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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構的儀器，用于信號失真度、調制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調失真等信號參數的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數，是一種多用途的電子測量儀器。 對于時域內的周期性函數，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。對于時域內非周期連續(xù)時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倍的諧波構成，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噪聲的頻譜都是連續(xù)頻譜，即在所測的全部頻率范圍內都有頻率分量存在。
頻率分析的特點
1、時域是唯一客觀存在的域，頻域是一個非真實的、遵循特定規(guī)律的數學范疇。
2、某些時域上較復雜的波形，頻域上的顯示可能較為簡單。
實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，故當兩個信號的基波幅度相同時，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，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果，譜線數量清晰明了。
4、對于確定信號存在著傅里葉變換，將時域信號分解成正弦和余弦曲線的疊加，完 成信號從時域到頻域的轉換，變換結果為幅度譜或相位譜。對于隨機信號不存在傅里葉變換，只就某些樣本函數的統(tǒng)計特征值做出估算，如均值、方差等，對它們進行的是功率譜分析。
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、數字式頻譜儀、模擬/數字混 合式頻譜儀。
模擬式頻譜儀以模擬濾波器為基礎，用濾波器來實現信號中各頻率成分的分離，主要用于射頻和微波頻段。
數字式頻譜儀以數字濾波器或FFT為基礎構成。數字式頻譜儀精度高、性能靈活，受數字系統(tǒng)工作頻率的限制，主要用于低頻和超低頻段。
2、按對信號處理的實時性分類
按頻譜儀對信號處理的實時性分類，可分為實時頻譜儀和非實時頻譜儀。
實時和非實時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“實時”并非指時間上的快速，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的時間段內，能夠完成頻率分辨率達1/T的譜分析；或待分析信號的帶寬小于儀器所能同時分析的最大帶寬。顯然，在一定頻率范圍內討論實時分析才有現實意義：在該范圍內，數據分析速度與數據采集速度相匹配，不會發(fā)生數據積壓現象，這樣的分析就是實時的；如果待分析的信號帶寬超過這個范圍，則分析變成非實時的。
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信號分析。現在，許多數字式頻譜儀可以實現不同帶寬的FFT分析以及兩 種頻率刻度的顯示，所以，對于數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)并行濾波實時頻譜儀
并行濾波實時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。信號同時加到通帶互相銜接的多個帶通濾波器中，各個頻率同時被檢波，經電子開關輪流顯示在熒光屏上，實現實時測量。此種頻譜儀不僅能分析周期信號、隨機信號，還能分析瞬時信號。
(2)擋級濾波器式頻譜儀
擋級濾波器式頻譜儀又稱順序濾波式頻譜儀，其組成框圖如下圖所示。與并行濾波實時頻譜儀不同，將電子開關加在檢波器前，減少了檢波器數量，濾波后信號經公共檢波 器檢波后，送至熒光屏，是一種非實時測量。
并行濾波實時頻譜儀、擋級濾波器式頻譜儀受濾波器數量及帶寬的限制，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原理，將本機振蕩器產生的頻率可變的掃頻信號與被分析信號進行差頻，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，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，高頻頻譜儀幾乎全部采用外差式。
2、數字式頻譜儀
(1)數字濾波式實時頻譜儀
數字濾波式實時頻譜儀的組成框圖如下圖所示，僅用一個數字濾波器，即構成與模擬式頻譜儀中并行濾波法等效的實時頻譜儀。由于數字濾波器性能優(yōu)越，可以實現頻分和時分復用，完成頻譜測量。同時數字濾波器輸出的是序列數字量，因而可以進行數字平方檢波和均方運算，大大提高了檢波精度和動態(tài)范圍。該方法受到數字器件資源的限制，無法設置足夠多的數字濾波器，從而無法實現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，其核心技術是傅里葉變換（FFT分析)，得到被分析信號的離散頻譜，再經平方獲得功率譜。根據采樣定理：最低采樣速率應 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)數字外差式頻譜儀
數字外差式頻譜儀融合了外差掃描、數字信號處理及實時分析技術，利用數字可編程器件實現模擬外差式頻譜儀中的各模塊，其組成框圖如下圖所示。輸入信號經過高速 A/D轉換送入處理器，在硬件乘法器內與數字熒光示波器產生的本振掃頻信號混頻，變頻 后信號分別進入低通數字濾波器，提取濾波后的信號幅值，結合當前頻率，在顯示器上顯 示信號頻譜。
相比模擬外差式頻譜儀，數字外差式頻譜儀不僅測量速度快，還能對頻譜信號實現存儲和分析。相比傅里葉頻譜儀和數字濾波式頻譜儀，數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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