第八章頻率域測量-頻譜分析儀8.1頻率域測量概述8.2掃描式頻譜儀8.3傅立葉分析儀8.4頻譜儀的應用儀器科學與工程系8.1頻率域測量概述一、頻域測量的任務：兩大任務：

１、線性系統頻率特性測量：集總參數、分布參數；準靜態系統(低頻、高頻、微波)；不同的波段，用不同的儀器：高頻段(30-300MHz)：掃頻儀微波段(300M-300GHz)：網絡分析儀

(非絕對分法)

２、信號的頻譜分析：分析信號的頻率特性、頻譜純度、頻率穩定度、調制度等。廣義上，信號頻譜是指組成信號的全部頻率分量的總集；狹義上，一般的頻譜測量中常將隨頻率變化的幅度譜稱為頻譜。頻譜測量：在頻域內測量信號的各頻率分量，以獲得信號的多種參數。頻譜測量的基礎是傅立葉變換。

頻譜的兩種基本類型離散頻譜（線狀譜），各條譜線分別代表某個頻率分量的幅度，每兩條譜線之間的間隔相等連續頻譜，可視為譜線間隔無窮小，如非周期信號和各種隨機噪聲的頻譜二、頻譜分析的基本概念信號的種類：周期信號/非周期信號

離散信號/連續信號時域周期非周期連續離散頻域周期非周期連續離散付氏變換時、頻域對應關系：時間頻率幅度tfV頻域時域調制域例子:兩個正弦信號相乘相加的結果及其頻譜:cos

(ωt)，2cos(4ωt)×+不同相位合成（相加）的波形，在頻域內將無差別。示波器和頻譜儀的作用是互為補充的。藍+藍=紅三、頻譜分析的基本原理頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內對信號的電壓、功率、頻率等參數進行測量并顯示的儀器。一般有FFT分析（實時分析）法、非實時分析法兩種實現方法。

FFT分析法：在特定時段中對時域數字信號進行FFT變換，得到頻域信息并獲取相對于頻率的幅度、相位信息。可充分利用數字技術和計算機技術，非常適于非周期信號和持續時間很短的瞬態信號的頻譜測量。Trouble：信號截取頻譜改變非實時分析法在任意瞬間只有一個頻率成分能被測量，無法得到相位信息。適用于連續信號和周期信號的頻譜測量。

掃頻式分析：使分析濾波器的頻率響應在頻率軸上掃描。

差頻式分析（外差式分析）：利用超外差接收機的原理，將頻率可變的掃頻信號與被分析信號進行差頻，再對所得的固定頻率信號進行測量分析，由此依次獲得被測信號不同頻率成分的幅度信息。這是模擬式頻譜儀最常采用的方法。四、頻譜儀的分類按分析處理方法分類：模擬式頻譜儀、數字式頻譜儀、模擬/數字混合式頻譜儀；按基本工作原理分類：掃描式頻譜儀(掃描式及外差式)、非掃描式頻譜儀(傅立葉分析儀)；按處理的實時性分類：實時頻譜儀、非實時頻譜儀；按輸入通道數目分類：單通道、多通道頻譜儀；按工作頻帶分類：高頻、射頻、低頻等頻譜儀。模擬式頻譜儀與數字式頻譜儀

模擬式頻譜儀：以掃描式為基礎構成，采用濾波器或混頻器將被分析信號中各頻率分量逐一分離。所有早期的頻譜儀幾乎都屬于模擬濾波式或超外差結構，并被沿用至今。

數字式頻譜儀：非掃描式，以數字濾波器或FFT變換為基礎構成。精度高、性能靈活，但受到數字系統工作頻率的限制。目前單純的數字式頻譜儀一般用于低頻段的實時分析，尚達不到寬頻帶高精度頻譜分析。FFT(數字式)與外差式二者結合實時分析應達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。一般認為，實時分析是指在長度為T的時段內，完成頻率分辨率達到1/T的譜分析；或者待分析信號的帶寬小于儀器能夠同時分析的最大帶寬。

在一定頻率范圍數據分析速度與數據采集速度相匹配，不發生積壓現象，這樣的分析就是實時的；如果待分析的信號帶寬超過這個頻率范圍，則是非實時分析。實時頻譜儀和非實時頻譜儀五、線性系統幅頻特性測量的方法

線性系統可用傳輸函數描述其激勵與響應的關系：就幅頻特性而言，有點頻法、掃頻法兩種測量方法。

１、靜態頻率特性測量——點頻法點頻法就是逐點測量幅頻特性的方法。它將單一頻率的正弦信號加到被測電路輸入端，得到幅頻特性。由低到高改變頻率，得到各個頻率點上的幅度比，即幅頻特性。S被測電路測量儀器f+_+_RLuiuoH(f)ff0點頻法測量系統的幅頻特性

2、動態頻率特性測量——掃描式頻譜儀3、動態頻率特性測量——傅立葉分析儀8.2掃描式頻譜儀8.2.1濾波式頻譜分析技術8.2.2外差式頻譜儀8.2.3外差式頻譜儀的主要性能指標另:掃頻信號發生器8.2.1濾波式頻譜分析技術濾波式頻譜分析儀原理及分類

基本原理：先用帶通濾波器選出待分析信號，然后用檢波器將該頻率分量變為直流信號，再送到顯示器將直流信號的幅度顯示出來。為顯示輸入信號的各頻率分量，帶通濾波器的中心頻率是多個或可變的。

并行濾波式頻譜儀順序濾波式頻譜儀掃頻濾波式頻譜儀數字濾波式頻譜儀一、并行濾波式頻譜儀

每個濾波式之后都有各自的檢波器，無需電子開關切換及檢波建立時間，因此速度快，能夠滿足實時分析的需要。但是可顯示的頻譜分量數目取決于濾波器的數目，所以需要大量的濾波器。二、順序濾波式頻譜儀

也叫檔級濾波頻譜儀，由多個通帶互相銜接的帶通濾波器和共用檢波器構成。用多個頻率固定且相鄰的窄帶帶通濾波器陣列來區分被測信號的各種頻率成分，因此得以全面記錄被測信號。非實時

這種方法簡單易行，但在頻帶較寬或較高頻段的情況下需要大量濾波器，儀器體積過大；由于通帶窄，分辨力和靈敏度都不是很高。一般用于低頻段的音頻測試等場合。三、掃頻濾波式頻譜儀實質是一個中心頻率在整個寬帶頻率范圍內可調諧的窄帶濾波器。當它的諧振頻率改變時，濾波器就分離出特定的頻率分量。

掃頻濾波式頻譜儀與檔級濾波式一樣，是一種非實時頻譜測量。結構簡單，價格低廉。缺點是電調諧濾波器損耗大、調諧范圍窄、頻率特性不均勻、分辨率差，目前這種方法只適用于窄帶頻譜分析。非實時窄帶濾波器的中心頻率可調節四、數字濾波式頻譜儀

數字濾波式頻譜儀在現代頻譜分析儀中占有重要地位。數字濾波器的形狀因子較小，因而提高了頻譜儀的頻率分辨率；具有數字信號處理的高精度、高穩定性、可重復性和可編程性等普遍優點。數字濾波，也就是要對數字信號過濾處理，其輸入/輸出都是數字序列，數字濾波實際是一個序列運算加工過程。

利用數字濾波器可以實現頻分或時分復用，因此僅用一個數字濾波器就可以實現與并行濾波式等效的實時頻譜儀。用單個數字濾波器代替多個模擬濾波器之后，濾波器的中心頻率由時基電路控制使之順序改變。與模擬濾波相比，它性能好，并節省了許多硬件。輸入放大器輸入衰減器LPF取樣保持A/D數字濾波器有效值檢波器放大器主振器控制和時基顯示五、帶通濾波器的性能指標帶寬通常是指3dB帶寬，或稱半功率帶寬。分辨率帶寬（RBW）反映了濾波器區分兩個相同幅度、不同頻率的信號的能力波形因子波型因子反映了區分兩個不等幅信號的能力，也稱帶寬選擇性。波形因子定義為濾波器60dB帶寬與3dB帶寬之比：

也可用40dB帶寬與3dB帶寬之比表示。波形因子較小的濾波器的特性曲線更接近于矩形，故波形因子也稱矩形系數。

濾波器響應時間（建立時間）信號從加到濾波器輸入端到獲得穩定輸出所需的時間。通常用達到穩幅幅度的90％所需的時間TR來表述，它與絕對帶寬B成反比：TR∝1/B。寬帶濾波器的響應時間短，測量速度快；窄帶濾波器建立時間較長，但頻率分辨率更高、信噪比好。響應時間限制了頻譜儀的掃描分析速度，影響實時頻譜分析的實現。8.2.2外差式頻譜儀外差式頻譜儀的頻率變換原理與超外差式收音機相同：利用無線電接收機中普遍使用的自動調諧方式，通過改變掃頻本振的頻率來捕獲待測信號的不同頻率分量。也稱掃頻外差式頻譜儀。掃頻外差式方案是實施頻譜分析的傳統途徑，在高頻段占據優勢地位。調節中心頻率：調節混頻器或調感調節掃頻：調節掃描電流作用于調制線圈

如教材中介紹的BT-3掃頻儀，它的中心頻率分為三個工作的波段：

I：1~75MHz，差頻信號源

II：75~150MHz，調感式振蕩器

III：150~300MHz，由II倍頻得到?ff075MHz100MHz150MHz一、外差式頻譜儀的組成主要包括輸入通道、混頻電路、中頻處理電路、檢波和視頻濾波等部分。

外差式頻譜分析儀頻率范圍寬、靈敏度高、頻率分辨率可變，是目前頻譜儀中數量最大的一種。由于被分析的頻譜依次被順序采樣，因而不能進行實時分析。這種分析儀只能提供幅度譜，不能提供相位譜。輸入通道輸入通道也稱前端，主要由輸入衰減、低噪聲放大、低通濾波及混頻等幾部分組成，功能上相當于一臺寬頻段、窄帶寬的外差式自動選頻接收機。用于控制加到儀器后續部分的信號電平，并對輸入信號取差頻以獲得固定的中頻。輸入衰減：一方面避免因信號電平過高而引起的失真，同時起到阻抗匹配的功能，盡可能降低源負載與混頻器之間的失配誤差低噪聲放大：對輸入電平進行調整，保證混頻器輸入電平滿足一定的幅度要求，獲得較佳混頻效果低通濾波技術多級混頻中頻信號預處理中頻信號預處理主要是在被檢測之前完成對固定中頻信號的自動增益放大、分辨率濾波等處理。中頻濾波器的帶寬通常可程控，以提供不同的頻率分辨率。

中頻信號幅度調節：由自動增益電路完成。末級混頻的增益必須能夠以小步進精密調節，以保持后續電路中的最大信號電平固定而不受前端的影響。

中頻濾波器：用于減小噪聲帶寬、分辨各頻率分量。頻譜儀的分辨率帶寬由最后一個中頻濾波器的帶寬決定。數字濾波器選擇性較好、沒有漂移，能夠實現極穩定的窄分辨率帶寬。檢波器在模擬式頻譜儀中，采用檢波器來產生與中頻交流信號的電平成正比的直流電平，以獲取待測信號的幅度信息。常用包絡檢波器。最簡單的包絡檢波器由一個二極管和一個并聯RC電路串接而成。只要恰當地選擇檢波器的R、C值，就可獲得合適的時間常數以確保檢波器跟隨中頻信號的包絡變化而變化。頻率掃描速度的快慢也會對檢波輸出產生影響，掃速太快會使檢波器來不及響應。視頻濾波器視頻濾波器用于對顯示結果進行平滑或平均，以減小噪聲對信號幅度的影響。

基本原理：視頻濾波器實質是低通濾波器，它決定了驅動顯示器垂直方向的視頻電路帶寬。當視頻濾波器的截止頻率小于分辨率帶寬時，視頻系統跟不上中頻信號包絡的快速變化，因此使信號的起伏被“平滑”掉。

應用：主要應用于噪聲測量，特別是在分辨率帶寬（RBW）較大時。減小視頻濾波器的帶寬（VBW）將削弱或平滑噪聲峰-峰值的變化，當VBW/