频谱仪的分类与主要用途

频谱仪的分类

频谱分析仪,简称频谱仪,是用于显示输人信号的幅度(或功率)相对于频率分布的仪器。由干频谱仪的测量功能较多,因此被广泛应用干广播、电视、通信、雷达、导航、电子对抗及各种电路的设计、制造和电子设备的维护、修理等方面。

谱分析仪按照工作原理可以分为FFT分析仪、外差式频谱仪、数字频谱仪、实时频谱仪。

1.1 FFT分析仪

FFT分析仪就是直接对时域采样信号进行傅立叶变换,这需要对信号进行采样得到一组离散数据,并对其进行算法分析处理。我们知道低通采样定理需要采样频率大于2倍的信号频率,对于高频信号这将会对ADC提出了重要的挑战,而且在早期半导体技术限制,ADC的位数受限,其采样能力有限,因此,FFT分析仪一般常用于低频的信号分析,例如音频分析仪。

现代频谱仪也借鉴了FFT分析仪,使用了中频FFT技术,在中频进行ADC采样以后通过FFT变换获得中频采样带宽内的频谱。在RBW较小时,FFT技术获得频谱比传统扫描方式获得频谱的速度更快。

1.2 外差式频谱仪

用于射频微波频率范围的频谱分析仪通常采用超外差接收器的工作原理。所谓超外差就是把射频RF和本地振荡器频率LO进行混频,混频后输出结果在频域上表示,就是LO-RF和LO+RF,其中IF=LO-RF,就是中频输出。外差接收器在混频器的帮助下将输入信号(RF)转换到中频 (IF)。由于中频频率是固定的,可以通过切换不同带宽的带通滤波器实现不同的频率分辨率(RBW)。

模拟外差式频谱仪的中频滤波器、对数放大器、包络检波器、视频滤波器等功能都是由模拟器件实现的。

模拟频谱仪原理图 

图 1 模拟频谱仪原理图

 

1.3 数字频谱仪

数字频谱仪是使用数字中频技术的频谱仪。数字频谱仪在中频使用ADC进行数字采样,然后在数字域上实现中频滤波、对数放大、检波、视频滤波等一系列处理。

自20世纪80年代以来,频谱分析最深刻巨大的变化之一就是数字技术的应用代替了以往仪器中模拟电路实现的部分。得益于高性能模数转换器,数字中频对频谱分析仪的性能有很大提高,它极大地改善了其测量速度、精度以及利用高性能DSP技术测量复杂信号的能力。

数字频谱分析仪结构框图 

图 2 数字频谱分析仪结构框图

数字频谱仪在中频进行数字化采样后,除了可以测量频谱外也可以分析信号的幅度、相位、频偏等参数,因此也被称为信号分析仪。它广泛应用于通信系统的研发、调试和故障分析,对于评估无线系统性能和调试调制信号具有重要作用。

数字频谱仪与模拟频谱仪相比,其主要优点有:

1) 更高频率分辨率:数字滤波器可以实现更小的RBW,能够提供更高的频率分辨率,可以更精确地显示信号的频谱特征和细节。

2) 更好的矩形系数:数字滤波器的矩形系数比模拟滤波器更好,可以更好发现大信号附近的小信号。

3) 更快的扫描速度:数字滤波器比模拟滤波器的延时更小,同时数字频谱仪还可以使用FFT技术,因此数字频谱仪可以实现更快的扫描速度。

4) 更高准确度和稳定性:数字算法的准确度和稳定度都非常好,远超过模拟器件。数字滤波器可以实现更加准确和稳定的滤波器。数字技术实现的对数放大、检波等功能也更加准确。

5) 更多的功能:数字频谱分析仪具有较强的灵活性,可以实现更多的功能,可以进行实时分析、存储和后续处理。它可以提供多种功能和测量指标,可以分析信号的幅度、相位、频偏等参数。

 

1.4 实时频谱仪

实时频谱仪和FFT频谱仪基本原理几乎是一样的。同样是射频信号下变频到中频,然后ADC 数字化宽带 IF 信号,下变频、滤波和检测均以数字方式进行。时域到频域转换使用 FFT 算法完成。其中关键的区别就在于数字信号处理部分。在实时频谱仪中增加了实时 FFT 专门的硬件设备,这个设备提供实时 FFT 处理和频域摸板触发功能。其处理能力远远高于软件 FFT 处理,能够实时地处理采集到的数据。时域采集的信号通过FFT 变换转变到频域,当处理速度足够快时就可以做到实时处理。

连续波(CW)信号和可预测的重复信号对于经验丰富的射频工程师来讲不是难题,但是目前的复杂捷变信号以及多信号环境则是一项巨大挑战。实时频谱仪可用于测量这些复杂捷变信号以及多信号环境。

实时频谱分析仪能够对宽带信号进行实时的频谱分析,它采用宽带数字化技术,具有高分辨率和高灵敏度的特点。实时频谱分析仪广泛应用于通信、无线电监测、雷达和无线电频谱管理等领域。它能够实时监测信号的频谱占用情况,帮助识别干扰源和频谱利用效率,对于频谱监测和频谱管理具有重要意义。

 

 

2 频谱仪的主要用途

2.1 频谱仪在不同行业的应用

频谱分析仪在通信、雷达、广播电视、无线电频谱管理等领域中具有广泛的应用。

在通信领域,频谱分析仪发挥着重要的作用。它可以用于无线网络的频谱监测和频率规划,帮助确定最佳的频率资源分配,减少干扰和提高信号质量。频谱分析仪还可以用于无线电接收机的性能评估和调试,确保接收机在特定频率范围内工作正常。

在雷达系统中,频谱分析仪用于对雷达信号进行分析和测量。它可以帮助工程师评估雷达的发射功率、频谱宽度、脉冲重复频率等参数,以确保雷达系统的正常运行和性能优化。频谱分析仪还可以用于雷达干扰监测和分析,帮助识别和定位干扰源,保障雷达系统的可靠性和抗干扰能力。

在广播电视行业,频谱分析仪用于电视信号和广播信号的分析和测量。它可以帮助广播电视工程师评估信号的频谱占用情况、信号质量和干扰情况,确保广播电视信号的稳定传输和良好的观看体验。频谱分析仪还可以用于广播电视信号的宽带监测和频谱规划,提高频率资源的利用效率。

在频谱管理方面,频谱分析仪扮演着重要的角色。它可以用于频谱监测和频谱规划,帮助监管机构和频谱管理部门有效管理频率资源。频谱分析仪可以实时监测特定频段的频谱占用情况,识别非法信号和干扰源,并采取相应的措施来确保频谱的合理利用。通过频谱分析仪,频谱管理机构能够对频段的使用情况进行监控和调整,以满足不同用户和系统的需求。

在无线干扰定位方面,频谱分析仪也扮演着关键的角色。当无线通信系统受到干扰时,频谱分析仪可以用于定位干扰源的位置和类型。通过测量和分析干扰信号的频谱特征,频谱分析仪能够帮助工程师确定干扰源的大致位置,并采取相应的干扰消除措施。这对于保障通信系统的正常运行和解决干扰问题至关重要。

频谱分析仪在频谱管理和无线干扰定位方面的应用具有以下优势:

1. 高灵敏度:频谱分析仪具有高灵敏度,能够检测到微弱的信号和干扰源,提供准确的测量结果。

2. 高分辨率:频谱分析仪具有高分辨率的频谱显示能力,可以清晰地显示不同信号的频谱特征,便于工程师进行分析和判断。

3. 实时性能:一些频谱分析仪具备实时频谱分析功能,能够实时监测和分析信号的频谱占用情况,快速响应频谱变化。

4. 多参数测量:频谱分析仪可以测量多种参数,如频谱占用率、功率谱密度、信号强度等,提供全面的信号分析信息。

总之,频谱分析仪在通信、雷达、广播电视、无线电频谱管理等领域中具有广泛的应用。它能够帮助工程师分析和测量信号的频谱特性,评估系统性能,解决干扰问题,优化频率资源利用。频谱分析仪的多种功能和可测试的指标使其成为射频微波工程师不可或缺的工具之一。

 

2.2 频谱仪在研发、生产、维修等环节的应用

在电子行业的研发、生产、维修和现场维护中,频谱分析仪也扮演着重要的角色,提供了许多有用的应用。以下是频谱分析仪在这些方面的用途:

1. 研发:在电子产品的研发阶段,频谱分析仪可用于评估和优化系统的性能。它能够分析信号的频谱特性、功率谱密度、调制误差等,帮助工程师进行信号分析和优化设计。频谱分析仪还可以用于验证射频电路和通信系统的性能,确保设计符合规范和要求。

2. 生产:在电子产品的生产过程中,频谱分析仪用于进行质量控制和产品验证。通过测量产品的频谱特征和信号参数,如频率、功率、谐波等,频谱分析仪可以检测产品的性能是否符合规格要求,并及时发现和排除制造缺陷。

3. 维修:频谱分析仪在电子设备维修中起到关键作用。当设备出现故障或性能问题时,频谱分析仪可以用于诊断和定位问题。通过分析信号的频谱特征和幅度,工程师可以判断是否存在干扰、谐波、调制误差等问题,并采取适当的修复措施。

4. 现场维护:在电子设备的现场维护中,频谱分析仪用于监测和分析无线信号的质量和干扰情况。它可以帮助现场工程师定位和解决无线通信系统中的问题,例如干扰源定位、调试天线、优化信号覆盖等。频谱分析仪还可以用于现场调试和故障排除,提高维护效率和准确性。

总之,频谱分析仪在电子行业的研发、生产、维修和现场维护中具有广泛的应用。它能够帮助工程师进行信号分析、故障诊断和问题定位,提高产品质量和系统性能,并确保设备在各种工作环境中的正常运行。频谱分析仪的功能和可靠性使其成为电子行业中不可或缺的工具之一。

 

2.3 频谱仪的功能

频谱仪具有非常丰富的功能,典型的频谱仪测量功能包括:

l 频谱测试、谐波杂散测试、信号电平统计测试(峰均比)、信号带宽、信道功率/邻道功率测试、噪声功率测试、三阶交调测试。

l 时域包络测量,可测量脉宽、脉冲周期、峰值功率、ALC稳定时间等。

l 相位噪声测量

l 噪声系数测量

l I/Q信号分析

l 脉冲信号分析

l 模拟调制解调分析

l 数字/矢量信号解调分析

l 跳频/瞬态分析

l 2G/3G/4G/5G等各种标准通信信号分析

l 实时频谱分析

l EMI测试

以下为一些频谱仪典型测试功能的测试结果图。

三阶交调测试图 

图 3 三阶交调测试图

信道功率与临道泄漏测试图 

图 4 信道功率与临道泄漏测试图

矢量信号分析测试图 

图 5 矢量信号分析测试图

实时频谱分析测试图 

图 6 实时频谱分析测试图