頻譜分析儀的原理與特點

        早期的頻譜分析儀實質(zhì)上是一臺掃頻接收機，輸入信號與本地振蕩信號在混頻器變頻后，經(jīng)過一組并聯(lián)的不同中心頻率的帶通濾波器，使輸入信號顯示在一組帶通濾波器限定的頻率軸上。顯然，由于帶通濾波器由無源元件構(gòu)成，頻譜分析器整體上顯得很笨重，而且頻率分辨率不高。既然傅里葉變換可把輸入信號分解成分立的頻率分量，同樣可起著濾波器類似的作用，借助快速傅里葉變換電路代替低通濾波器，使頻譜分析儀的構(gòu)成簡化，分辨率增高，測量時間縮短，掃頻范圍擴大，這就是現(xiàn)代頻譜分析儀的優(yōu)點了。

頻譜分析儀和FFT頻譜分析儀 　　

       傳統(tǒng)的頻譜分析儀的電路是在一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機，輸入信號經(jīng)下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*寬的測量儀器之一。無論測量連續(xù)信號或調(diào)制信號，頻譜分析器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。首先，它只適于測量穩(wěn)態(tài)信號，不適宜測量瞬態(tài)事件；**，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；第三，它需要多種低頻帶通濾波器，獲得的測量結(jié)果要花費較長的時間，因此被視為非實時儀器。

       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*高輸入頻率是 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，*高輸入頻率取決全取樣率，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)?4ms，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。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 　　

       對于頻譜分析和電磁干擾測量來說，頻譜分析儀是通信測量儀器中常用的設(shè)備，由于具有大于100dB的動態(tài)范圍、低于-110dBc/Hz的噪聲、 1Hz-100Hz的帶寬、50GHz以上的頻率范圍，能夠接收到極微弱的信號和分辨出兩個幅度相差很大的信號。頻譜分析儀的缺點是只能顯示頻率分量的幅值，而不能獲得信號的相位。對于某些通信元器件和通信鏈路，幅值和相位必須能夠同時測量出來，前者如放大器和振蕩器，后者是**代至第三代的移動通信。

        前面曾提及，為了擴大基于FFT的頻譜分析儀的頻率范圍，可在前端增加下變頻器。同樣原理可用于矢量信號分析儀，它是傳統(tǒng)頻譜分析儀與FFT分析儀的結(jié)合，從而獲得在高頻和射頻頻率下的FFT分析能力，同時顯示幅度和相位信息。對于現(xiàn)代通信的數(shù)字調(diào)制分析，以及調(diào)幅/調(diào)頻/調(diào)相的解調(diào)都是非常有效的手段。頻譜分析儀的變頻前端擴展儀器到GHz的頻段，經(jīng)變頻后的輸入信號頻率變成適于FFT處理的頻段，電路中的濾波器與頻譜分析儀的濾波器不同，這里的濾波器不是選擇性的，而防止ADC變換過程產(chǎn)生的信號混疊，即變換過程中出現(xiàn)的虛假信號。ADC的輸出分成兩路，獲得同相和正交信號，經(jīng)DSP 作時間一頻率的FFT運算后由顯示屏獲得頻譜的幅度和相位。

        目前儀器公司供應(yīng)的矢量信號分析器的頻率范圍可達3GHz，測量對象是復(fù)雜的移動通信常用頻段的調(diào)制信號，如GSM、CDMA的基帶特性和載波特性。矢量信號分析儀的測量模式有：標(biāo)量、矢量、數(shù)字解調(diào)和門控測量。觸發(fā)可由基帶輸入信號或由中頻信號調(diào)節(jié)，包括觸發(fā)電平和相位。掃頻方式有單次和連續(xù)，對測量數(shù)據(jù)可多次平均，并用有效值（RMS）、峰值保持和指數(shù)坐標(biāo)指示。

小結(jié)

頻譜分析儀的頻率范圍*寬，靈敏度高，非常適于通信設(shè)備和鏈路的頻率分布測量，缺點是只能獲得輸入信號的幅值。矢量信號分析儀頻率范圍較低，利用FFT的特點能夠同時獲得幅度和相位，特別地**、二、三代移動通信，包括蜂窩、GSM和CDMA設(shè)備的測量。