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频谱分析仪基础知识(一) [复制链接]

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。  
从事通信工程的技术人员,在很多时候需要对信号进行分析,针对不同观察域,分别用示波器、频谱分析仪和矢量分析仪观察信号。  
示波器只能观察信号的幅度、周期和频率;但频谱分析仪还可以分析信号的频率分布信息、频率、功率、谐波、杂波、噪声、干扰和失真,而矢量分析仪可以在频谱分析仪基础上分析数字调制信号调制质量。  
早期的信号观察,主要依赖示波器在时域内观察信号。傅立叶变换告诉我们:任何时域内电信号都是由一个或多个不同频率、不同幅度和不同相位的正弦波组成的,但应用示波器无法观察到频域内信息,只能在时域内观察。应用频域测量,就能以频谱的形式显示出每个正弦波的幅度随频率变化的情况。  
下图是信号在时域和频域内观察的结果,由此可以清楚看出信号在频域观察的必要性。时域得到的是信号的波形信息,不能测量混合信号,如果存在干扰或失真信号,在时域上无法区分有用信号和无用信号。在频域上可以准确地测量有用信号和无用信号的各种参数。

图片1.jpg  
时域分析:信号周期,相位分析,边沿测试,峰值电压多信号对比  
频域分析:信号频率,谐波分量,信号功率,杂波、噪声,电磁干扰EMI  
既然如此,时域测量是否过时了呢?答案是否定的。时域测量能够更好的适用于某些测量场合,而且有些测量也只能在时域中进行。例如纯时域测量中所包括的脉冲上升和下降时间、过冲和振铃等。  
为什么要测量频谱?  
1.频域测量更适于确定信号的谐波分量  

在无线通信领域,人们非常关心带外辐射和杂散辐射。例如在蜂窝通信系统中,必须检查载波信号的谐波成分,以防止对其它有着相同工作频率与谐波的通信系统产生干扰。工程师和技术人员对调制到载波上的信息的失真也非常关心。三阶交调(复合信号的两个不同频谱分量互相调制)产生的干扰相当严重,因为其失真分量可能直接落入分析带宽之内而无法滤除。  
2.频谱监测是频域测量的又一重要领域  
政府管理机构对各种各样的无线业务分配不同的频段,例如广播电视、无线通信、移动通信、警务和应急通信等其它业务。保证不同业务工作在其被分配的信道带宽内是至关重要的,通常要求发射机和其它辐射设备应工作于紧邻的频段。在这些通信系统中,针对功率放大器和其它模块的一项重要测量是检测溢出到邻近信道的信号能量以及由此所引起的干扰。  
3.EMI测试对于电气或者电子产品制造行业的必要性  
电磁干扰(EMI)是用来研究来自不同发射设备的有意或无意的无用辐射。在此我们关心的问题是,无论是辐射还是传导(通过电力线或其它互导连线产生),其引起的干扰都可能影响其它系统的正常运行。根据由政府机构或行业标准制定的有关条例,几乎任何从事电气或电子产品设计制造的人员都必须对辐射电平与频率的关系进行测试。  
4.部分示波器也有FFT功能,同频谱仪的区别在哪里?  
示波器一般有一个FFT功能可以从频率域的角度显示信号,但它的性能指标一般不足以分析射频的,特别是带调制的信号。这个性能不足主要表现在两个方面:  
第一测量的带宽不同:示波器的设计主要用于观察基带信号的,所以一般来说带宽都不是很宽,最常见的是几十到几百MHz。当然,随着数字电路技术的快速发展,基带信号的速率也在快速提升,所以,一些中高档的示波器也能到GHz这个数量级。而频谱仪主要用以分析载波及调制了的射频信号,所以频谱仪的频率范围通常要宽很多,某些产品达到50GHz。  
第二是灵敏度和动态范围不一样。大家知道示波器的所能测到的最小信号的幅度一般是1毫伏。我们可以换算一下,阻抗是50欧姆的条件下,一毫伏等于-47dBm,频谱仪远远超过于此。这种测量最小信号的能力也决定了频谱仪在同时观测大信号和小信号方面远胜于示波器,这种同时观测大信号和小信号的能力,也就是平常我们所说的动态范围  
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