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頻譜分析儀是怎樣工作的

時(shí)間:2021-08-26 點(diǎn)擊:1441次

  信號(hào)的頻譜分布實(shí)際上就是測(cè)量結(jié)果在頻域上的反映,頻域和時(shí)域的關(guān)系如圖1所示。示波器在時(shí)域測(cè)得近似方波的信號(hào),經(jīng)過(guò)傅里葉變換被分解為基波和高達(dá)11次奇次諧波。當(dāng)用頻譜分析儀從頻域觀察時(shí),能夠識(shí)別出所有頻率組成。以圖1為例,基波、3次諧波、5次諧波和11次諧波可以被區(qū)分出來(lái)。由此可以看出,時(shí)域和頻域是從不同角度對(duì)同一個(gè)信號(hào)的描述。
  簡(jiǎn)單介紹下頻譜分析儀的工作原理:以帶寬接收機(jī)開(kāi)始,然后逐漸涉及頻譜分析儀的其他部分。在了解這些內(nèi)容和頻譜結(jié)構(gòu)的基本概念后,讀者應(yīng)該對(duì)RBW和VBW功能有所了解。




  帶寬接收機(jī)
  頻譜分析儀的工作原理就像一個(gè)帶寬接收機(jī),帶寬范圍從幾十KHz或幾十MHz開(kāi)始。接收機(jī)的功能是將輸入信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換為檢測(cè)回路能處理的頻段,正如我們所知的外差法。圖2位帶寬接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu),包括一個(gè)混頻器、一個(gè)本機(jī)振蕩器(LO)和一個(gè)帶通濾波器。本機(jī)振蕩器產(chǎn)生一個(gè)混頻振蕩信號(hào)。混頻器將輸入信號(hào)與本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)混合在一起,總信號(hào)就包括兩種信號(hào)的和與差。量信號(hào)之差成為中頻(IF),它是檢測(cè)回路使用的部分信號(hào)。帶通濾波器濾掉信號(hào)中不需要的成分,然后將僅留下的IF傳到檢測(cè)和顯示單元。頻譜分析儀本質(zhì)上是一個(gè)帶寬接收機(jī),因此需要不只一次的頻率轉(zhuǎn)換。次數(shù)由頻率范圍、頻率分辨率和RBW濾波器決定。
  衰減器
  將衰減器置于射頻輸入路徑,擴(kuò)寬了輸入信號(hào)準(zhǔn)位的動(dòng)態(tài)范圍或?qū)︻l譜分析儀增添了更多的輸入保護(hù)。參考圖3,衰減器將來(lái)自混頻器(RF中部)的信號(hào)準(zhǔn)位限制在一定范圍內(nèi),如果輸入信號(hào)超過(guò)參考準(zhǔn)位,將會(huì)引起測(cè)量誤差或偽噪聲,這就是為什么某些頻譜分析儀會(huì)在特定信號(hào)條件下列出儀器規(guī)格,包括混頻器中具體的信號(hào)準(zhǔn)位。
  分辨率濾波器
  當(dāng)輸入信號(hào)頻率轉(zhuǎn)換為更低頻帶并濾入檢測(cè)和顯示單元時(shí),為了區(qū)別頻率接近的信號(hào),會(huì)用到RBW(分辨率帶寬)濾波器,如圖4所示。
  圖5,在不同分辨率帶寬下,RBW濾波器如何區(qū)分兩種信號(hào)。將兩個(gè)等幅信號(hào)通過(guò)兩種RBW濾波器濾波,其中RBW1的分辨率優(yōu)于RBW2。從結(jié)果可以看出,當(dāng)通過(guò)較窄RBW1濾波器時(shí),能清晰分辨出兩種信號(hào),但是通過(guò)較寬RBW2濾波器時(shí),結(jié)果就不如RBW1。我們可以預(yù)測(cè)到,如果RBW2的分辨率帶寬更寬,我們甚至?xí)⒔Y(jié)果誤認(rèn)為是一個(gè)信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的頻率十分接近時(shí),這種情況機(jī)會(huì)發(fā)生。另一種情況是,當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的幅值差距很大,RBW1仍能夠檢測(cè)到較小信號(hào),但是RBW2卻不能,如圖6所示。所以這些濾波器又稱(chēng)為分辨率濾波器。




  檢波器
  RBW濾波之后,檢波器能夠檢測(cè)能量并將其轉(zhuǎn)換成直流電壓。顯示單位利用該直流電壓描繪頻譜分布,如圖7所示。




  視頻濾波器
  在直流電壓進(jìn)入顯示單元之前,需要將檢波器產(chǎn)生的噪聲壓縮,這個(gè)濾波器成為視頻濾波器,它的帶寬成為VBW,系統(tǒng)如圖8所示,視頻來(lái)自電視廣播系統(tǒng)。視頻濾波器也作為后置濾波器,圖9呈現(xiàn)出VBW對(duì)顯示輸出的影響。如果待測(cè)信號(hào)通過(guò)兩個(gè)VBW濾波器,其中VBW1小于VBW2,結(jié)果顯示VBW2的底噪要比VBW1大。換句話說(shuō),視頻濾波器將底噪平均了。但要注意的是,底噪準(zhǔn)位并沒(méi)有改變,VBW濾波器僅平均噪聲準(zhǔn)位,并不影響信號(hào)底噪的總體幅值。
  掃描時(shí)間
  上述內(nèi)容介紹了頻譜分析儀的基本機(jī)構(gòu),而且對(duì)RBW和VBW也作了詳細(xì)解釋。一般來(lái)說(shuō),掃描時(shí)間與頻譜分析儀的頻率分辨率成反比。掃描時(shí)間越快,解析度越低(RBW、VBW越寬);掃描時(shí)間越慢,解析度越高(RBW、VBW越窄)。因此如果選擇較窄的RBW或VBW,顯示信號(hào)的時(shí)間就會(huì)變長(zhǎng)。這就意味著RBW和VBW越窄,掃描時(shí)間越長(zhǎng)。對(duì)于RBW/VBW/掃描時(shí)間,絕大多數(shù)頻譜分析儀都具有自動(dòng)和手動(dòng)選擇模式。自動(dòng)模式權(quán)衡了頻寬、RBW、VBW和掃描時(shí)間,通常能獲得很好的結(jié)合。

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