【正文】 頻譜儀。 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(hào)，然后用檢波器將該頻率分量變?yōu)橹绷餍盘?hào)，再送到顯示器將直流信號(hào)的幅度顯示出來。 252。 并行濾波式頻譜儀252。 數(shù)字濾波式頻譜儀電子測(cè)量原理第 29頁 檔級(jí)濾波式頻譜儀 也叫順序?yàn)V波頻譜儀，由多個(gè) 通帶互相銜接的帶通濾波器 和 共用檢波器 構(gòu)成。 這種方法簡(jiǎn)單易行，但在頻帶較寬或較高頻段的這種方法簡(jiǎn)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一般用于低頻段的音頻測(cè)試等場(chǎng)合頻測(cè)試等場(chǎng)合 。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。當(dāng)它的諧振頻率改變時(shí)，濾波器就分離出特定的頻率分量。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。電子測(cè)量原理第 32頁 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(hào)而提高了頻譜儀的頻率分辨率；具有數(shù)字信號(hào)處理的高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和可編程處理的高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和可編程性等普遍優(yōu)點(diǎn)。電子測(cè)量原理第 33頁 利用數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)頻分或時(shí)分復(fù)用，因此利用數(shù)字濾波器可以實(shí)現(xiàn)頻分或時(shí)分復(fù)用，因此僅僅 用一個(gè)數(shù)字濾波器就可以實(shí)現(xiàn)與并行濾波式等效的用一個(gè)數(shù)字濾波器就可以實(shí)現(xiàn)與并行濾波式等效的實(shí)時(shí)頻譜儀實(shí)時(shí)頻譜儀 。用單個(gè)數(shù)字濾波器代替多個(gè)模擬濾波器之后，濾波器的中心頻率由時(shí)基電路控制使之順序改之后，濾波器的中心頻率由時(shí)基電路控制使之順序改變。電子測(cè)量原理第 34頁 帶通濾波器的性能指標(biāo)u 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(gè)相同幅度、不同頻率的信號(hào)的能力電子測(cè)量原理第 35頁 帶通濾波器的性能指標(biāo)（續(xù) 1）u 波形因子 波型因子反映了區(qū)分兩個(gè)不等幅信號(hào)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： 也可用 40dB帶寬與 3dB帶寬之比表示。 恒帶寬濾波器的特性曲線在線性頻率刻度下，關(guān)于濾波器的中心頻率 f0對(duì)稱帶通濾波器的性能指標(biāo)（續(xù) 2）u 恒帶寬與恒百分比帶寬電子測(cè)量原理第 37頁 恒百分比帶寬濾波器的絕對(duì)帶寬 B與中心頻率f0的比值（即相對(duì)帶寬）是常數(shù) 。 在對(duì)數(shù)刻度下，恒百分比帶寬濾波器的頻率特性曲線關(guān)于其中心頻率 f0對(duì)稱。電子測(cè)量原理第 38頁 帶通濾波器的性能指標(biāo)（續(xù) 3）u 濾波器響應(yīng)時(shí)間 （ 建立時(shí)間） 信號(hào)從加到濾波器輸入端到獲得穩(wěn)定輸出所需的時(shí)間。 對(duì)恒百分比帶寬濾波器，一般用達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出所需的 信號(hào) 周期數(shù)來代表： nR＝ f0TR＝ TR/T0， 表示響應(yīng)時(shí)間內(nèi)的周期數(shù)。響應(yīng)時(shí)間限制了頻譜儀的掃描分析速度，影響實(shí)時(shí)頻譜分析的實(shí)現(xiàn)。 外差式頻譜儀的組成216。 中頻信號(hào)預(yù)處理216。 視頻濾波器216。 參數(shù)之間的相互關(guān)系電子測(cè)量原理第 40頁 外差式頻譜儀的頻率變換原理與超外差式收音機(jī)相同：利用無線電接收機(jī)中普遍使用的自動(dòng)調(diào)諧方式，通過改變掃頻本振的頻率來捕獲待測(cè)信號(hào)的不同頻率分量。掃頻外差式方案是實(shí)施頻譜分析的傳統(tǒng)途徑，在高頻段占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。 外差式頻譜分析儀頻率范圍寬、靈敏度高、頻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(jìn)行由于被分析的頻譜依次被順序采樣，因而不能進(jìn)行實(shí)時(shí)分析實(shí)時(shí)分析 。這種分析儀只能提供幅度譜，不能提供相位譜。電子測(cè)量原理第 42頁 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(dāng)于一臺(tái)寬頻段、窄帶寬的外差式自動(dòng)選頻接收機(jī) 。216。 低噪聲放大：對(duì)輸入電平進(jìn)行調(diào)整，保證混頻器輸入電平滿足一定的幅度要求，獲得較佳混頻效果電子測(cè)量原理第 43頁 輸入通道（續(xù) 1）u 外差式頻率變換原理| fL177。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(shí)現(xiàn)調(diào)諧。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電子測(cè)量原理第 45頁 輸入通道（續(xù) 3）u 多級(jí)混 頻 高中頻很難實(shí)現(xiàn)窄帶帶通濾波和性能良好的檢波，需要進(jìn)行多級(jí)變頻（混頻）處理。 每級(jí)混頻之后有相應(yīng)的帶通濾波器抑制高次諧波交調(diào)分量。中頻濾波器的帶寬通?？沙炭?，以提供不同的頻率分辨率。末級(jí)混頻的增益必須能夠以小步進(jìn)精密調(diào)節(jié)，以保持后續(xù)電路中的最大信號(hào)電平固定而不受前端的影響。頻譜儀的分辨率帶寬由最后一個(gè)中頻濾波器的帶寬決定。電子測(cè)量原理第 47頁 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(hào)的電平成正比的直流電平，以獲取待測(cè)信號(hào)的幅度信息。 最簡(jiǎn)單的包絡(luò)檢波器由一個(gè)二極管和一個(gè)并聯(lián)RC電路串接而成。頻率掃描速度的快慢也會(huì)對(duì)檢波輸出產(chǎn)生影響，掃速太快會(huì)使檢波器來不及響應(yīng)。u 基本原理 ：視頻濾波器實(shí)質(zhì)是低通濾波器，它決定了驅(qū)動(dòng)顯示器垂直方向的視頻電路帶寬。u 應(yīng)用 ：主要應(yīng)用于噪聲測(cè)量，特別是在分辨率帶寬（ RBW ） 較大時(shí)。電子測(cè)量原理第 49頁 蹤跡處理 頻譜儀進(jìn)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。u 蹤跡平均處理 ：為了平滑圖像、降低噪聲，對(duì)同一輸入信號(hào)多次掃描所得的蹤跡進(jìn)行的處理。電子測(cè)量原理第 50頁 蹤跡處理（續(xù) 1）u 兩種蹤跡平均216。其中： n—— 加權(quán)因子，即進(jìn)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(cè)量值， i = 1 , 2 , …, n 電子測(cè)量原理第 51頁 蹤跡處理（續(xù) 2）216。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。為了避免引入測(cè)量誤差，正常工作時(shí)這些參數(shù)相互之間以某種方式 “聯(lián)動(dòng) ”（ Coupling） 設(shè)置，即只要改變其中任何一項(xiàng)，其余各項(xiàng)參數(shù)都會(huì)隨之自動(dòng)變化。 掃描時(shí)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(shí)間受限于中頻濾波器和視頻濾波器的響應(yīng)時(shí)間。為避免因此引起的測(cè)量誤差， 分辨率帶寬RBW 、 視頻帶寬 VBW 、 掃描時(shí)間 ST及 掃描寬度Span應(yīng)當(dāng)聯(lián)動(dòng)設(shè)置。 VBWRBW 時(shí)： ST不受視頻濾波器的影響。例如： 4級(jí)或 5級(jí)級(jí)聯(lián)的模擬濾波器， K?。桓咚箶?shù)字濾波器， K可取值 1甚至小于 1167。 VBW 越大，視頻濾波器的響應(yīng)越短，ST相應(yīng)也越小， VBW 與 ST成線性反比。 默認(rèn)的 VBW 設(shè)置原則 ：在保證不增加 ST的前提下盡最大可能實(shí)現(xiàn)濾波平均。167。 輸入衰減 、 中頻增益 、 參考電平 頻譜儀的幅度測(cè)量上限由允許輸入的最大電平?jīng)Q定，下限取決于儀器固有噪聲或本底噪聲。用戶會(huì)根據(jù)不同需要選擇最大顯示電平（參考電平），輸入衰減、中頻增益是兩個(gè)決定性因素?；祛l器電平過高，失真產(chǎn)生的頻率分量將會(huì)干擾正常顯示；衰減量過大則會(huì)導(dǎo)致信噪比降低，減小動(dòng)態(tài)范圍。 實(shí)際應(yīng)用中，即使參考電平非常低，通常也會(huì)將輸入衰減設(shè)置為最小值（如 9dB）， 以獲得較好的匹配，提高幅度測(cè)量精度。 輸入頻率范圍216。 頻率分辨率216。 掃描時(shí)間216。 幅度測(cè)量精度幅度測(cè)量精度216。 靈敏度靈敏度 /噪聲電平噪聲電平216。 本底噪聲本底噪聲216。 輸入頻率范圍 頻譜儀能正常工作的最大頻率區(qū)間，由掃描本振的頻率范圍決定。216。通常根據(jù)測(cè)試需要自動(dòng)調(diào)節(jié)，或人為設(shè)置。電子測(cè)量原理第 59頁 頻率指標(biāo)（續(xù) 1）216。主要由中頻濾波器的帶寬（即 RBW ） 決定，但最小分辨率還受本振頻率穩(wěn)定度的影響。如果區(qū)分不等幅信號(hào)，分辨率就與濾波器的形狀因子有關(guān)。最小的一 檔 RBW 值就是頻率分辨率指標(biāo)，如 90Hz。 頻率精度 即頻譜儀頻率軸的讀數(shù)精度，與參考頻率（本振頻率）穩(wěn)定度、掃描寬度 Span、 分辨率帶寬 RBW 等多項(xiàng)因素有關(guān)：其中： Δf—— 絕對(duì)頻率精度，單位 Hz； γref—— 參考頻率（本振頻率）相對(duì)精度； fx—— 頻率讀數(shù)； N—— 完成一次掃描所需的頻率點(diǎn)數(shù)； A%——Span的精度， B%——RBW 的精度， C—— 頻率常數(shù)。 電子測(cè)量原理第 61頁 頻率指標(biāo)（續(xù) 3）216。通常掃描時(shí)間越短越好，但為保證測(cè)量精度，掃描時(shí)間必須適當(dāng)。 現(xiàn)代頻譜儀通常有多檔掃描時(shí)間可選擇，最小掃描時(shí)間由測(cè)量通道的電路響應(yīng)時(shí)間決定。 相位噪聲 /頻譜純度 相位噪聲簡(jiǎn)稱相噪，是頻率短期穩(wěn)定度的指標(biāo)之一，反映了極短期內(nèi)的頻率變化程度，表現(xiàn)為載波邊帶，所以也稱邊帶噪聲。 相噪由本振信號(hào)頻率或相位不穩(wěn)定引起，還與分辨率帶寬有關(guān)： RBW 減小，相噪相應(yīng)降低 。相噪也是影響頻譜儀分辨不等幅信號(hào)的因素之一。 幅度測(cè)量精度 有絕對(duì)幅度精度和相對(duì)幅度精度之分，均由多方面因素決定。 儀器在出廠前要經(jīng)過校準(zhǔn)，各種誤差已被分別記錄下來并用于對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，顯示出來的幅度精度已有所提高。 動(dòng)態(tài)范圍 （ Dynamic Range） 即 同時(shí)可測(cè) 的最大與最小信號(hào)的幅度比。216。靈敏度指標(biāo)描述了頻譜儀在沒有輸入信號(hào)時(shí)因內(nèi)部噪聲而產(chǎn)生的讀數(shù)，常用最小可測(cè)的信號(hào)幅度來代表，數(shù)值上等于顯示平均噪聲電平（ DANL）。 本振直通 /直流響應(yīng) 因頻譜儀 本振饋通 而產(chǎn)生的直流響應(yīng)。頻譜儀的低端頻率距零頻較遠(yuǎn)（如 90KHz） 時(shí)，該指標(biāo)可以略去。當(dāng)本振頻率與中頻的中心頻率相同或非常接近時(shí)，這個(gè)對(duì)應(yīng)于零頻（直流）輸入的本振信號(hào)將通過中頻濾波器，即本振饋通。 本底噪聲（本底噪聲（ Noise Floor）） 即來自頻譜儀內(nèi)部的熱噪聲，也叫噪底，是系統(tǒng)固有噪聲即來自頻譜儀內(nèi)部的熱噪聲，也叫噪底，是系統(tǒng)固有噪聲，也是頻譜儀靈敏度的量度。本底噪聲會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)信噪比下降，它在頻譜圖中表現(xiàn)為接近顯示器底部的噪聲基線，常以下降，它在頻譜圖中表現(xiàn)為接近顯示器底部的噪聲基線，常以dBm為單位。電子測(cè)量原理第 66頁 幅度指標(biāo)（續(xù) 3）216。 1dB壓縮點(diǎn)表明了頻譜儀過載能力。輸入衰減增大， 1dB壓縮點(diǎn)的位置將同步增高。 最大輸入電平 反映了頻譜儀可正常工作的最大限度，它的值一般由通道中第一個(gè)關(guān)鍵器件決定： 0dB衰減時(shí)，第一混頻是最大輸入電平的決定性因素；衰減量大于 0dB時(shí)，最大輸入電平的值反映了衰減器的負(fù)載能力。由于采用微處理器或?qū)Ｓ眉呻娐?，速度明顯超過傳統(tǒng)的模擬式掃描頻譜儀，能進(jìn)行實(shí)時(shí)分析；但它同時(shí)受 A/D轉(zhuǎn)換器件的指標(biāo)限制，通常帶寬是有限的，工作頻段較低。 FFT分析儀原理及組成 輸入信號(hào)首先經(jīng)過可變衰減器以提供不同的幅度測(cè)量范圍，然后經(jīng)低通濾波器除去儀器頻率范圍之外的高頻分量。最后由微處理器利用 FFT計(jì)算波形的頻譜，并將結(jié)果顯示出來。 FFT的基本特性 FFT是一種面向記錄的算法。各節(jié)點(diǎn)之間的頻率間隔 fstep由時(shí)間記錄長(zhǎng)度 N和采樣頻率 fS決定： fstep=fS /N，第 n個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值為 fn=fSn/N。電子測(cè)量原理第 70頁 FFT分析儀的特點(diǎn)（續(xù) 1）167。通過 數(shù)字混頻 可實(shí)現(xiàn)頻譜儀分析頻帶的選擇：借助混頻器將 ADC的輸出與數(shù)字正弦波在時(shí)域中相乘，則在頻域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)頻譜搬移。電子測(cè)量原理第 71頁 FFT分析儀原理框圖電子測(cè)量原理第 72頁 FFT分析儀的特點(diǎn)（續(xù) 2）167。電子測(cè)量原理第 73頁 FFT分析儀的特點(diǎn)（續(xù) 3）167。過低的 fS會(huì)引起頻譜混疊、減小分析帶寬，還會(huì)導(dǎo)致信噪比下降； FFT的分析點(diǎn)數(shù)也不能無限增大，因?yàn)檫^大的數(shù)據(jù)量使數(shù)字信號(hào)處理器的負(fù)擔(dān)過重，過長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間也會(huì)影響顯示刷新速度。同時(shí)還需對(duì)抽取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以免頻譜混疊。電子測(cè)量原理第 74頁 FFT分析儀的特點(diǎn)（續(xù) 4）167。然而在重復(fù)波形時(shí)，某些波形的形狀和相位可能會(huì)有瞬變，這種情況下的 FFT頻譜與付氏變換積分的結(jié)果有較大差異，頻譜圖中會(huì)看到