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频谱分析仪基本原理

http://www.ec.hc360.com2020年11月16日10:06 来源:测试那些事儿T|T

  

  频谱分析仪用来接收及分析信号用的,这个功能类似于收音机,收音机就是把天线接收到的高频信号经检波(解调)还原成音频信号,送到耳机或喇叭变成音波。

  

  频谱分析仪的原理也很相似,频谱分析仪接收外来信号,可以是有线的,也可以是无线的,下图是一个超外差频谱分析仪的简化框图。

  

  “外差”是指混频,即对频率进行转换,而“超”则是指超音频频率或高于音频的频率范围。从图中我们看到,输入信号先经过一个衰减器(防止发生过载、增益压缩和失真。由于衰减器是频谱仪的一种保护电路,所以它通常是基于基准电平值而自动设置),再经过一个前置预放(PreAmp)这个通常是以选件的形式存在,标配的可能不常有。

  

  然后再经低通滤波器到达混频器,然后与来自本振(LO)的信号相混频。低通滤波器的作用是阻止高频信号到达混频器。从而可以防止带外信号与本振相混频,在中频上产生多余的频率响应。

  

  混频器顾名思义就是混频的作用,由两路信号经由该器件进行混频。混频的定义又叫变频,是一种频谱的线性搬移过程,它是使信号从某一个频率变换成另一个频率。

  

  由于混频器是非线性器件,其输出除了包含两个原始信号之外,还包含它们的谐波以及原始信号与其谐波的和信号与差信号。若任何一个混频信号落在中频(IF)滤波器的通带内,它都会被进一步处理(被放大并可能按对数压缩)。经混频和滤波后,仍为调幅信号,但频率已改变。

  

  

  本振就是本地振荡器的简称,其作用就是产生一个频率(本振频率)与接收机接收到的信号频率混频,产生固定频率中频信号,中频信号频率固定,这样中放电路容易实现,电路简单的就是一个振荡器,复杂点使用频率合成器。

  

  混频器输出以后会有一个滤波器,由于混频以后出来的信号不仅仅是中频信号,包括很多信号的其它分量,所以我们只关心我们需要的信号频率,这个时候就需要用到这个是带通滤波器,选择性的将其它信号分量滤除,只保留中频信号。

  

  这个时候的信号还是模拟信号,需要一个 ADC 采样将模拟信号转换为数字信号。自 20 世纪 80 年代以来,频谱分析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。随着高性能模数转换器的推出,新的频谱分析仪与仅仅几年前的产品相比,可以在信号通路的更早阶段对输入信号进行数字化。这种变化在频谱分析仪的中频部分体现为明显。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。传统的模拟 LC 和晶体滤波器只能实现 1 kHz 及更高的分辨率带宽(RBW),而采用数字技术则可使窄的带宽达到 1 Hz 至 300 Hz。

  中频增益放大器之后,就是由模拟和 / 或数字分辨率带宽(RBW)滤波器组成的中频部分,RBW 代表将两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的低频宽差异。

  

  RBW 会将带外的频率成分滤除。

  

  当 RBW 滤波器“扫过”感兴趣的频率范围后,就得到该段频率范围的频谱。

  

  然后使用包络检波器将中频信号转换为视频信号。简单的包络检波器由二极管、负载电阻和低通滤波器组成,示例中的中频链路输出信号(一个幅度调制的正弦波)被送至检波器,检波器的输出响应随中频信号的包络而变化,而不是中频正弦波本身的瞬时值。

  

  

  为了使噪声曲线平滑,在检波之后,放置了一个低通滤波器,即视频滤波器。

  

  视频滤波器这就是 BW 键中 VBW 软键的设置。它的作用是将检测信号中的高频部分滤掉,使我们从显示屏上看到一个光滑的曲线。这对小信号的测量是非常有效的,它可使读数更为稳定。

  视频检波器作用是得到当前扫频点频率处的幅度值。

  

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  本期文章资料部分参考于 Keysight《是德科技 频谱分析基础— 应用指南 150》和 Rigol 资料,如侵麻烦后台留言后立即删除,谢谢!

责任编辑:刘婷婷

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