频谱仪的简单原理

频谱仪的简单原理通常我们要对即将传输或者已经接收的信号进行分析，以获取我们所需要的信息。为了获取不同的信息我们通常将信号放在不同的域进行分析，如下图所示：对于时域（时间和幅值）的分析我们通常采用示波器，获取信号的幅度、周期、频率等信息；对于频域（频率和幅值）的分析我们通常采用频谱分析仪，获取信号的频率、功率、谐波、噪声等信息；剩下的则是时间和频率的域，我们称之为矢量域，我们可以通过适量分析仪获取信号的幅度误差、矢量误差、相位误差等信息。现在的许多频谱分析仪也兼有矢量分析仪的功能。按照工作原理分，频谱有两种基本的类型：实时频谱仪和扫频调谐式频谱仪。实时频谱仪包括多通道滤波器（并联型）频谱仪和FFT频谱仪。扫频调谐式频谱仪包括扫描射频调谐型频谱仪和超外差式频谱仪。其中超外差频谱仪应用最为广泛。1.超外差频谱仪如下图所示是典型的超外差频谱分析仪的实现框图：原始输入信号首先经过一个低通滤波器，随后经过衰减器到达混频器以后，与来自本振的信号相混频。因为混频器本身就是非线性器件，所以输出信号除了包含两个原始的信号之外，还包含谐波，以及原始信号与谐波的差信号与和信号。如果混频信号落在中频滤波器的通带范围内，则信号会被进一步处理，中频信号再经过放大、滤波后送到检波器检波．检波输出信号经视频滤波器滤波，成为与输入信号功率幅度相对应的视频信号，体现在显示屏的Y轴上；扫频控制器将扫描电压与本振频率对应起来，改变频谱仪本振频率的同时将改变显示屏X轴的扫描电压。这样，频谱仪就可以将输入信号在不同频率处的功率幅度大小体现在显示屏上了。假设频率轴上有一个特定的窗口，那么只有进入到该窗口内的信号才能被检测到，这就是它的基本原理。如果窗口从频率点f1扫描到频率点f2，就可以得到不同频率上的信号功率，也就得到了被测信号的频谱分布，这个窗口是靠本振扫频来实现的。扫频外差式频谱仪通过改变下变频混频器的本地振荡器频率，使得输入待测信号的频率与本振频率之差等于我们需要的固定中频；再使用带通滤波器(分辨率滤波器)由中频信号中“取出”所需的差频，最后借助检波的方法得到信号幅度。只要本振频率在一定范围内变化，就可以依次捕获待测信号的不同频率分量。各部件的基本作用：低频滤波器：滤除高于频谱仪标定频率的频率成分。衰减器：防止混频器过载，增益压缩，畸变，并且输入衰减器和中频放大器保持联动关系，中频放大器自动补偿衰减作用，输入信号测量结果不会受衰减器设置的影响。混频器：通过混频器获得本振信号和输入信号的差频信号。中频放大器：输入信号经过了前置衰减器，电平降低，为了恢复信号幅度，补偿输入衰减器的变化，在混频器后对中频信号进行放大，在放大有用信号的同时，噪声和干扰信号也被同时放大。中频滤波器：中频滤波器可以减小噪声带宽，其带宽越窄，噪声带宽就越窄，进入频谱分析仪的噪声就越小，那么接收灵敏度就越高，即本底噪声越低。窄的中频滤波器可实现高的分辨率，所以中频滤波器带宽又称为分辨率带宽（RBW），RBW是可调的，其可影响频率选择性、信噪比、测试速度。对数放大器：对数放大器按照对数函数来压缩信号电平，这大大减小了由检波器所检测的信号电平变化，而同时向用户提供校准成用分贝读数的对数垂直刻度，在频谱分析仪中，由于信号电平大幅度变化，故需要采用对数刻度。检波器：将中频信号转换为基带信号或视频信号。视频滤波器：视频滤波器在包络检波器之后，视频滤波器决定了视频带宽。视频滤波器是一级低通配置，用于从视频信号中滤除噪声，平滑轨迹，从而使显示结果稳定。2.FFT频谱仪相比较而言FFT频谱仪的工作原理就更加容易理解。FFT频谱仪典型实现框图如下:数字式频谱仪采用高速A/D采集出当前信号，然后送入处理器进行处理，最终将得到的各频率分量幅度值的数据送入显示器实现显示。FFT式频谱分析仪采用数字的方法，由模拟数字转换器(ADC)对输入信号进行取样，经过FFT处理后获得频谱分布图。新型FFT式频谱分析仪，利用快速傅立叶变换把被测信号分解成为分立的频率分量，与传统的模拟频谱分析仪获得同样的结果。但不同之处在于FFT式频谱分析仪可以进行实时分析，比传统的模拟式频谱分析仪在速度上有了很大的提高。但是由于FFT取的是有限长度，运算点数也有限，为了实现高扫频宽度和高频率分辨率，就需要高速A/D转换器和高速数字器件的配合。