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頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器,用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量,可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù),是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等?,F(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果,能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器,具有存儲(chǔ)和運(yùn)算功能;配置標(biāo)準(zhǔn)接口,就容易構(gòu)成自動(dòng)測試系統(tǒng)。
頻譜分析系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號的頻譜特性。頻譜分析儀依信號處理方式的不同,一般有兩種類型;即時(shí)頻譜分析儀(Real-Time Spectrum Analyzer)與掃描調(diào)諧頻譜分析儀(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer).即時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號振幅,其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應(yīng)的濾波器與檢知器(Detector),再經(jīng)由同步的多工掃描器將信號傳送到CRT或液晶等顯示儀器上進(jìn)行顯示,其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波(Periodic Random Waves)的瞬間反應(yīng),其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限于頻寬范圍,濾波器的數(shù)目與的多工交換時(shí)間(Switching Time).常用的頻譜分析儀是掃描調(diào)諧頻譜分析儀,其基本結(jié)構(gòu)類似超外差式,工作原理是輸入信號經(jīng)衰減器直接外加到混波器,可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT同步的掃描產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線性變化的振蕩頻率,經(jīng)混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號(IF)再放大,濾波與檢波傳送到CRT的垂直方向板,因此在CRT的縱軸顯示信號振幅與頻率的對應(yīng)關(guān)系。較低的RBW固然有助於不同頻率信號的分辨與量測,低的RBW將濾除較高頻率的信號成份,導(dǎo)致信號顯示時(shí)產(chǎn)生失真,失真值與設(shè)定的RBW密切相關(guān),較高的RBW固然有助於寬頻帶信號的偵測,將增加雜訊底層值(Noise Floor),降低量測靈敏度,對於偵測低強(qiáng)度的信號易產(chǎn)生阻礙,因此適當(dāng)?shù)腞BW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。
一般維修者不使用,一是他的價(jià)格較高,二是操作較為復(fù)雜。需要配合信號發(fā)生器。但使用起來很方便的可以查找故障。

測試準(zhǔn)備
1.限制性保護(hù):規(guī)定輸入射頻電平和造成性損的電壓值:直流25V,交流峰峰值100V。
2.預(yù)熱:測試須等到OVER COLD消失。
3.自校:使用三個(gè)月,或重要測量前,要進(jìn)行自校。
4. 系統(tǒng)測量配置:配置是測量之前把測量的一些參數(shù)輸入進(jìn)去,省去每次測量都進(jìn)行一次參數(shù)輸入。內(nèi)容:測試項(xiàng)目、信號輸入方式(頻率還是頻道)、顯示單位、制式、噪聲測量帶寬和取樣點(diǎn)、測CTB、CSO的頻率點(diǎn)、測試行選通等。配置步驟:按MODE鍵——CABLE TV ANALYZER軟鍵——Setup軟鍵,進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。細(xì)節(jié)為tune config調(diào)諧配置:包括頻率、頻道、制式、電平單位。Analyzer input輸入配置:是否加前置放大器。Beats setup拍頻設(shè)置、測CTB、CSO的頻點(diǎn)(頻率偏移CTB FRQ offset、CSO FRQ offset)。GATING YES NO是否選通測試行。C/N setup載噪比設(shè)置:頻點(diǎn)(頻率偏移C/N FRQ offset)、帶寬。

頻譜分析是觀察和測量信號幅度和信號失真的一種快速方法,其顯示結(jié)果可以直觀反映出輸入信號的傅立葉變換的幅度。信號頻域分析的測量范圍極其寬廣,超過140dB,這使得頻譜分析儀成為適合現(xiàn)代通信和微波領(lǐng)域的多用途儀器。頻譜分析實(shí)質(zhì)上是考察給定信號源,天線,或信號分配系統(tǒng)的幅度與頻率的關(guān)系,這種分析能給出有關(guān)信號的重要信息,如穩(wěn)定度,失真,幅度以及調(diào)制的類型和質(zhì)量。利用這些信息,可以進(jìn)行電路或系統(tǒng)的調(diào)試,以提率或驗(yàn)證在所需要的信息發(fā)射和不需要的信號發(fā)射方面是否符合不斷涌現(xiàn)的各種規(guī)章條例。
現(xiàn)代頻譜分析儀已經(jīng)得到許多綜合利用,從研究開發(fā)到生產(chǎn)制造,到現(xiàn)場維護(hù)。新型頻譜分析儀已經(jīng)改名叫信號分析儀,已經(jīng)成為具有重要價(jià)值的實(shí)驗(yàn)室儀器,能夠快速觀察大的頻譜寬度,然后迅速移近放大來觀察信號細(xì)節(jié)已受到的高度重視。在制造領(lǐng)域,測量速度結(jié)合通過計(jì)算機(jī)來存取數(shù)據(jù)的能力,可以快速,和重復(fù)地完成一些極其復(fù)雜的測量。
有兩種技術(shù)方法可完成信號頻域測量(統(tǒng)稱為頻譜分析)。
1.FFT分析儀用數(shù)值計(jì)算的方法處理一定時(shí)間周期的信號,可提供頻率;幅度和相位信息。這種儀器同樣能分析周期和非周期信號。FFT的特點(diǎn)是速度快;精度高,但其分析頻率帶寬受ADC采樣速率限制,適合分析窄帶寬信號。
2.掃頻式頻譜分析儀可分析穩(wěn)定和周期變化信號,可提供信號幅度和頻率信息,適合于寬頻帶快速掃描測試。
FFT分析儀能夠完成多通道濾波器式同樣的功能,但無需使用許多帶通濾波器,它使用數(shù)字信號處理來實(shí)現(xiàn)多個(gè)立濾波器相當(dāng)?shù)墓δ?。從概念上講,F(xiàn)FT方法是簡單明確的:對信號進(jìn)行數(shù)字化,再計(jì)算頻譜。實(shí)際上,為了使測量具有意義,還需要考慮很多因素。
FFT的實(shí)質(zhì)是基帶變換,換句話說,F(xiàn)FT的頻率范圍總是從0Hz開始并延伸到某個(gè)頻率處。這對需要分析較窄頻帶(不是從直流開始)的測量情況可能是一個(gè)重大限制。例如,F(xiàn)FT分析儀具有取樣頻率,F(xiàn)FT的頻率范圍是0Hz到128KHz。若N=1024,則頻率分辨力將是,故不能分辨間隔小于250Hz的譜線。
提高頻率分辨力的一種方法是時(shí)間記錄中的取樣點(diǎn)數(shù)N,這也FFT輸出的節(jié)點(diǎn)數(shù)。不過,問題在于,這會(huì)增加FFT所要處理的數(shù)組長度,從而增加計(jì)算時(shí)間。FFT算法的計(jì)算時(shí)間往往限制了儀器的性能(比如屏幕刷新速度),所以增加FFT的長度往往是可取的。
另一種方法是使用數(shù)字下變頻器,對于帶限信號,進(jìn)行數(shù)字下變頻,這樣等效降低了采樣速率,可以提高頻率分辨力。ADC的輸出與數(shù)字正弦波相乘,借助數(shù)字混頻使數(shù)字正弦波的頻率降低。

頻譜分析儀儀器特性
分析頻譜分析儀的訊息處理過程
在量測高頻信號時(shí),外差式的頻譜分析儀混波以后的中頻因放大之故,能得到較高的靈敏度,且改變中頻濾波器的頻帶寬度,能容易地改變頻率的分辨率,但由于超外差式的頻譜分析儀是在頻帶內(nèi)掃瞄之故,因此,除非使掃瞄時(shí)間趨近于零,無法得到輸入信號的實(shí)時(shí)(Real Time)反應(yīng),故欲得到與實(shí)時(shí)分析儀的性能一樣的超外差式頻譜分析儀,其掃瞄速度要非常之快,若用比中頻濾波器之時(shí)間常數(shù)小的掃瞄時(shí)間來掃瞄的話,則無法得到信號正確的振幅,因此欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率,且要能得到準(zhǔn)確之響應(yīng),要有適當(dāng)?shù)膾呙樗俣?。由以上之?dāng)⑹?,可以得知超外差式頻譜分析儀無法分析瞬時(shí)信號(TransientSignal)或脈沖信號(Impulse Signal)的頻譜,而其主要應(yīng)用則在測試周期性的信號及其它雜散信號(Random Signal)的頻譜。頻譜分析儀系統(tǒng)內(nèi)部及面板顯示的特性,詳如附錄一的說明,對該內(nèi)容的了解將有助于頻譜分析儀的操作使用。一般本地振蕩器輸出信號的頻率均高于中頻信號的頻率,本地振蕩器輸出信號的頻率可被調(diào)整在諧波之頻率,亦即?IN=n??LO±?I F n=1,2,3.......⑵
由式⑵得知,頻譜分析儀的信號量測范圍,無形中己被拓寬,低于或高于本地振蕩器或其它諧波頻率的輸入信號,均能被混波產(chǎn)生中頻。延伸輸入信號頻率的混波原理,其中縱軸代表輸入信號(?IN),橫軸代表本地振蕩頻率(?LO),圖中的正負(fù)整數(shù)代表公式⑵中頻放大器對應(yīng)的正負(fù)號。
可體會(huì)頻譜分析儀利用本地振蕩的諧波信號延伸輸入信號頻率的工作原理。然而可能對應(yīng)多個(gè)輸入信號頻率,為消除此一現(xiàn)象,在衰減器前面加入頻率預(yù)選器(Preselector),用來提升頻譜分析儀的范圍,同時(shí)使輸出的結(jié)果能去除其它不必要的頻率而真正反應(yīng)輸入信號的頻率。
圖1.4:利用本地振蕩之諧波信號拓展信號頻率的原理
由以上得知超外差或頻譜分析儀無法分析瞬時(shí)信號(TransientSignal)或脈沖信號(Impulse Signal)的頻譜,而其主要應(yīng)用則在測試周期性的信號及其它隨機(jī)信號(Random Signal)的頻譜。
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