤波器的裙边(filter skirt)中。对于幅度相差60dB的两个信号,其间隔至少是60dB 带宽的一半(用近似3dB下降)。因此,形状系数(滤波器60dB对3dB带宽之比)是决定不等幅信号分辨率的关键。
    频率分析仪分辨不等幅信号举例:
    对于相隔10kHz而幅度下降50dB的失真产物(distortion products) 的测试。
    如果3kHz滤波器的形状因数是15:1,于是滤波器下降60dB的带宽是45kHz,失真产物将隐藏在测试信号响应的裙边下。如果换接到另外一个窄带滤波器(如1kHz滤波器),60dB带宽15kHz,失真产物是容易被观察到的(因为60dB带宽的一半是7.5kHz,它小于边带的间隔)。因此,对于本测量所需的分辨带宽应不大于1kHz(<=1kHz)。
    滤波器形状系数(shape factors)的范围:

    • 模拟滤波器:15:1或11:1

    • 数字滤波器:5:1

    以上分析的结论:
    频谱分析仪矩形系数越小,其对不等幅信号的频率分辨率越高。

    相位噪声
    影响分辨率的另一个因素是频谱分析仪本地振荡器的频率稳定度。
    剩余调频使显示的信号模糊不清,以致在规定的剩余调频之内的两个信号不能分辨出来一个频谱分析仪的分辨带宽不可能如此窄,以致能够观察到它自身的不稳定度。如果它能够这样做,那么我们将不能够区分出频谱分析仪和输入信号的剩余调频(Residual FM), 。
    这就意味着,频谱分析仪的剩余调频决定了可允许的最小分辨带宽。同样,它决定了等幅信号的最小间隔。本测量所要求的剩余调频是不大于1kHz(<=1kHz ).
    锁相本振作为参考源可提高剩余调频指标,也降低了最小可允许的分辨带宽。高性能的频谱分析仪价格比较贵,因为它采用高性能锁相本振源,具有较低的剩余调频和较小的最小分辨带宽。
    作为在信号频谱显示的噪声边带来源于本振的频率不稳定性,这个噪声可能掩盖近端(靠近载波)低电平信号。换句话说,只考虑带宽和形状因数,我们可能会看到它。但是频谱分析仪内部本振的相位噪声将叠加在输入信号上,这些噪声边带影响了近端低电平信号的分辨率。
    测量的例子:
    要求测量的信号:
    偏离载波10kHz处1kHz频率带宽内噪声边带功率<=-50dBc,它等效于<=-80dBc/1Hz, 即要求频谱仪本振信号在偏离载波10kHz处测量1Hz带宽内噪声能量小于载波功率80dB。

    2e5d4638b376daa71136331c12490a97.png图8  频谱分析仪本振相位噪声对测量的影响

     灵敏度
    频谱分析仪在不加任何信号时会显示噪声电平,由于频谱分析仪自身产生的噪声,其大部分来自中频放大器的第一级。 
    频谱分析仪的灵敏度定义为它所显示的平均噪声电平(DANL),这项指标关系到仪表对弱信号的检测能力。若一信号的电平等于显示的平均噪声电平,它将以近似3dB突起显示在平均噪声电平之上,这一信号被认为是最小的可测量信号电平,但是如果不用视频滤波器平均噪声,总是不能看到这一现象的。
    频谱分析仪的灵敏度定义为在一定的分辨带宽下显示的平均噪声电平。“平均”意味着噪声信号的幅度随时间和频率都是随机变化的,要对噪声功率进行定量测试,只能得到其平均值。
    频谱分析仪表的灵敏度是仪表的重要指标,
    频谱分析仪灵敏度与其RBW;VBW;衰减器设值有关。

    77a2cbdaaa11e8e4544516e6a70951cf.png图9  频谱分析仪测试灵敏度

    从不同方面可以反映频谱分析仪表内部噪声对测试的影响。
    1、当输入信号功率电平小于仪表噪声电平时,该信号不会被显示,仪表对该小信号没有测试能力。
    2、当输入信号幅度大于仪表噪声时,仪表噪声会叠加在输入信号上,既最终显示信号电平为输入信号电平和仪表噪声的功率和。
    当被测试信号功率比仪表内部噪声功率大10~20dB 以上,频谱分析仪内部噪声的影响可忽略不计。
    前面明确了频谱仪产生噪声的原因和噪声对仪表测试的影响,下面分析以下仪表设置会影响的噪声电平的因素。
    影响频率谱分析仪噪声电平因素1:输入衰减设置。
    衰减器衰减量每增加10dB, 频谱仪显示噪声电平提高10dB。
    衰减器设值影响频谱仪灵敏度的分析:
    输入信号的电平不随衰减增加而下降,这是因为当衰减降低加到检波器的信号电平时,而中放(IF)增益同时增加10dB来补偿这个损失,其结果使仪表显示的信号幅度保持不变。但是,噪声信号只会受到放大器的影响很大,其电平被放大,增加了10dB。
    既然内部噪声主要由中放第一级产生,因而输入衰减器不影响内部噪声电平。但是,输入衰减器影响到混频器的信号电平,并降低信噪比。
    提高频谱仪表灵敏度的方法1:
    用尽可能小的输入衰减以得到最好的灵敏度。
    仪表内部产生的噪声是宽带白色噪声。即它在整个频率范围内的电平是平坦的随机噪声,与分辨带宽滤波器相比它的频带是宽的。因此,分辨带宽滤波器只通过一小部分噪声能量到包络检波器。如果分辨带宽增加(或减少)10倍,则增加(或减少)10倍的噪声能量到达检波器,并且显示的平均噪声电平将增加(或减少)10dB.
    显示的噪声电平和分辨带宽RBW之间的关系是:
    噪声电平变化(dB)=10log(分辨带宽2/分辨带宽1)
    RBW从100kHz(分辨率带宽(老))变到10kHz(分辨率带宽(新)),结果噪声电平变化为
    噪声电平变化 = log  (10 kHz / 100 kHz ) = ­10dB.
    频谱仪中频滤波器会对中放产生的宽带白噪声有频带抑制功能,所以RBW越小,通过中频滤波器的噪声能量越小,则通过检波后显示噪声的电平越低。
    频谱分析仪的噪声是在一定的分辨带宽下定义的。
    频谱分析仪的最低噪声电平(和最慢扫描时间)是在最小分辨带宽下得到的。
    提高频谱仪表灵敏度的方法2:
    用尽可能小的RBW 设置得到最好的灵敏度。

    a77a47afd33f3406408c4ba0c984d04f.png图10  RBW的设置对仪器灵敏度的影响

    频谱分析仪显示出信号加噪声,因此当信号接近噪声电平时,附加的噪声叠加在扫描线上,致使更难读取信号。
    视频滤波器是在检波之后的低通滤波器,声信号幅度由于随时间和频率都是随机波动的,通过检波处理输出为交流AC信号,这些AC信号反映到显示上就是轨迹线的抖动。通过视频滤波器的低通处理,用以平均(Smooth)噪声起伏。虽然它不能改善灵敏度,但能改善鉴别力和在低信噪比情况下测量的可重复性。
    减小VBW不会对显示的CW信号频谱造成影响,因为CW信号检波输出为DC信号,DC信号通过低通滤波处理时,不会被滤波器带宽所影响。
    需要注意的是:减小VBW可以对噪声信号进行平滑,但并不是得到该噪声信号的功率平均值。总结一下提高频谱仪测试灵敏度的技术方法:
    1、最窄的分辨带宽;
    2、最小的输入衰减;
    3、充分利用视频滤波器(视频带宽<0.1-0.01分辨带宽)
    4、前置放大器(内部或外部),内部前置放大器需要选件,工作频率范围一般为〈3GH。前置放大器的开关由[Amplitude] Int Amp: on/off 控制。
    外置放大器对频谱分析仪灵敏度的改善=放大器件增益-放大器噪声系数。
    以上这些提高灵敏度的设置可能与其它测量要求存在矛盾:
    1、较小的分辨带宽会大大增加测量的时间;
    2、0dB输入衰减会增加输入驻波比,降低测量精度;
    3、增加前置放大会影响频谱仪动态范围指标。

    ‧  END   推荐文章:
    • 什么是功率谱?它和频谱有什么区别?

    • 全面认识:毫米波频谱与毫米波技术

    • 18种常见LTE干扰频谱图(附真图)

    • 全频段电磁频谱中英文对照!

    • 无线频谱的故事,看完再也不懵逼

    6770c7cb34c18b852f4bef61aee4260e.png

    展开全文
  • 3GHZ手持频谱分析仪设计(原理图+PCB+源代码+BOM清单等),https://www.cirmall.com/circuit/2305/detail?3 【开源】仪星电子200M 双通道虚拟示波器(SDK2.0+软件+说明书等),...
  • 超外差式频谱分析仪的基本工作原理 1所示。输入信号与本振(LO)混频,产生中频(IF)信号经窄带中放被送到包络检波器,检波器输出信号被放大并使屏幕显示产生垂直偏转,扫描发生器保证屏幕显示的水平频率轴和...
  • 该多功能虚拟信号分析仪、示波器频谱仪信号分析仪下位机基于STM32设计,是仪星电子自主研发的虚拟电子测量仪器与处理平台。通过MDSO、HDSO等采集硬件获取信号,借助自主研发的数字信号处理算法将传统的示波器、逻辑...
  • 超外差式频谱分析仪的基本工作原理 1所示。输入信号与本振(LO)混频,产生中频(IF)信号经窄带中放被送到包络检波器,检波器输出信号被放大并使屏幕显示产生垂直偏转,扫描发生器保证屏幕显示的水平频率轴和...
  • 摘要:本文主要介绍频谱分析仪的组成及工作原理,各部分作用与测量分析,可利用频域和时域两种方式测量调幅信号。... 1所示为扫频调谐超外差频谱分析仪组成框图。输入信号经衰减器以限制信号幅度
  • 频谱仪原理简介一

    千次阅读 2020-05-28 15:53:10
    频谱分析仪,简称频谱仪,是在频域上分析信号特征的工具,如信号的频率分布、频率、功率谐波、杂波噪声、干扰失真等。 一、 频谱 频谱是一组正弦波,经过适当组合后,形成被考察的时域信号。 上显示了一个复合...
  • 本设计完全利用FPGA实现FFT,在FPGA上实现整个系统构建。其中CPU选用Altera公司的Nios II软核处理器进行开发, 硬件平台关键模块使用Altera公司的EDA软件QuartusIIV8.0完成设计。整个系统利用Nios II软核处理器通过...
  • 便携式频谱分析仪

    2020-12-23 13:37:28
    原标题:便携式频谱分析仪频谱分析仪有“微波工程师的万用表”之称,能对信号的凿波分量、寄生、交调、噪声边带等进行很直观的测量和分析,是微波测量中必不可少的测量仪器之一。长期以来,由于传统台式频谱仪价格...
  • 频谱分析仪是利用频率域对信号进行分析、研究的一种测量仪器,对于信号分析来说它是不可少的,随着通讯技术的迅猛发展,越来越...那么频谱分析仪的工作原理是什么呢?一般来说频谱分析仪的工作原理(数字万用表使用)可...
  • 点击蓝字关注我们说到频谱分析仪很多资料中都会出现下面这张图频域:是描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系。频谱:频率的分布曲线,复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡,这些谐振荡的幅值按频率排列的...
  • 该项目用于使用Arduino制作32频段音频(音乐)频谱分析仪/可视化器。 硬件组件: Arduino Nano R3× 1 电阻10k欧姆× 1 电阻4.75k欧姆× 3 电容器100 nF× 2 电阻100k欧姆× 2 SparkFun按钮开关12mm× 1 32x8 LED矩阵...
  • 频谱分析仪的面板上布建许多功能控制按键,作为系统功能之调整与控制,系统主要的功能是在频域里显示输入信号的频谱特性。频谱分析仪依信号处理方式的不同,一般有两种类型;1.实时频谱分析仪(Real-Time Spectrum ...
  • 设计了基于直接数字频率合成(DDS)的频谱分析仪。它依据外差原理,实现频率范围为1~30 MHz的信号频谱分析。通过采用DDS专用器件AD9851产生稳定的扫频信号。被测信号是经AD835与本振信号混频,再放大、滤波、检波的...
  • 信号频域分析的测量范围极其宽广,超过140dB,这使得频谱分析仪成为适合现代通信和微波领域的多用途仪器。频谱分析实质上是考察给定信号源,天线,或信号分配系统的幅度与频率的关系,这种分析能给出有关信号的重要...
  • 汪进进 鼎阳硬件设计与测试智库专家组成员频谱分析仪简称频谱仪,是射频工程师最熟悉的一种仪器。相对于示波器作为“电子工程师的眼睛”,占据“时域第一仪器”甚至“电子测试测量第一仪器”之地位,频谱仪堪称是...
  • 频谱仪原理与重要指标的作用

    万次阅读 多人点赞 2017-12-01 10:29:47
    频谱仪原理
  • 矢量信号分析仪原理

    2021-01-20 01:25:31
     模拟扫描调谐式频谱分析仪使用超外差技术覆盖广泛的频率范围;从音频、微波直到毫米波频率。快速傅立叶变换 (FFT) 分析仪使用数字信号处理(DSP) 提供高分辨率的频谱和网络分析。如今宽带的矢量调制 ( 又称为复调制...
  • 汪进进 鼎阳硬件设计与测试智库专家组成员频谱分析仪简称频谱仪,是射频工程师最熟悉的一种仪器。相对于示波器作为“电子工程师的眼睛”,占据“时域第一仪器”甚至“电子测试测量第一仪器”之地位,频谱仪堪称是...
  • 杨鼎 鼎阳硬件设计与测试智库专家组成员带宽是频域分析中的常见指标,频谱分析仪中常见的带宽有分辨率带宽和视频带宽,本文将全面讲解这些概念,以及之间的联系和区别。分辨率带宽RBW(Resolution Bandwidth),代表...

空空如也

空空如也

1 2 3 4 5 ... 20
收藏数 1,966
精华内容 786
关键字:

频谱分析仪原理图