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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，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，除非使掃瞄時間趨近于零，無法得到輸入信號的實時（Real Time）反應(yīng)，故欲得到與實時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間常數(shù)小的掃瞄時間來掃瞄的話，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信號（Random Signal）的頻譜。

頻譜分析儀分類
頻譜分析儀分為實時分析式和掃頻式兩類。前者能在被測信號發(fā)生的實際時間內(nèi)取得所需要的全部頻譜信息并進(jìn)行分析和顯示分析結(jié)果；后者需通過多次取樣過程來完成重復(fù)信息分析。實時式頻譜分析儀主要用于非重復(fù)性、持續(xù)期很短的信號分析。非實時式頻譜分析儀主要用于從聲頻直到亞毫米波段的某一段連續(xù)射頻信號和周期信號的分析。
掃頻式頻譜分析儀
它是具有顯示裝置的掃頻超外差接收機，主要用于連續(xù)信號和周期信號的頻譜分析。它工作于聲頻直至亞毫米的波頻段，只顯示信號的幅度而不顯示信號的相位。它的工作原理是：本地振蕩器采用掃頻振蕩器，它的輸出信號與被測信號中的各個頻率分量在混頻器內(nèi)依次進(jìn)行差頻變換，所產(chǎn)生的中頻信號通過窄帶濾波器后再經(jīng)放大和檢波，加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉(zhuǎn)信號，使屏幕上的垂直顯示正比于各頻率分量的幅值。本地振蕩器的掃頻由鋸齒波掃描發(fā)生器所產(chǎn)生的鋸齒電壓控制，鋸齒波電壓同時還用作示波管的水平掃描，從而使屏幕上的水平顯示正比于頻率。
用掃頻振蕩器作為超外差接收機的本機振蕩器，當(dāng)選擇開關(guān)S置于1，鋸齒波掃描電壓對本機振蕩器I進(jìn)行掃頻，輸入信號中的各個頻率分量在混頻器中與本機掃頻信號進(jìn)行差頻，它們依次落入中放窄帶濾波器的通帶內(nèi)，被濾波器選出，經(jīng)二次變頻、檢波、放大后，加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使屏幕上的垂直顯示正比于各個頻率分量的振幅。掃描電壓同時加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，從而使頻幕的X坐標(biāo)變成頻率坐標(biāo)，并在屏幕上顯示出被分析的輸入信號頻譜圖。上述工作方式在本機振蕩器I上進(jìn)行掃頻，稱“掃前式”工作模式，具有很寬的分析頻帶。當(dāng)S置于2時，也可在本機振蕩器Ⅱ上進(jìn)行掃頻，稱“掃中頻式”工作模式，這時可進(jìn)行窄帶頻譜分析。

頻譜分析儀是對無線電信號進(jìn)行測量的*手段，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗的常用工具。因此，應(yīng)用十分廣泛，被稱為的射頻萬用表。
傳統(tǒng)產(chǎn)品
傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機，輸入信號經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖，就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可以達(dá)到很寬的頻率，例如30Hz-30GHz，與外部混頻器配合，可擴展到100GHz以上，頻譜分析儀是頻率覆蓋寬的測量儀器。無論測量連續(xù)信號或調(diào)制信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標(biāo)量儀器而不是矢量儀器。

基于快速傅里葉變換(FFT）的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對輸入信號取樣,再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。
在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時 ADC的取樣率少等于輸入信號頻率的兩倍，亦即頻率上限是100MHz的實時頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。
半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC，亦即，原理上儀器可達(dá)到2GHz的帶寬，為了擴展頻率上限，可在ADC前端增加下變頻器，本振采用數(shù)字調(diào)諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴展到幾GHz以下的頻段使用。
FFT的性能用取樣點數(shù)和取樣率來表征，例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點，則輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點數(shù)為2048點，則分辨率提高到25Hz。由此可知，輸人頻率取決于取樣率，分辨率取決于取樣點數(shù)。FFT運算時間與取樣，點數(shù)成對數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時，要選用高速的FFT硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號處理器(DSP）芯片。例如，10MHz輸入頻率的1024點的運算時間80μs，而10KHz的1024點的運算時間變?yōu)閙s,1KHz的1024點的運算時間增加至640ms。當(dāng)運算時間超過200ms時，屏幕的反應(yīng)變慢，不適于眼睛的觀察，補救辦法是減少取樣點數(shù)，使運算時間降低至200ms以下。
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