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頻譜分析儀的原理是怎樣的？

2020.10.19

　　頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，可用以測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測(cè)量?jī)x器。

　　頻譜分析儀的工作原理

　　 1、模擬式頻譜儀

　　 (1)并行濾波實(shí)時(shí)頻譜儀

　　并行濾波實(shí)時(shí)頻譜儀又稱(chēng)為多通道濾波式頻譜分析儀，其組成框圖如下圖所示。信號(hào)同時(shí)加到通帶互相銜接的多個(gè)帶通濾波器中，各個(gè)頻率同時(shí)被檢波，經(jīng)電子開(kāi)關(guān)輪流顯示在熒光屏上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。此種頻譜儀不僅能分析周期信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)，還能分析瞬時(shí)信號(hào)。

　　 (2)擋級(jí)濾波器式頻譜儀

　　擋級(jí)濾波器式頻譜儀又稱(chēng)順序?yàn)V波式頻譜儀。與并行濾波實(shí)時(shí)頻譜儀不同，將電子開(kāi)關(guān)加在檢波器前，減少了檢波器數(shù)量，濾波后信號(hào)經(jīng)公共檢波器檢波后，送至熒光屏，是一種非實(shí)時(shí)測(cè)量。

　　并行濾波實(shí)時(shí)頻譜儀、擋級(jí)濾波器式頻譜儀受濾波器數(shù)量及帶寬的限制，這類(lèi)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(jī)原理，將本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的頻率可變的掃頻信號(hào)與被分析信號(hào)進(jìn)行差頻，差頻所得固定中頻信號(hào)送入窄帶濾波器，由后級(jí)電路進(jìn)行測(cè)量分析，由此依次獲得被測(cè)信號(hào)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(shù)，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(diǎn)，高頻頻譜儀幾乎全部采用外差式。

　　 2、數(shù)字式頻譜儀

　　 (1)數(shù)字濾波式實(shí)時(shí)頻譜儀

　　數(shù)字濾波式實(shí)時(shí)頻譜儀的組成框圖如下圖所示，僅用一個(gè)數(shù)字濾波器，即構(gòu)成與模擬式頻譜儀中并行濾波法等效的實(shí)時(shí)頻譜儀。由于數(shù)字濾波器性能優(yōu)越，可以實(shí)現(xiàn)頻分和時(shí)分復(fù)用，完成頻譜測(cè)量。同時(shí)數(shù)字濾波器輸出的是序列數(shù)字量，因而可以進(jìn)行數(shù)字平方檢波和均方運(yùn)算，大大提高了檢波精度和動(dòng)態(tài)范圍。該方法受到數(shù)字器件資源的限制，無(wú)法設(shè)置足夠多的數(shù)字濾波器，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(shù)是傅里葉變換（FFT分析)，得到被分析信號(hào)的離散頻譜，再經(jīng)平方獲得功率譜。根據(jù)采樣定理：采樣速率應(yīng) 該大于或等于被采樣信號(hào)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(shù)字外差式頻譜儀

　　數(shù)字外差式頻譜儀融合了外差掃描、數(shù)字信號(hào)處理及實(shí)時(shí)分析技術(shù)，利用數(shù)字可編程器件實(shí)現(xiàn)模擬外差式頻譜儀中的各模塊。輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)高速 A/D轉(zhuǎn)換送入處理器，在硬件乘法器內(nèi)與數(shù)字熒光示波器產(chǎn)生的本振掃頻信號(hào)混頻，變頻后信號(hào)分別進(jìn)入低通數(shù)字濾波器，提取濾波后的信號(hào)幅值，結(jié)合當(dāng)前頻率，在顯示器上顯示信號(hào)頻譜。

　　相比模擬外差式頻譜儀，數(shù)字外差式頻譜儀不僅測(cè)量速度快，還能對(duì)頻譜信號(hào)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和分析。相比傅里葉頻譜儀和數(shù)字濾波式頻譜儀，數(shù)字外差式頻譜儀只使用一個(gè)固定截止頻率的低通濾波器，節(jié)省資源，同時(shí)省去大容量的存儲(chǔ)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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