【正文】 譜分析技術 ? 外差式頻譜儀 ? 外差式頻譜儀的主要性能指標 濾波式頻譜分析技術 ? 濾波式頻譜分析儀原理及分類 基本原理：先用帶通濾波器選出待分析信號 ， 然后用檢波器將該頻率分量變?yōu)橹绷餍盘?， 再送到顯示器將直流信號的幅度顯示出來 。 為顯示輸入信號的各頻率分量 ， 帶通濾波器的中心頻率是多個或可變的 。 ? 檔級濾波式頻譜儀 ? 并行濾波式頻譜儀 ? 掃頻濾波式頻譜儀 ? 數(shù)字濾波式頻譜儀 檔級濾波式頻譜儀 也叫順序濾波頻譜儀 ， 由多個 通帶互相銜接的帶通濾波器 和 共用檢波器 構(gòu)成 。 用多個頻率固定且相鄰的窄帶帶通濾波器陣列來區(qū)分被測信號的各種頻率成分 ， 因此得以全面記錄被測信號 。 前置放大器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器門門門門脈沖分配器脈沖發(fā)生器階梯波發(fā)生器X 放大Y 放大ux檢波這種方法簡單易行 ， 但在頻帶較寬或較高頻段的情況下需要大量濾波器 ， 儀器體積過大；由于通帶窄 ， 分辨力和靈敏度都不是很高 。 一般用于低頻段的音頻測試等場合 。 并行濾波式頻譜儀 與檔級濾波式的區(qū)別在于每個濾波器之后都有各自的檢波器 ， 無需電子開關切換及檢波建立時間 ， 因此 速度快 ， 能夠滿足實時分析的需要 。 但是可顯示的頻譜分量數(shù)目取決于濾波器的數(shù)目 ， 所以需要大量的濾波器 。 Y 放大前置放大器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器窄帶濾波器檢波器檢波器檢波器檢波器電子掃描開關掃描發(fā)生器X 放大ux掃頻濾波式頻譜儀 實質(zhì)是一個中心頻率在整個寬帶頻率范圍內(nèi)可調(diào)諧的窄帶濾波器 。 當它的諧振頻率改變時 ， 濾波器就分離出特定的頻率分量 。 掃頻濾波式頻譜儀與檔級濾波式一樣 ， 是一種非實時頻譜測量 。 結(jié)構(gòu)簡單 ， 價格低廉 。 缺點是電調(diào)諧濾波器損耗大 、 調(diào)諧范圍窄 、 頻率特性不均勻 、分辨率差 ， 目前這種方法只適用于窄帶頻譜分析 。 視頻檢波器X 放大Y 放大ux 電調(diào)諧濾波器鋸齒波發(fā)生器數(shù)字濾波式頻譜儀 數(shù)字濾波式頻譜儀在現(xiàn)代頻譜分析儀中占有重要地位 。 數(shù)字濾波器的形狀因子較小 ， 因而提高了頻譜儀的頻率分辨率；具有數(shù)字信號處理的高精度 、 高穩(wěn)定性 、 可重復性和可編程性等普遍優(yōu)點 。 利用數(shù)字濾波器可以實現(xiàn)頻分或時分復用 ， 因此僅 用一個數(shù)字濾波器就可以實現(xiàn)與并行濾波式等效的實時頻譜儀 。 用單個數(shù)字濾波器代替多個模擬濾波器之后 ， 濾波器的中心頻率由時基電路控制使之順序改變 。 u xA/D 數(shù)據(jù)緩存 數(shù)字濾波器 數(shù)字檢波平均 顯示時基地址控制帶通濾波器的性能指標 ? 帶寬 通常是指 3dB帶寬 ，或稱半功率帶寬 分辨率帶寬 （ RBW） 反映了濾波器區(qū)分兩個相同幅度 、 不同頻率的信號的能力 實際濾波器理想濾波器3 d B 點3 d B 帶寬A20 fA20 f10 . 7 0 7f0f2f1R B WR B W R B W帶通濾波器的性能指標（續(xù) 1） ? 波形因子 dBff 1 f 23 d B6 0 d B0－ 20－ 40－ 6 0B3 d BB4 0 d BB6 0 d B3 d Bf0dBf 波型因子反映了區(qū)分兩個不等幅信號的能力，也稱 帶寬選擇性 波形因子定義為濾波器 60dB帶寬與 3dB帶寬之比： dBdB BBSF 3603/60 /? 也可用 40dB帶寬與 3dB帶寬之比表示 。 波形因子較小的濾波器的特性曲線更接近于矩形 ， 故波形因子也稱 矩形系數(shù) 等絕對帶寬或等信息量帶寬：外差式頻譜儀在一次分析過程中所用的分析濾波器帶寬恒定 。 恒帶寬濾波器的特性曲線在線性頻率刻度下 ， 關于濾波器的中心頻率 f0對稱 0 d B對數(shù)頻率1 0 d B2 0 d B3 0 d B4 0 d B5 0 d B0 . 2 f00 . 5 f0f02 f05f0倍頻程選擇性1 倍頻程 1 倍頻程帶通濾波器的性能指標（續(xù) 2） ? 恒帶寬與恒百分比帶寬 恒百分比帶寬濾波器的絕對帶寬 B與中心頻率f0的比值 （ 即相對帶寬 ） 是常數(shù) 。 掃描式頻譜儀 、檔級濾波式頻譜儀及并行濾波式頻譜儀大多采用恒百分比帶寬分析 。 在對數(shù)刻度下 ， 恒百分比帶寬濾波器的頻率特性曲線關于其中心頻率 f0對稱 。 常用 “ 倍頻程選擇性 ” 表示遠離中心頻率一倍頻率處 （ 2f0）的濾波器衰減量 。 帶通濾波器的性能指標（續(xù) 3） ? 濾波器響應時間 （ 建立時間） 信號從加到濾波器輸入端到獲得穩(wěn)定輸出所需的時間 。通常用達到穩(wěn)幅幅度的 90％ 所需的時間 TR來表述 ， 它與絕對帶寬 B成反比： TR∝ 1/B。 對恒百分比帶寬濾波器 ， 一般用達到穩(wěn)態(tài)輸出所需的 信號 周期數(shù)來代表： nR＝ f0 TR＝ TR/T0， 表示響應時間內(nèi)的周期數(shù) 。 寬帶濾波器的響應時間短 ， 測量速度快；窄帶濾波器建立時間較長 ， 但頻率分辨率更高 、 信噪比好 。 響應時間限制了頻譜儀的掃描分析速度 ， 影響實時頻譜分析的實現(xiàn) 。 外差式頻譜儀 ? 外差式頻譜儀的組成 ? 輸入通道 ? 中頻信號預處理 ? 檢波器 ? 視頻濾波器 ? 蹤跡處理 ? 參數(shù)之間的相互關系 外差式頻譜儀的頻率變換原理與超外差式收音機相同：利用無線電接收機中普遍使用的自動調(diào)諧方式 ， 通過改變掃頻本振的頻率來捕獲待測信號的不同頻率分量 。 也稱 掃頻外差式 頻譜儀 。 掃頻外差式方案是實施頻譜分析的傳統(tǒng)途徑 ， 在高頻段占據(jù)優(yōu)勢地位 。 外差式頻譜儀的組成 主要包括輸入通道 、 混頻電路 、 中頻處理電路 、 檢波和視頻濾波等部分 。 視頻濾波X 放大Y 放大f x檢波掃描信號發(fā)生器LOf LIF 濾波中頻信號處理輸入電路 外差式頻譜分析儀頻率范圍寬 、 靈敏度高 、 頻率分辨率可變 ， 是目前頻譜儀中數(shù)量最大的一種 。由于被分析的頻譜依次被順序采樣 ， 因而不能進行實時分析 。 這種分析儀只能提供幅度譜 ， 不能提供相位譜 。 輸 入 通 道 輸入通道也稱前端 ， 主要由 輸入衰減 、 低噪聲放大 、 低通濾波及混頻 等幾部分組成 ， 功能上相當于一臺寬頻段 、 窄帶寬的外差式自動選頻接收機 。 用于控制加到儀器后續(xù)部分的信號電平 ， 并對輸入信號取差頻以獲得固定的中頻 。 ? 輸入衰減： 一方面避免因信號電平過高而引起的失真 ， 同時起到阻抗匹配的功能 ， 盡可能降低源負載與混頻器之間的失配誤差 ? 低噪聲放大：對輸入電平進行調(diào)整 ， 保證混頻器輸入電平滿足一定的幅度要求 ， 獲得較佳混頻效果 輸入通道（續(xù) 1） ? 外差式頻率變換原理 AffIfXfLfi m agΔ f = fI輸入濾波鏡像頻率頻率變換| fL177。 fX | = fI 如果輸入頻率的范圍大于 2fI， 將與鏡頻在本振處交疊 。 通常的頻譜儀輸入頻率非常寬 ， 一般的抑制鏡頻濾波器難以實現(xiàn)調(diào)諧 。 解決辦法是選擇 高中頻 ， 本振頻率也相應提高 輸入通道（續(xù) 2） ? 抑制鏡頻的 高中頻解決方案 ffI頻率變換輸入頻率范圍本振頻率范圍鏡像頻率范圍低通濾波fI = fL fXfI = fi m ag fL鏡頻范圍遠在輸入頻率范圍之上 ，兩者不會交疊；中頻頻率越高 ，鏡頻距本振越遠 ，可避免因交疊而帶來的濾波器實現(xiàn)問題 。 因此 用固定調(diào)諧的低通濾波器在混頻之前濾去鏡頻 即可 輸入通道（續(xù) 3） ? 多級混頻 高中頻很難實現(xiàn)窄帶帶通濾波和性能良好的檢波 ， 需要進行多級變頻 （ 混頻 ） 處理 。 第一混頻實現(xiàn)高中頻頻率變換 ， 再由第二 、 三級甚至第四級混頻將固定的中頻逐漸降低 。 每級混頻之后有相應的帶通濾波器抑制高次諧波交調(diào)分量 。 低通濾波 帶通濾波 帶通濾波射頻輸入1 0 0 KH z~3 GH z第一本振4 GH z ~6 .9 GH z3 .9 GH z第二本振 第三本振3 .5 6 GH z3 4 0 M Hz3 2 9 .3 M Hz1 0 .7 M Hz中頻信號預處理 中頻信號預處理主要是在被檢測之前完成對固定中頻信號的 自動增益放大 、 分辨率濾波 等處理 。 中頻濾波器的帶寬通?？沙炭?， 以提供不同的頻率分辨率 。 ? 中頻信號幅度調(diào)節(jié) ：由自動增益電路完成 。 末級混頻的增益必須能夠以小步進精密調(diào)節(jié) ， 以保持后續(xù)電路中的最大信號電平固定而不受前端的影響 。 ? 中頻濾波器 ：用于減小噪聲帶寬 、 分辨各頻率分量 。 頻譜儀的分辨率帶寬由最后一個中頻濾波器的帶寬決定 。 數(shù)字濾波器選擇性較好 、 沒有漂移 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)極穩(wěn)定的窄分辨率帶寬 。 檢 波 器 在模擬式頻譜儀中 ， 采用檢波器來產(chǎn)生與中頻交流信號的電平成正比的直流電平 ， 以獲取待測信號的幅度信息 。 常用包絡檢波器 。 最簡單的包絡檢波器由一個二極管和一個并聯(lián) RC電路串接而成 。 只要恰當?shù)剡x擇檢波器的 R、 C值 ， 就可獲得合適的時間常數(shù)以確保檢波器跟隨中頻信號的包絡變化而變化 。 頻率掃描速度的快慢也會對檢波輸出產(chǎn)生影響 ， 掃速太快會使檢波器來不及響應 。 視頻濾波器 視頻濾波器用于對顯示結(jié)果進行平滑或平均 ， 以減小噪聲對信號幅度的影響 。 ? 基本原理 ：視頻濾波器實質(zhì)是低通濾波器 ， 它決定了驅(qū)動顯示器垂直方向的視頻電路帶寬 。 當視頻濾波器的截止頻率小于分辨率帶寬時 ， 視頻系統(tǒng)跟不上中頻信號包絡的快速變化 ，因此使信號的起伏被 “ 平滑 ” 掉 。 ? 應用 ：主要應用于噪聲測量 ， 特別是在分辨率帶寬 （ RBW）較大時 。 減小視頻濾波器的帶寬 （ VBW） 將削弱或平滑噪聲峰 峰值的變化 ， 當 VBW/RBW 時 ， 平滑效果非常明顯 。 蹤跡處理 頻譜儀進行一次掃描所得的頻譜圖的跡線即 “ 蹤跡 ”（ Trace） ， 也有 “ 掃跡 ” 、 “ 軌跡 ” 、 “ 軌跡線 ” 等不同譯法 。 ? 標記 （ Marker） ：蹤跡上特定的幅度點或頻率點借助標記功能可以非常方便 、 直觀地實現(xiàn)多種功能 ， 如找最大 /最小值 、測量相對幅度或頻率等 ， 并有助于改善相對測量精度 、 減小讀數(shù)誤差 。 ? 蹤跡平均處理 ：為了平滑圖像 、 降低噪聲 ， 對同一輸入信號多次掃描所得的蹤跡進行的處理 。 蹤跡平均的基本算法是將來自多個蹤跡的相同頻點上的數(shù)據(jù)一一進行加權(quán)平均 ， 形成一個平滑蹤跡 。 蹤跡處理（續(xù) 1） ? 兩種蹤跡平均 ?線性加權(quán)蹤跡平均 ：即 算術平均 ， 采用相同的加權(quán)系數(shù) ， 是一種最便捷的數(shù)據(jù)加權(quán)計算 。 ???niia v g SnA11其中： n—— 加權(quán)因子 ， 即進行平均的蹤跡數(shù)目 Aavg—— 平均后的蹤跡值 Si—— 未經(jīng)平均的各次蹤跡的測量值 ， i = 1 , 2 , … , n 蹤跡處理（續(xù) 2） ? 指數(shù)加權(quán)蹤跡平均 ： 也稱掃描平均 、 視頻平均 ，是在每個掃描點上采用指數(shù)加權(quán)的方法得到新的平均蹤跡 。 指數(shù)加權(quán)的原則是最新 （ 最近 ） 的蹤跡樣本或記錄的權(quán)最重 ， 先前蹤跡的樣本或記錄的權(quán)依序呈指數(shù)減小 。 計算式如下： 111???????? ???nnav g AnnSA其中 n—— 加權(quán)平均因子，即已完成掃描的蹤跡數(shù) Aavg—— 平均之后的蹤跡值 Sn—— 未經(jīng)平均的當前蹤跡的測量值 An1—— 前一次掃描的平均蹤跡值 參數(shù)之間的相互關系 頻譜儀的各項參數(shù)設置不是孤立的 。 為了避免引入測量誤差 ， 正常工作時這些參數(shù)相互之間以某種方式 “ 聯(lián)動 ”（ Coupling） 設置 ， 即只要改變其中任何一項 ， 其余各項參數(shù)都會隨之自動變化 。 ? 掃描時間 、 掃描寬度 、 頻率分辨率 、 視頻帶寬 由于使用了濾波器 ， 掃描時間受限于中頻濾波器和視頻濾波器的響應時間 。 若不滿足所需的最短掃描時間 ， 濾波器未達到穩(wěn)態(tài)