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基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪,通过傅里叶运算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。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。
在这种频谱分析仪中,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时 ADC的取样率少等于输入信号频率的两倍,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。
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,为了扩展频率上限,可在ADC前端增加下变频器,本振采用数字调谐振荡器。这种混合式的频谱分析仪可扩展到几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,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ms,1KHz的1024点的运算时间增加至640ms。当运算时间**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,使运算时间降低至200ms以下。
频谱分析仪仪器特性
分析频谱分析仪的讯息处理过程
在量测高频信号时,外差式的频谱分析仪混波以后的中频因放大之故,能得到较高的灵敏度,且改变中频滤波器的频带宽度,能*地改变频率的分辨率,但由于**外差式的频谱分析仪是在频带内扫瞄之故,因此,除非使扫瞄时间趋近于零,无法得到输入信号的实时(Real Time)反应,故欲得到与实时分析仪的性能一样的**外差式频谱分析仪,其扫瞄速度要非常之快,若用比中频滤波器之时间常数小的扫瞄时间来扫瞄的话,则无法得到信号正确的振幅,因此欲提高频谱分析仪之频率分辨率,且要能得到准确之响应,要有适当的扫瞄速度。由以上之叙述,可以得知**外差式频谱分析仪无法分析瞬时信号(TransientSignal)或脉冲信号(Impulse Signal)的频谱,而其主要应用则在测试周期性的信号及其它杂散信号(Random Signal)的频谱。频谱分析仪系统内部及面板显示的特性,详如附录一的说明,对该内容的了解将有助于频谱分析仪的操作使用。一般本地振荡器输出信号的频率均**中频信号的频率,本地振荡器输出信号的频率可被调整在谐波之频率,亦即?IN=n??LO±?I F n=1,2,3.......⑵
由式⑵得知,频谱分析仪的信号量测范围,无形中己被拓宽,低于或**本地振荡器或其它谐波频率的输入信号,均能被混波产生中频。延伸输入信号频率的混波原理,其中纵轴代表输入信号(?IN),横轴代表本地振荡频率(?LO),图中的正负整数代表公式⑵中频放大器对应的正负号。
可体会频谱分析仪利用本地振荡的谐波信号延伸输入信号频率的工作原理。然而可能对应多个输入信号频率,为消除此一现象,在衰减器前面加入频率预选器(Preselector),用来提升频谱分析仪的范围,同时使输出的结果能去除其它不必要的频率而真正反应输入信号的频率。
图1.4:利用本地振荡之谐波信号拓展信号频率的原理
由以上得知**外差或频谱分析仪无法分析瞬时信号(TransientSignal)或脉冲信号(Impulse Signal)的频谱,而其主要应用则在测试周期性的信号及其它随机信号(Random Signal)的频谱。
频谱分析仪操作
硬键、软键和旋钮
这是仪器的基本操作手段。
1.三个大硬键和一个大旋钮:大旋钮的功能由三个大硬键设定。按一下频率硬键,则旋钮可以微调仪器显示的中心频率;按一下扫描宽度硬键,则旋钮可以调节仪器扫描的频率宽度;按一下幅度硬键,则旋钮可以调节信号幅度。旋动旋钮时,中心频率、扫描宽度(起始、终止频率)、和幅度的dB数同时显示在屏幕上。
2.软键:在屏幕右边,有一排纵向排列的没有标志的按键,它的功能随项目而变,在屏幕的右侧对应于按键处显示什么,它就是什么按键。
3. 其它硬键:仪器状态(INSTRUMNT STATE)控制区有十个硬键:RESET清零、CANFIG配置、CAL校准、AUX CTRL控制、COPY打印、MODE模式、SAVE存储、RECALL调用、MEAS/USER测量/用户自定义、SGL SWP信号扫描。光标(MARKER)区有四个硬键:MKR光标、MKR 光标移动、RKR FCTN光标功能、PEAK SEARCH峰值搜索。控制(CONTRL)区有六个硬键:SWEEP扫描、BW带宽、TRIG触发、AUTO COVPLE自动耦合、TRACE跟踪、DIS**Y显示。在数字键区有一个BKSP回退,数字键区的右边是一纵排四个ENTER确认键,同时也是单位键。大旋钮上面的三个硬键是窗口键:ON打开、NEXT下一屏、ZOOM缩放。大旋钮下面的两个带头的键STEP配合大旋钮使用作上调、下调。
输入和输出接口位于一起面板下边一排。TV IN测视频指标的信号输;VOL INTEN是内外一套旋钮控制、调节内置喇叭的音量和屏幕亮度;CAL OUT仪器自检信号输出;300Mhz 29dBmv仪器标准信号输出口;PROBE PWR仪器探针电源;IN 75Ω1M—1.8G测试信号总输。
一、频谱分析仪的使用入门
如下图为所使用的频谱分析仪面板外观:
为了测量天线的发射功率,可按照图中红色标识的步骤进行。步骤与具体含义如下:
1、Frequency:设置频率,按下该按键后,可在数字键盘输入需要的频率,数字键盘右边一列为单位2、Span:设置显示屏显示频率宽度,可根据需要设置,本次设置的50MHz3、Trace:该按键选择保留显示屏数据的方式,按下该案件后,可在蓝色圈中选择方式(类似于示波器中的“触发方式”),由上往下*二个按钮MaxHold表示保留发射功率4、Amplitude:调节频谱分析仪的参考电衰减比,按下该按键后旋转白色的大旋钮可以进行调节,作用是将频谱图调整到合适的位置,不至于飞出屏幕。5、Mark(MAK):调出标记点,此时旋转旋钮可以查看频谱图中任意一点的相关数据。二、信号相关名词解释1、发射功率:
发射功率就是所使用的设备(手机、对讲机、其他嵌入式设备等)所发射出来给基地台的信号强度。
无线电发射机输出的射频信号,通过馈线(电缆)输送到天线,由天线以电磁波形式出去。电磁波到达接收地点后,由天线接收下来(仅仅接收很小很小一部分功率),并通过馈线送到无线电接收机。因此在无线网络的工程中,计算发射装置的发射功率与天线的能力非常重要。
无线电波的发射功率是指在给定频段范围内的能量,通常有两种衡量或测量标准:
1、功率(W):相对1瓦(Watts)的线性水准。例如,WiFi无线网卡的发射功率通常为0.036W,或者说36mW。
2、增益(dBm):相对1毫瓦(milliwatt)的比例水准。例如,WiFi无线网卡的发射增益为15.56dBm。
2、增益:
(1)dBm:功率
公式:10lg功率P1mW
eg1:1mW发射功率用dBm表示:发射功率为:10lg(功率值/1mW)=10lg(1mW/1mW)=0dBm
eg2:2mW发射功率用dBm表示:发射功率为:10lg(功率值/1mW)=10lg(2mW/1mW)=10lg2=3dBm
(2)dB:相对功率
dB是一个表征相对值的值,当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时,按下面计算公式:
公式:10lg甲功率乙功率
eg1、甲的功率是乙的功率的2倍,则用公式计算为:10lg(甲功率/乙功率)=10lg2=3dB,描述为甲比乙功率大了3dB。
3、信噪比(SNR):
信噪比SNR=信号功率噪声功率
4、Rssi:
RSSI:ReceivedSignalStrengthIndication接收的信号强度指示,无线发送层的可选部分,用来判定链接质量,以及是否广播发送强度
频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器,用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量,可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数,是一种多用途的电子测量仪器。
它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。
现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果,能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。
仪器内部若采用数字电路和微处理器,具有存储和运算功能;配置标准接口,就*构成自动测试系统。
频谱仪是一种常用的,主要针对于射频和微波信号进行检测,在多个领域中都有一定的应用。
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