【正文】 而 在頻率覆蓋范圍上 FFT分析儀不及外差式頻譜儀 。而 FFT分析儀的速度僅取決于量化和 FFT計算所需的時間，在相等的頻率分辨率下， FFT分析儀較外差式頻譜儀快得多。 FFT分析儀比外差式頻譜儀測量速度快 。計算方程如下： 216。 基 2的時間抽取 DFT算法（蝶形算法） 基本原理 對任何一個 2的整數(shù)次冪 N = 2M， 總可以通過 M次分解成為 2點 DFT計算。波、抽取等其他數(shù)字信號處理。 FFT分析的硬件實現(xiàn)可選方案 ： ASIC、 FPGA、 DSP選擇準(zhǔn)則： 可編程性、集成度、開發(fā)周期、性能、功耗可 編 程性 集成度 開 發(fā) 周期 性能 功耗ASIC 低 較 低 短 最佳 中FPGA 較 高 高 最 長 兩者相當(dāng)?shù)虳SP 最高 高 較長 高電子測量原理第 79頁 FFT的硬件實現(xiàn)（續(xù)）u 選用哪種方案實現(xiàn)頻譜分析？ ASIC： 提供有限的可編程性和集成水平，通常可為某項固定功能提供最佳解決方案； FPGA： 可為高度并行或涉及線性處理的高速信號處理提供最佳解決方案，如數(shù)字濾波器等的設(shè)計； DSP： 可為復(fù)雜決策分析等功能提供最佳可編程解決方案，如 FFT這樣具有順序特性的信號處理。 其他特性 可選的窗函數(shù)種類；數(shù)據(jù)觸發(fā)方式；顯示方式；結(jié)果存儲、輸入 /輸出功能等。若是實信號的功率譜計算，則速度可以提高一倍。電子測量原理第 77頁 FFT分析儀的性能指標(biāo)（續(xù) 2）216。 幅度讀數(shù)精度 ：幅度譜線的誤差來源包括計算處理誤差、頻譜混疊誤差、頻譜泄漏誤差以及每次單個記錄分析所含的統(tǒng)計誤差等。 靈敏度 ：取決于本底噪聲，主要由前置放大器噪聲決定。 動態(tài)范圍 ：取決于 ADC的位數(shù)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)運算的字長或精度。電子測量原理第 76頁 FFT分析儀的性能指標(biāo)（續(xù) 1）216。 頻率分辨率 ：采樣頻率一定時， FFT的點數(shù)越多，頻率分辨率越高。最高 fS由ADC的性能決定。 頻率范圍 ：由采樣頻率 fS決定。216。 常用解決辦法是 使用窗函數(shù)與時間記錄相乘 ，即強迫波形在有限長度的時間記錄之外變?yōu)榱?，于是波形不再有瞬變現(xiàn)象 。 頻譜泄漏及其處理 FFT在原理上是采用有限長的時間記錄進(jìn)行付氏變換，并在總體上不斷重復(fù)以代表對無限長實際序列的積分。 使用數(shù)字濾波器可以同時實現(xiàn)抽取和濾波，其抽取因子及濾波參數(shù)可程控。 解決方案 ：在不改變 fS和 N的前提下對數(shù)字信號進(jìn)行抽取，以此降低數(shù)據(jù)率。 降數(shù)據(jù)率抽取與抗混疊濾波 要提高 FFT分析儀的頻譜分辨率，可采取降低采樣速率 fS， 或增加 FFT分析點數(shù)的措施。 分析頻帶的搬移 a： ADC之后待測中頻信號的頻譜；b： 數(shù)字正弦波的頻譜c： 數(shù)字混頻器輸出頻譜 可見，原來的中頻帶限信號被搬移到了基帶，因此這個過程也叫數(shù)字下變頻（ DDC） 。如果將正弦波頻率選擇為 ADC輸出的中頻帶限信號的下截止頻率，混頻后恰好將中頻帶限信號向下搬移到了基帶。 FFT分析儀中的數(shù)字混頻 FFT實質(zhì)上是基帶變換，對窄帶帶通信號有所限制。 FFT形成的頻譜相對于折疊頻率 ff（ ff = fS /2） 對稱，因此輸出頻率的前半部分是多余的，只需保留（N/2） +1個有效節(jié)點，對應(yīng)于頻率從 0到 fS /2 ，故 FFT的輸出頻率范圍為 0~fS /2， 類似于低通濾波。將 N個采樣點作為時間記錄輸入，得到 N個節(jié)點的頻譜輸出，輸出記錄的復(fù)數(shù)值同時包含幅度、相位信息。電子測量原理第 69頁 FFT分析儀的特點167。接下來對信號進(jìn)行時域波形的采樣和量化，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信息。 電子測量原理第 68頁 FFT分析儀原理216。電子測量原理第 67頁 付里葉分析儀u FFT分析儀的原理u FFT分析儀的實現(xiàn)u FFT分析儀與外差式頻譜分析儀 付里葉分析儀將輸入信號數(shù)字化，再對時域數(shù)字信息進(jìn)行 FFT變換以獲得頻域表征，屬于數(shù)字式頻譜儀。為避免非線性失真，所顯示的最大輸入電平（參考電平）必須位于 1dB壓縮點之下。通常出現(xiàn)在輸入衰減 0dB的情況下，由第一混頻決定。 1dB壓縮點和最大輸入電平 1dB壓縮點 ：在動態(tài)范圍內(nèi)，因輸入電平過高而引起的信號增益下降 1dB時的點。為單位。本底噪聲會導(dǎo)致輸入信號信噪比，也是頻譜儀靈敏度的量度。216。實際混頻器會產(chǎn)生本振和射頻信號。對這種零頻響應(yīng)的電平，通常用相對于滿刻度響應(yīng)的 dB數(shù)度量。電子測量原理第 65頁 幅度指標(biāo)（續(xù) 2）216。 靈敏度 /噪聲電平 頻譜儀在特定的分辨率帶寬下，或歸一化到 1Hz帶寬時的本底噪聲，常以 dBm為單位。動態(tài)范圍受限于輸入混頻器的失真特性、系統(tǒng)靈敏度和本振信號的相位噪聲，其上限由頻譜儀的非線性失真決定。電子測量原理第 64頁 幅度指標(biāo)（續(xù) 1）216。 絕對幅度精度 是針對滿刻度信號的指標(biāo)，受輸入衰減、中頻增益、分辨率帶寬、刻度逼真度、頻響及校準(zhǔn)信號本身的精度等的綜合影響； 相對幅度精度 與測量方式有關(guān)，在理想情況下僅有頻響和校準(zhǔn)信號精度兩項誤差來源，測量精度可以達(dá)到非常高。電子測量原理第 63頁 幅度指標(biāo)216。 有效設(shè)置頻譜儀參數(shù)可使相噪達(dá)到最小，但無法消除 。通常用在源頻率的某一頻偏上相對于載波幅度下降的 dBc數(shù)值表示，如在 9KHz頻偏處＜－ 90dBc。電子測量原理第 62頁 頻率指標(biāo)（續(xù) 4）216。與掃描時間相關(guān)的因素主要有頻率掃描范圍、分辨率帶寬、視頻濾波。 掃描時間 （ Sweep Time， 簡作 ST） 即進(jìn)行一次全頻率范圍的掃描、并完成測量所需的時間，也叫分析時間。不同的頻譜儀有不同的 A、 B、 C值。電子測量原理第 60頁 頻率指標(biāo)（續(xù) 2）216。 現(xiàn)代頻譜儀通常具有可變的 RBW ， 按照 139或125的典型步進(jìn)變化。 對濾波式頻譜分析儀而言， 中頻濾波器的 3dB帶寬決定了可區(qū)分的兩個等幅信號的最小頻率間隔。 頻率分辨率（ Resolution） 表征了將最靠近的兩個相鄰頻譜分量分辨出來的能力。掃描寬度表示頻譜儀在一次測量（也即一次頻率掃描）過程中所顯示的頻率范圍，可以小于或等于輸入頻率范圍。 頻率掃描寬度（ Span） 另有分析譜寬、掃寬、頻率量程、頻譜跨度等不同叫法?，F(xiàn)代頻譜儀的頻率范圍通常可從低頻段至射頻段，甚至微波段，如 1KHz~4GHz。 1dB壓縮點和最大輸入電平壓縮點和最大輸入電平頻率指標(biāo)幅度指標(biāo)電子測量原理第 58頁 頻率指標(biāo)216。 本振直通本振直通 /直流響應(yīng)直流響應(yīng)216。 動態(tài)范圍動態(tài)范圍216。 相位噪聲 /頻譜純度216。 頻率精度216。 頻率掃描寬度216。電子測量原理第 57頁 外差式頻譜儀的主要性能指標(biāo)216。因此， 輸入衰減及中頻增益的選擇需折中考慮 。電子測量原理第 56頁 參數(shù)之間的相互關(guān)系（續(xù) 4） 輸入信號過大可能導(dǎo)致第一混頻受損，因此高電平輸入必須衰減，衰減量取決于第一混頻及其后續(xù)部分的動態(tài)范圍。因為放大、檢波及 A/D轉(zhuǎn)換器件的動態(tài)范圍都很小，不可能在同一次測量的設(shè)置下同時達(dá)到這兩個限制。 參數(shù)部分聯(lián)動設(shè)置的經(jīng)驗公式 正弦信號測量 —— RBW/VBW=~1 脈沖信號測量 —— RBW/VBW=噪聲信號測量 —— RBW/VBW=9 電子測量原理第 55頁 參數(shù)之間的相互關(guān)系（續(xù) 3）216。 當(dāng) K=，應(yīng)有 RBW/VBW≤1 ； 若使用數(shù)字濾波器（取 K=1）， 為了確保視頻濾波器的穩(wěn)定，應(yīng)有RBW/VBW≤ 。電子測量原理第 54頁 參數(shù)之間的相互關(guān)系（續(xù) 2）167。 VBWRBW 時：所需的 STmin受限于視頻濾波器的響應(yīng)時間。此時，中頻濾波器的響應(yīng)時間僅與 RBW 2成反比 ：其中 K為比例因子 ，取值與濾波器類型及其響應(yīng)誤差有關(guān)。電子測量原理第 53頁 參數(shù)之間的相互關(guān)系（續(xù) 1）167。若不滿足所需的最短掃描時間，濾波器未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，會導(dǎo)致信號的幅度損耗和頻率偏移。216。 計算式如下：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(dāng)前蹤跡的測量值A(chǔ)n1—— 前一次掃描的平均蹤跡值電子測量原理第 52頁 參數(shù)之間的相互關(guān)系 頻譜儀的各項參數(shù)設(shè)置不是孤立的。 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。 線性加權(quán)蹤跡平均 ：即 算術(shù)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。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(jìn)行加權(quán)平均，形成一個平滑蹤跡。u 標(biāo)記 （ Marker）： 蹤跡上特定的幅度點或頻率點借助標(biāo)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。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(dāng) VBW/RBW 時，平滑效果非常明顯。當(dāng)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(luò)的快速變化，因此使信號的起伏被 “平滑 ”掉。 電子測量原理第 48頁 視頻濾波器 視頻濾波器用于對顯示結(jié)果進(jìn)行平滑或平均，以減小噪聲對信號幅度的影響。只要恰當(dāng)?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(luò)變化而變化。常用包絡(luò)檢波器。 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。u 中頻濾波器 ：用于減小噪聲帶寬、分辨各頻率分量。u 中頻信號幅度調(diào)節(jié) ：由自動增益電路完成。電子測量原理第 46頁 中頻信號預(yù)處理 中頻信號預(yù)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。 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。解決辦法是選擇 高中頻 ，本振頻率也相應(yīng)提高電子測量原理第 44頁 輸入通道（續(xù) 2）u 抑制鏡頻的 高中頻解決方案 鏡頻范圍遠(yuǎn)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(yuǎn)，可避免因交疊而帶來的濾波器實現(xiàn)問題。 fX | = fI 如果輸入頻率的范圍大于 2fI， 將與鏡頻在本振處交疊。 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(fù)載與混頻器之間的失配誤差216。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。相位譜。這種分析儀只能提供幅度譜，不能提供。率分辨率可變，是目前頻譜儀中數(shù)量最大的一種。 電子測量原理第 41頁 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。也稱 掃頻外差式 頻譜儀。 蹤跡處理216。 檢波器216。 輸入通道216。電子測量原理第 39頁 外差式頻譜 儀216。 寬帶濾波器的響應(yīng)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 。通常用達(dá)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。常用 “倍頻程選擇性 ”表示遠(yuǎn)離中心頻率一倍頻率處（ 2f0）的濾波器衰減量。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。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)電子測量原理第 36頁 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。變。用單個數(shù)字濾波器代替多個模擬濾波器。性等普遍優(yōu)點。數(shù)字濾波器的形狀因子較小，因有重要地位。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、分辨率差，目前這種方法只適用于窄帶頻譜分析。缺點是電。 掃頻濾波式頻譜儀與檔級濾波式一樣，是一種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非實時頻譜測量 。電子測量原理第 31頁 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。電子測量原理