[转载]频谱分析仪基础知识:外差式频谱分析仪的工作原理

 频谱分析仪是利用频率域对信号进行分析、研究的一种测量仪器,对于信号分析来说它是不可少的,随着通讯技术的迅猛发展,越来越多的野外作业需要频谱仪的支持(频谱分析仪的种类),如通讯发射机以及干扰信号的测量,频谱的监测,器件的特性分析等等,其应用领域广泛,并且各行各业、各个部门对频谱分析仪应用的侧重点也不尽相同。那么频谱分析仪的工作原理是什么呢?一般来说频谱分析仪的工作原理(数字万用表使用)可以从以下两个方面来说:

  一是对信号进行时域的采集,然后对其进行傅里叶变换,将其转换成频域信号。我们把这种方法叫作动态信号的数学分析方法。特点是比较快,有较高的采样速率,较高的分辨率。即使是两个信号间隔非常近,用傅立叶变换也可将它们分辨出来。但由于其分析是用数字采样,所能分析信号的最高频率受其采样速率的影响,限制了对高频的分析。

  目前来说,最高的分析频率只是在10MHz或是几十MHz,也就是说其测量范围是从直流到几十MHz。

  科学发展到今天,我们可以用许多方法测量一个信号,不管它是什么信号。通常所用的最基本的仪器是示波器,观察信号的波形、频率、幅度等。但信号的变化非常复杂,许多信息是用示波器检测不出来的,如果我们要恢复一个非正弦波信号F,从理论上来说,它是由频率F1、电压V1与频率为F2、电压为V2信号的矢量迭加(见图1)。

  从分析手段来说,示波器横轴表示时间,纵轴为电压幅度,曲线是表示随时间变化的电压幅度。这是时域的测量方法,如果要观察其频率的组成,要用频域法,其横坐标为频率,纵轴为功率幅度。这样,我们就可以看到在不同频率点上功率幅度的分布,就可以了解这两个(或是多个)信号的频谱。有了这些单个信号的频谱,我们就能把复杂信号再现、复制出来。这一点是非常重要的。

  对于一个有线电视信号,它包含许多图像和声音信号,其频谱分布非常复杂。在卫星监测上,能收到多个信道,每个信道都占有一定的频谱成份,每个频率点上都占有一定的带宽。这些信号都要从频谱分析的角度来得到所需要的参数。

  这种分析方法一般用于低频信号的分析,如声音,振动等。

  二是靠电路的硬件去实现的,而不是通过数学变换。它通过直接接收,称为外差式频谱分析仪。

  超外差式频谱分析仪的工作原理

  现在所用的频谱分析仪多为超外差式,并采用多次变频(3~4次),以降低中频频率,实现窄通带和高分辨力。超外差式频谱分析仪的基本工作原理如图下所示:

  超外差式频谱分析仪的基本工作原理

  输入信号与本振(LO)混频,产生中频(IF)信号经窄带中放被送到包络检波器,检波器输出信号被放大并使屏幕显示产生垂直偏转,扫描发生器保证屏幕显示的水平频率轴和本地振荡器调谐同步,它同时驱动水平偏转调谐LO。

  在量测高频信号时,外差式频谱分析仪混波以后的中频因放大之故,能得到较高的灵敏度,且改变中频滤波器的频带宽度,能容易地改变频率的分辨率,但由于超外差式的频谱分析仪是在频带内扫瞄之故,因此,除非使扫瞄时间趋近于零,无法得到输入信号的实时(Real Time)反应,故欲得到与实时分析仪的性能一样的超外差式频谱分析仪,其扫瞄速度要非常之快,若用比中频滤波器之时间常数小的扫瞄时间来扫瞄的话,则无法得到信号正确的振幅,因此欲提高频谱分析仪之频率分辨率,且要能得到准确之响应,要有适当的扫瞄速度。

  由以上之叙述,可以得知超外差式频谱分析仪无法分析瞬时信号(TransientSignal)或脉冲信号(Impulse Signal)的频谱,而其主要应用则在测试周期性的信号及其它杂散信号(Random Signal)的频谱。

  超外差式频谱分析仪是用超外差接收机的方式来实现频谱分析的。最基本的核心部分是它的混频器。基本功能是将被测信号下变至中频21.4MHz,然后在中频上进行处理,得到幅度。在下变频的过程中,是由本振来实现下变频的。本振信号是扫描的,本振扫描的范围覆盖了所要分析信号的频率范围。所以调谐是在本振中进行的。全部要分析的信号都下变频到中频进行分析并得到谱频。

  用超外差接收机的方式来实现频谱分析原理

  这与日常所用的电视机、收音机的原理是一样的。但是有线电视输出信号范围很广,比如有50个频道播放。这50个信号是同时进入接收机的,其总功率是迭加的。而所看的电视节目只能是其中之一。同理,送入频谱仪的输入端口信号是所采集信号的总和,其中包括所要分析的特定信号,所输入到频谱仪的功率是总功率。由此要引入一个参数-最大烧毁功率。

  这一值是1瓦或是+30dBm。也就是说输入到频谱仪的信号功率总和不能超过1瓦,否则将会烧毁仪器的衰减器和混频器。

  例如,我们要监测一个卫星信号,假设其频率为12GHz,其功率可能只有-80dBm左右,这是很小的。但要知道输入信号是由很多信号迭加组成的,若是在其它某一频率上包括一个很强的信号,即使你没有看到这个大功率信号,若输入信号功率的总和大于1瓦,也是要烧毁频谱仪的,而其中的大功率信号并不是你所要分析的信号。这是我们在日常工作中需多加小心的,因为更换混频器的费用是很高的。

  当然,频谱仪在输入信号时并没有直接将其接入混频器,而是首先接入一个衰减器。这不会影响最终的测量结果,完全是为了仪表内部的协调,如匹配、最佳工作点等等。它的衰减值是步进的,为0dB、5dB、10dB,最大为60dB。

  还有的频谱仪是不能输入直流的,否则也会损坏器件。另外,还应注意不能有静电,因为静电的瞬时电压很高,容易把有源器件击穿。日常工作中把仪表接地就会有很好的效果,当然要有保护接地会更好。

  在中频,所有信号的功率幅度值与输入信号的功率是线性关系。输入信号功率增大,它也增大,反之相同。所以我们检测中频信号是可行的。另外,为了有效检测,要有一个内部中频信号放大。混频器本身有差落衰减,本频和射频混频之后它并不是只有一个单一中频出来,它的中频信号非常丰富,所有这些信号都会从混频器中输出。在众多的谐波分量中,只对一个中频感兴趣。这就是前面所说的21.4MHz。这是在仪器器件中已做好的,用一个带通滤波器把中心频率设在21.4MHz,滤除其它信号,提取21.4MHz的中频信号。通过中频滤波器输出的信号,才是我们所要检测的信号。

  滤波器在工作中有几个因素:中心频率是21.4MHz,固定不变,其30dB带宽可以改变。比如对广播信号来说,其带宽一般是几十kHz,若信号带宽是25kHz,中频的带宽一定要大于25kHz。这样,才能使所有的信号全部进来。如果太宽,就会混入其它信号;如果太窄,信号才进来一部分,或是低频成份,或是高频成份。这样信号是解调不出来的。

  中频带宽设置根据实际工作的需要来决定的。当然它会影响其它很多因素,如底噪声、信号解调的失真度等。

  经过中频滤波器的中频信号功率就是反应了输入信号的功率。检测的方法就是用一个检波器,将它变为电压输出,体现在纵轴的幅度。当然还要经过D/A转换和一些数据处理,加一些修正和一些对数、线性变换。这足以给我们带来信号分析上的许多方便。

  本文来自: 赛微电子网-电子工程师社区 原文地址:http://www.srvee.com/test/apply/ppfxyjczs_wcsppfxydgzyl_68283.html

posted @ 2015-07-10 22:55  柳如风  阅读(1579)  评论(0编辑  收藏  举报
https://www.vultr.com/?ref=7677570