頻譜分析儀

頻譜分析儀，是電學測量技術中用來記錄和顯示頻率范圍內信號的一種測量設備。 顯示通常在測量設備內置的屏幕上，水平軸（橫坐標）是頻率軸，振幅顯示在垂直軸（縱坐標）上。 生成的圖像稱為頻譜，簡稱頻譜。 相比之下，與頻譜分析儀相關的測量設備——示波器，顯示的是時域的信號曲線，現在很多數字示波器也提供了簡單顯示頻譜的選項。

頻率分析儀器主要用于電路開發和高頻測量技術領域。 音譜分析儀的過時術語是“全景接收器”和“波指示器”。

有幾種方法可以測量信號的復值頻譜 X _ 。 由于頻率分析儀一般不能建立參考相位和被測信號及其相位位置的時間參考，只能建立頻譜的xxx值，即所謂的幅度譜 | X _ | ，確定并顯示。 一些樣品光譜，包括它們的數學描述可以在或

音譜分析儀的不同測量方法很常見：

• 直接基于快速傅立葉變換（簡稱 FFT）的 FFT 分析器。
• 帶有全帶寬可調諧帶通濾波器的分析儀。
• 音頻分析儀基于外差原理，內置測量接收器、混頻器和中頻級。

程序如下所述。 數字音頻分析儀也可能包含多種測量方法的組合，以便能夠利用各個方法的優勢。

頻譜直接借助于傅里葉變換計算（快速傅里葉變換用于通常的數字測量設備）。 數字示波器中的頻譜顯示大多基于這種方法。 這種類型的測量稱為時域測量或時域方法。

優點是測量設備的技術投入相對較低，缺點是可以實現的帶寬較低，或者在高帶寬的情況下，只有低光譜分辨率和減小的動態范圍。 100 dB 的高動態范圍僅在高達 100 kHz 的頻率下在技術上是可行的。 但是，可以通過使用前置放大器稍微增加動態范圍。

FFT 分析儀的結構如簡化框圖所示。 輸入信號經過低通濾波以避免混疊，然后使用模數轉換器（AD 轉換器）進行數字化。 隨后存儲在中間存儲器 (RAM) 中，并使用合適的窗口函數計算 FFT。 憑借高信號處理速度，實時分析成為可能。 由于塊形成的特性，FFT 分析儀僅有條件地適用于分析隨時間變化很大的頻譜或脈沖信號。

音頻分析儀也可以直接在輸入端使用可調帶通濾波器來實現。 濾波器的中心頻率可以通過鋸齒波發生器產生的控制信號進行調整。 鋸齒波信號用作自動運行通過待測頻率范圍的控制信號，也用作顯示器中水平偏轉（x 軸）的信號。 帶通濾波器只允許所需頻率范圍的部分通過，以這種方式過濾的信號被放大，然后由包絡曲線解調器形成xxx值，用二極管表示。 以這種方式形成的幅度值用作顯示器中的垂直偏轉（y軸）。

這種分析儀概念的難點在于可在整個頻率范圍內調諧的窄帶帶通濾波器的實際可行性。 此外，由于工作原理，模擬帶通濾波器具有幾乎恒定的相對帶寬。 這意味著隨著中心頻率的增加，帶通濾波器的xxx帶寬增加，從而降低了頻譜分辨率。

因此，只有可調諧帶通濾波器的音頻分析儀不會作為單獨的分析儀制造，而只能與其他分析方法結合使用。 一個應用領域是用于 3 GHz 以上頻率范圍內的輸入級，通常可調諧性超過 w不到五年。 在微波范圍內的這些高頻下，可以通過適當的參數在技術上實現基于材料釔鐵石榴石的磁可調諧 YIG 濾波器。 然而，即使在這個應用領域，經過濾波的輸入信號也不會直接饋送到包絡解調器，而是形成一個中頻，然后根據外差原理將其饋送到分析級。

外差式分析儀與外差式接收機一樣，都是基于本地振蕩器 (LO) 和頻偏混頻器的使用。 要測量的頻帶使用鋸齒波發生器進行調諧，如右??圖所示。 鋸齒波信號驅動本地振蕩器，通常作為壓控振蕩器 (VCO) 實現，它為輸入端的混頻器級提供頻率。 由混頻器形成的中頻信號 (IF) 被放大，饋送到對數轉換器以增加動態并避免削波，然后通過包絡曲線解調器形成幅度信號。 對數轉換器還允許以分貝為單位直接顯示振幅譜。 所謂的視頻濾波器，位于顯示器的正前方，是一種可調節的低通濾波器。 視頻濾波器一詞有其歷史原因，它主要是通過平均振幅譜來降低噪聲。 以這種方式過濾的包絡信號在垂直方向 (y) 上饋送到顯示器。

按照這種方法工作的音頻分析儀器作為測量設備的結構比簡化框圖要復雜得多。 其中，幾個中頻用于此目的。 xxx中頻通常高于最高可調測量頻率，以確保清晰度并避免不需要的混頻產物。 在實際外差分析儀中，這種高頻中頻通過額外的中頻級（通常是另外兩個 IF 級）在包絡曲線解調器之前轉換為信號。

避免高中頻的一種方法是調制本地振蕩器并使用數字信號處理計算出圖像頻率的方法。 這種方法具有非常低的噪音水平。 基于這種方法的設備在較高頻率范圍內運行，已經接近 ?174 dBm/Hz 的物理噪聲限制。

來自本地振蕩器的信號質量對音頻分析儀的質量有很大影響，因為 LO 信號的頻譜寬度隨著統計分辨率帶寬 RBW的有效增加而顯著增加IF 濾波器具有盡可能陡峭的側翼。 噪聲邊帶限制了測量靈敏度； 本地振蕩器的相對較慢的頻率波動（例如由于小的溫度變化）會導致顯示模糊并增加測量的不確定性。

在頻譜分析儀的情況下，除了濾波器帶寬的選擇和窗口函數的選擇之外，振幅譜的顯示類型可以受到用戶可以選擇的檢測器的影響。 檢測器根據設備的不同而不同，它們布置在視頻濾波器之后和顯示單元之前，例如，允許將振幅譜顯示為峰值（例如xxx值或最小值）、有效值或作為在可調區間范圍內確定的算術平均值。

在外差分析儀中，各種可調參數之間存在依賴關系，例如鋸齒波發生器指定的掃描時間、模擬或數字 IF 級的帶寬、建立時間和視頻濾波器的帶寬（如果小于分辨率）帶寬。 一般來說，以下關系適用于所需的最小吞吐量時間 T s w e e p：

T s w e e p = k ? Δ f B Z F 2

其中 Δ f作為要表示的頻率范圍（英語跨度）和 B Z F? 中頻級的分辨率帶寬。 比例因子 k ≥ 1 描述了額外需要的穩定時間，取決于設備和 IF 濾波器級的具體結構。 為了盡可能小的瞬態誤差，需要xxx可能的 k 值。 實際上，大約 0.15 dB 的瞬態誤差是可以容忍的，k 的通常取值范圍是 1 到 2.5。