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頻譜分析儀可以測量哪些信號？
來源: 作者:小編 發(fā)布時(shí)間: 2023-12-29 17:23:28 瀏覽: 遞增失??！
頻譜分析儀可以測量哪些信號？
頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測量儀器。 對于時(shí)域內(nèi)的周期性函數(shù)，非正弦波（如周期性方波）可以分解成頻率不同的正弦波的疊加，對于單一頻率的正弦波，仍可以分解出基波和各次諧波，真正純凈的正弦波是不存在的。對于時(shí)域內(nèi)非周期連續(xù)時(shí)間信號可視為周期無窮大的周期連續(xù)信號。頻譜分析就是測量信號的各頻率分量，分析信號由哪些不同頻率、相位和幅度的正弦波構(gòu)成。信號的頻譜分析包括對信號的所有頻率特性的分析，如對幅度譜、相位譜、能量譜、功率譜等進(jìn)行測量，從而獲得信號在不同率上的幅度、相位、功率等信息。 常見信號的頻譜有兩種基本類型： (1)離散頻譜，圖形呈線狀，又稱線狀頻譜。譜線之間間隔相等，每條譜線代表每個頻率分量的幅度。各種周期性信號由基頻和頻率為基頻整數(shù)倍的諧波構(gòu)成，故其頻譜是離散的。
(2)連續(xù)頻譜，可視為因譜線無窮小而連成一片。非周期信號和各種隨機(jī)噪聲的頻譜都是連續(xù)頻譜，即在所測的全部頻率范圍內(nèi)都有頻率分量存在。
頻率分析的特點(diǎn)
1、時(shí)域是唯一客觀存在的域，頻域是一個非真實(shí)的、遵循特定規(guī)律的數(shù)學(xué)范疇。
2、某些時(shí)域上較復(fù)雜的波形，頻域上的顯示可能較為簡單。
實(shí)際的頻譜儀通常只給出幅度譜和功率譜，不直接給出相位譜，故當(dāng)兩個信號的基波幅度相同時(shí)，二次諧波的幅度也相同，但基波和二次諧波的相位差不相等時(shí)，頻譜儀觀察到的兩信號是相同的，而示波器觀察到的兩波形卻截然不同。如圖 (a)中波形①、②相位相同， (b)中波形①、②相位差180°。
3、對于失真很小的信號，示波器很難定量分析失真的程度，如圖 (a)所示。但頻 譜儀對于信號的基波和各次諧波能直接給出定量的結(jié)果，譜線數(shù)量清晰明了。
4、對于確定信號存在著傅里葉變換，將時(shí)域信號分解成正弦和余弦曲線的疊加，完 成信號從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換，變換結(jié)果為幅度譜或相位譜。對于隨機(jī)信號不存在傅里葉變換，只就某些樣本函數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值做出估算，如均值、方差等，對它們進(jìn)行的是功率譜分析。
頻譜分析儀的分類
1、按對信號的分析處理方法分類
按頻譜儀對信號的分析處理方法，可分為模擬式頻譜儀、數(shù)字式頻譜儀、模擬/數(shù)字混 合式頻譜儀。
模擬式頻譜儀以模擬濾波器為基礎(chǔ)，用濾波器來實(shí)現(xiàn)信號中各頻率成分的分離，主要用于射頻和微波頻段。
數(shù)字式頻譜儀以數(shù)字濾波器或FFT為基礎(chǔ)構(gòu)成。數(shù)字式頻譜儀精度高、性能靈活，受數(shù)字系統(tǒng)工作頻率的限制，主要用于低頻和超低頻段。
2、按對信號處理的實(shí)時(shí)性分類
按頻譜儀對信號處理的實(shí)時(shí)性分類，可分為實(shí)時(shí)頻譜儀和非實(shí)時(shí)頻譜儀。
實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的分類方法主要針對頻率較低或頻段覆蓋較窄的頻譜儀而言。所謂“實(shí)時(shí)”并非指時(shí)間上的快速，實(shí)時(shí)分析應(yīng)達(dá)到的速度與被分析信號的帶寬及所要求的頻率分辨率有關(guān)。一般認(rèn)為，實(shí)時(shí)分析是指在長度為T的時(shí)間段內(nèi)，能夠完成頻率分辨率達(dá)1/T的譜分析；或待分析信號的帶寬小于儀器所能同時(shí)分析的最大帶寬。顯然，在一定頻率范圍內(nèi)討論實(shí)時(shí)分析才有現(xiàn)實(shí)意義：在該范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)分析速度與數(shù)據(jù)采集速度相匹配，不會發(fā)生數(shù)據(jù)積壓現(xiàn)象，這樣的分析就是實(shí)時(shí)的；如果待分析的信號帶寬超過這個范圍，則分析變成非實(shí)時(shí)的。
3、按頻譜儀的頻率軸刻度類型分類
按頻譜儀的頻率軸刻度類型分類，可分為恒帶寬分析式頻譜儀、恒百分比帶寬分析式頻譜儀。
恒帶寬分析式頻譜儀的頻率軸為線性刻度，信號的基頻分量和各次諧波分量在頻譜上等間距排列，適用于周期信號的分析和波形失真分析。恒百分比帶寬分析式頻譜儀的頻率軸采用對數(shù)刻度，可以覆蓋較寬的頻率范圍，能夠兼顧高、低頻段的頻率分辨率，適用于噪聲類廣譜隨機(jī)信號分析?，F(xiàn)在，許多數(shù)字式頻譜儀可以實(shí)現(xiàn)不同帶寬的FFT分析以及兩 種頻率刻度的顯示，所以，對于數(shù)字式頻譜儀而言這種分類并不適用。
此外，按工作頻帶分類，可分為高頻頻譜儀、低頻頻譜儀、射頻頻譜儀、微波頻譜儀等；按基本工作原理，可分為掃描式頻譜儀和非掃描式頻譜儀等。
頻譜分析儀的工作原理
1、模擬式頻譜儀
(1)并行濾波實(shí)時(shí)頻譜儀
并行濾波實(shí)時(shí)頻譜儀又稱為多通道濾波式頻譜分析儀，其組成框圖如下圖所示。信號同時(shí)加到通帶互相銜接的多個帶通濾波器中，各個頻率同時(shí)被檢波，經(jīng)電子開關(guān)輪流顯示在熒光屏上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量。此種頻譜儀不僅能分析周期信號、隨機(jī)信號，還能分析瞬時(shí)信號。
(2)擋級濾波器式頻譜儀
擋級濾波器式頻譜儀又稱順序?yàn)V波式頻譜儀，其組成框圖如下圖所示。與并行濾波實(shí)時(shí)頻譜儀不同，將電子開關(guān)加在檢波器前，減少了檢波器數(shù)量，濾波后信號經(jīng)公共檢波 器檢波后，送至熒光屏，是一種非實(shí)時(shí)測量。
并行濾波實(shí)時(shí)頻譜儀、擋級濾波器式頻譜儀受濾波器數(shù)量及帶寬的限制，這類頻譜儀常用在等百分比帶寬的低頻頻譜儀中。
(3)外差式頻譜儀
外差式頻譜儀利用外差式接收機(jī)原理，將本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的頻率可變的掃頻信號與被分析信號進(jìn)行差頻，差頻所得固定中頻信號送入窄帶濾波器，由后級電路進(jìn)行測量分析，由此依次獲得被測信號不同頻率分量的幅值信息。外差式頻譜儀組成框圖如下圖所示：
由于差頻頻率固定，且放大器的增益帶寬積是常數(shù)，所以窄帶中頻放大器可獲得很高的增益，因此外差式頻譜儀具有頻率范圍寬、靈敏度高、頻率分辨率可變的優(yōu)點(diǎn)，高頻頻譜儀幾乎全部采用外差式。
2、數(shù)字式頻譜儀
(1)數(shù)字濾波式實(shí)時(shí)頻譜儀
數(shù)字濾波式實(shí)時(shí)頻譜儀的組成框圖如下圖所示，僅用一個數(shù)字濾波器，即構(gòu)成與模擬式頻譜儀中并行濾波法等效的實(shí)時(shí)頻譜儀。由于數(shù)字濾波器性能優(yōu)越，可以實(shí)現(xiàn)頻分和時(shí)分復(fù)用，完成頻譜測量。同時(shí)數(shù)字濾波器輸出的是序列數(shù)字量，因而可以進(jìn)行數(shù)字平方檢波和均方運(yùn)算，大大提高了檢波精度和動態(tài)范圍。該方法受到數(shù)字器件資源的限制，無法設(shè)置足夠多的數(shù)字濾波器，從而無法實(shí)現(xiàn)高頻率分辨率和高掃頻寬度。
(2)快速傅里葉頻譜儀
快速傅里葉頻譜儀的組成框圖如下圖所示，其核心技術(shù)是傅里葉變換（FFT分析)，得到被分析信號的離散頻譜，再經(jīng)平方獲得功率譜。根據(jù)采樣定理：最低采樣速率應(yīng) 該大于或等于被采樣信號最高頻率的兩倍，故快速傅里葉頻譜儀的工作頻段一般在低頻范 圍，己成為低頻頻譜分析的主要方法。
(3)數(shù)字外差式頻譜儀
數(shù)字外差式頻譜儀融合了外差掃描、數(shù)字信號處理及實(shí)時(shí)分析技術(shù)，利用數(shù)字可編程器件實(shí)現(xiàn)模擬外差式頻譜儀中的各模塊，其組成框圖如下圖所示。輸入信號經(jīng)過高速 A/D轉(zhuǎn)換送入處理器，在硬件乘法器內(nèi)與數(shù)字熒光示波器產(chǎn)生的本振掃頻信號混頻，變頻 后信號分別進(jìn)入低通數(shù)字濾波器，提取濾波后的信號幅值，結(jié)合當(dāng)前頻率，在顯示器上顯 示信號頻譜。
相比模擬外差式頻譜儀，數(shù)字外差式頻譜儀不僅測量速度快，還能對頻譜信號實(shí)現(xiàn)存儲和分析。相比傅里葉頻譜儀和數(shù)字濾波式頻譜儀，數(shù)字外差式頻譜儀只使用一個固定截止頻率的低通濾波器，節(jié)省資源，同時(shí)省去大容量的存儲器，在保證系統(tǒng)精度的前提下，提高了系統(tǒng)集成度
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