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频谱分析仪使用攻略(一)
发表日期:2010-11-11 15:42:05 来源:《无线电》杂志 作者:杨 法 【 】 浏览:19715次 评论:0

 

 

    频谱分析仪简称频谱仪,是用来显示频域信号幅度的仪器,在射频领域有“射频万用表”的美称。在射频领域,传统的万用表已经不能有效测量信号的幅度,示波器测量频率很高的信号也比较困难,而这正是频谱分析仪的强项。
  

    频谱仪与示波器属于两种类型的仪器,示波器主要显示时域信号幅度的变化,而频谱仪显示的是频域信号幅度的变化。对于研究射频的工程师和爱好者,频谱仪是工作的好帮手,它可以形象地展示一定频率范围内信号的幅度,可以据此发现信号的存在和不同类型信号的特征。随着科技的发展,频谱仪也从传统的模拟线路进化到数字化频谱仪,被赋予更多的功能,以适应不断出现的复杂信号。

 

                         

                      

应用与意义

 

    频谱分析仪在射频领域应用非常广泛。频谱仪最基本的作用就是发现和测量信号的幅度。频谱仪可以以图示化的方式显示设定频率范围内的射频信号,信号越强,频谱仪显示的幅度也越大。通过这种特性,频谱仪被用来搜索和发现一定频段内的射频信号,广泛应用在监测电磁环境、无线电频谱监测、电子产品电磁兼容测量、无线电发射机发射特性、信号源输出信号品质、反无线窃听器等领域。频谱仪可以测量射频信号的多种特征参数,包括频率、选频功率、带宽、邻道功率、调制波形、场强等。在射频信号的频率测量方面,虽然频率计是专业的设备,但遇到时分多址的信号(GSM移动电话、IDEN、TETRA的信号)、跳频的信号、宽带的信号,普通频率计无法准确计数,功率计无法及时测量,而频谱仪由于基于高速的信号捕捉,则可以有机会测量这些信号。针对这些常见的不稳定信号,很多中高档频谱仪还在测量软件上做了优化,提供专用的自动测量工具。

 

    由于频谱仪具有图示化射频信号的能力,频谱图可以帮助我们了解信号的特性和类型,有助于最终了解信号的调制方式和发射机的类型。在军事领域,频谱仪在电子对抗和频谱监测中被广泛应用,不同类型的雷达信号、通信电台信号、应答机信号、“敌我”识别器信号都有各自不同特征的频谱图。在民用无线电管理领域,通过频谱图,我们可以及时发现非法使用的频率,这比传统扫描监听的效率要高得多。在不明干扰源的定位中,频谱图有助于判断干扰信号的类型,并推断出产生干扰信号的可能设备,以缩小排查范围。频谱仪还是一部很好的场强仪,具有比较大的动态,一些具有自动测量功能的频谱仪可以方便地读出目标信号的场强数值,同时可以显示目标频率周边的情况。实际应用中,有很多手持频谱仪就替代了场强仪。

 

    有的频谱仪内置跟踪信号源,或者支持外接跟踪信号源,频谱仪与跟踪信号源配合使用,可以显示双端口网络的频幅特性,扩展了频谱仪的用途。该功能类似扫频仪和标量网络分析仪的主要功能,比普通老式扫频仪的精度要高得多,可以应用于滤波器的调校。如果频谱仪与跟踪源配合驻波电桥,还能直接图示化显示天线的匹配情况,具有天线分析仪的部分功能。

 

             

                 HP的早期频谱仪                                  HP经典频谱仪8591E

 

                         

                   Rohde-Schwarz主流通用频谱仪FSP                 Rohde&Schwarz手持频谱仪FSH系列

            

发展历程


 

     频谱分析仪从发明以来,经历了模拟线路频谱仪、单片机程控频谱仪、电脑数字化频谱仪的发展历程。随着集成电路和微处理器电路的迅猛发展以及对信号测量要求的提高,频谱仪的工作频率不断提高,精度不断提升,体积和重量不断缩减。从早期巨大笨重的台式频谱仪,发展到广泛使用的便携式频谱仪,以及近年来现场应用越来越多的手持式频谱仪,频谱仪正向着数字化、高精度化、小型化发展。

 

    老式的频谱仪为纯电路结构,早期的产品采用与示波器一样的示波管进行显示,通过快速扫描的接收机来形成频谱图。这类频谱仪基本没有自动测量功能,测量信号幅度靠人工对照示波管刻度进行数数,功能单一,只具有频谱仪基本的频率扫描和幅度显示功能,且精度很低。目前在主流应用中已基本淘汰。

 

    单片机程控频谱仪是通过单片机微处理器来控制的频谱仪,虽然从外观上看,最早期的数字频谱仪依然采用示波管显示,但增加了字符发生器电路,在仪器屏幕上可以看到一些设置信息,并具有了一些自动测量功能。随后,高性能的微处理器和频率合成器电路相继被引入,使得频谱仪的工作精度、分辨率和程控化水平得到显著提高。显示屏由示波管发展为CRT管,显示的频谱图是通过微处理器计算后形成的,并增加了很多数控和自动测量功能,屏幕上显示的信息一下子多了很多,频谱仪的分辨率显著提高到1kHz的水平,部分高端产品达到了1Hz级别。

 

    现代的数字化频谱仪除了射频信号处理单元,其余部分基本都数字化了。很多附加的专项测量功能,如TETRA信号测量、GSM信号测量,都能以软件开通形式添加,显示屏改为彩色液晶显示,并且进一步缩减了频谱仪的体积和重量,扫描速度进一步提高,背景噪声和相位噪声也得到了进一步控制,频谱仪的性能提高到一个新的水平,这更有利于对微小信号的测量。

 

    此外,新结构体系的实时频谱仪也全新登场,更有利于对遂发的信号进行捕捉。

 

    传统的频谱仪一贯比较笨重,比同年代的示波器重得多。很多大型台式频谱仪两个人都很难抬得动,即便是后期的HP8563E(CRT管型)之类,属于便携型的频谱仪,也有20kg重。随着液晶屏替代CRT显像管,以及仪器内部线路的进一步集成化,频谱仪的重量也有所减轻,如E4403B,重量在15kg左右。新一代的手持频谱仪成为现场检测中轻便灵巧的工具,新的N9340B装上电池的重量只有3.5kg左右,Rohde&Schwarz的FSH3仅重2.5kg。

 

性能与指标

 

    标志频谱分析仪性能和特性的主要指标有工作频率范围、分辨率带宽、频率扫宽、动态范围、扫描速度、端口阻抗、平均噪声电平、相位噪声、绝对幅度精度。

 

    频谱分析仪的工作频率范围是指频谱仪最高工作频率和最低工作频率,标志着频谱仪可以显示频谱的最大范围。在射频应用中,用户往往更关心频谱仪的最高工作频率,这使其成为用户关心频谱仪性能的第一指标。

 

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