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频谱分析仪和信号分析仪有什么区别

      在实验室和车间最常用的信号测试仪器是示波器。人的思维对时间概念比较敏感,每时每刻都与时域事件发生联系,但是信号往往以频率形式出现,用示波器观察最简单的调幅载波信号也不方便,往往显示载波时看不清,调制仪屏幕上获得的是三条谱线,即载频和在载频左右的调制频。调制方式越复杂,示波器越难显示,频谱分析仪的表达能力强,是名副其实的频域仪器的代表。沟通时间—频率的数字表达方法就是傅里叶变换,它把时间信号分解成正弦曲线的叠加,完成信号由时间域转换到频率域的过程。
  早期的频谱分析仪实质上是一台扫频接收机,输入信号与本地振荡信号在混频器变频后,经过一组并联的不同中心频率的带通滤波器,使输入信号显示在一组带通滤波器限定的频率轴上。显然,由于带通滤波器由无源元件构成,频谱分析仪整体上显得很笨重,而且频率分辨率不高。既然傅里叶变换可把输入信号分解成分立的频率分量,同样可起着滤波器类似的作用,借助快速傅里叶变换电路代替低通滤波器,使频谱分析仪的构成简化,分辨率增高,测量时间缩短,扫频范围扩大,这就是现代频谱分析仪的优点了。
  矢量信号分析仪是在预定频率范围内自动测量电路增益与相位的仪器,它有内部的扫频频率源或可控制的外部信号源。其功能是测量对输入该扫频信号的被测电路的增益与相位,因而它的电路结构与频谱分析仪相似。频谱分析仪需要测量未知的和任意的输入频率,矢量信号分析仪则只测量自身的或受控的已知频率;频谱分析仪只测量输入信号的幅度(标量仪器),矢量信号分析仪则测量输入信号的幅度和相位(矢量仪器)。由此可见,矢量信号分析仪的电路结构比频谱分析仪复杂,价位也较高。现代的矢量信号分析仪也采用快速傅里叶变换,以下介绍它们的异同。
  频谱分析议和FFT频谱分析议
  传统的频谱分析仪的电路是在一定带宽内可调谐的接收机,输入信号经下变频后由低通滤器输出,滤波输出作为垂直分量,频率作为水平分量,在显示屏上绘出坐标图,就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率,例如30Hz-30GHz,与外部混频器配合,可扩展到100gHz以上,因此频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一。无论测量连续信号或调制信号,频谱分析仪都是很理想的测量工具。
  但是,传统的频谱分析仪也有明显的缺点,首先,它只适于测量稳态信号,不适宜测量瞬态事件;第二,它只能测量频率的幅度,缺少相位信息,因此属于标量仪器而不是矢量仪器;第三,它需要多种低频带通滤波器,获得的测量结果要花费较长的时间,因此被视为非实时仪器。
  既然通过傅里叶运算可以将被测信号分解成分立的频率分量,达到与传统频谱分析仪同样的结果,于是出现了基于快速傅里叶变换(F盯)的频谱分析仪。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。据此可知,这种频谱分析仪亦称为实时频谱分析仪,它的频率范围受到ADC采集速率和FFT运算速度的限制。
  为获得良好的仪器线性度和高分辨率,对信号进行数据采集的ADC需要12位-16位的分辨率,按取样原理可知,ADC的取样率最少等于输入信号较高频率的两倍,亦即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/S的取样率。
  目前半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC,亦即,原理上仪器可达到2GHz的带宽,此时垂直分辨率只有8位(256级),显然8位分辨率过低,因此,实时频谱分析仪适用于400MHz带宽以下的频段,此时具有12位(物96级)以上的分辨率。为了扩展频率上限,可在ADC前端增加下变频器,本振采用直接数字事成的振荡器,这种混合式的频谱分析仪适合在几GHz以下的频段使用。
  FFT的性能用取样点数和取样率来表征,例如用100KS/S的取样率对输入信号取样1024点,则较高输入频率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取样点数为2048点,则分辨率提高到25Hz。由此可知,较高输人频率取决于取样率,分辨率取决于取样点数。FFT运算时间与取样,点数成对数关系,频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时,要选用高速的FFT硬件,或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。
  例如,10MHz输入频率的1024点的运算时间80μs,而10KHz的1024点的运算时间变为64ms,1KHz的1024点的运算时间增加至640ms。当运算时间超过200ms时,屏幕的反应变慢,不适于眼睛的观察,补救办法是减少取样点数,使运算时间降 200ms以下。
  矢量信号分析仪
  对于频谱分析和电磁干扰测量来说,频谱分析仪是常用的设备。由于具有大于100dB的动态范围、低于-110dBc/Hz的噪声、1Hz-100Hz的带宽、50GHz以上的频率范围,因此能够接收到极微弱的信号和分辨出两个幅度相差很大的信号。频谱分析仪的缺点是只能显示频率分量的幅值,而不能获得信号的相位。对于某些通信元器件和通信链路,幅值和相位必须能够同时测量出来,前者如放大器和振荡器,后者是一代至第三代的移动通信。
  前面曾提及,为了扩大基于FFT的频谱分析仪的频率范围,可在前端增加下变频器。同样原理可用于矢量信号分析仪,它是传统频谱分析仪与F阿分析仪的结合,从而获得在高频和射频频率下的FFT分析能力,同时显示幅度和相位信息。对于现代通信的数字调制分析,以及调幅/调频/调相的解调都是非常有效的手段。
(来源:安泰测试)
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