频谱分析仪

频谱分析仪，是电学测量技术中用来记录和显示频率范围内信号的一种测量设备。 显示通常在测量设备内置的屏幕上，水平轴（横坐标）是频率轴，振幅显示在垂直轴（纵坐标）上。 生成的图像称为频谱，简称频谱。 相比之下，与频谱分析仪相关的测量设备——示波器，显示的是时域的信号曲线，现在很多数字示波器也提供了简单显示频谱的选项。

频率分析仪器主要用于电路开发和高频测量技术领域。 音谱分析仪的过时术语是“全景接收器”和“波指示器”。

有几种方法可以测量信号的复值频谱 X _ 。 由于频率分析仪一般不能建立参考相位和被测信号及其相位位置的时间参考，只能建立频谱的xxx值，即所谓的幅度谱 | X _ | ，确定并显示。 一些样品光谱，包括它们的数学描述可以在或

音谱分析仪的不同测量方法很常见：

• 直接基于快速傅立叶变换（简称 FFT）的 FFT 分析器。
• 带有全带宽可调谐带通滤波器的分析仪。
• 音频分析仪基于外差原理，内置测量接收器、混频器和中频级。

程序如下所述。 数字音频分析仪也可能包含多种测量方法的组合，以便能够利用各个方法的优势。

频谱直接借助于傅里叶变换计算（快速傅里叶变换用于通常的数字测量设备）。 数字示波器中的频谱显示大多基于这种方法。 这种类型的测量称为时域测量或时域方法。

优点是测量设备的技术投入相对较低，缺点是可以实现的带宽较低，或者在高带宽的情况下，只有低光谱分辨率和减小的动态范围。 100 dB 的高动态范围仅在高达 100 kHz 的频率下在技术上是可行的。 但是，可以通过使用前置放大器稍微增加动态范围。

FFT 分析仪的结构如简化框图所示。 输入信号经过低通滤波以避免混叠，然后使用模数转换器（AD 转换器）进行数字化。 随后存储在中间存储器 (RAM) 中，并使用合适的窗口函数计算 FFT。 凭借高信号处理速度，实时分析成为可能。 由于块形成的特性，FFT 分析仪仅有条件地适用于分析随时间变化很大的频谱或脉冲信号。

音频分析仪也可以直接在输入端使用可调带通滤波器来实现。 滤波器的中心频率可以通过锯齿波发生器产生的控制信号进行调整。 锯齿波信号用作自动运行通过待测频率范围的控制信号，也用作显示器中水平偏转（x 轴）的信号。 带通滤波器只允许所需频率范围的部分通过，以这种方式过滤的信号被放大，然后由包络曲线解调器形成xxx值，用二极管表示。 以这种方式形成的幅度值用作显示器中的垂直偏转（y轴）。

这种分析仪概念的难点在于可在整个频率范围内调谐的窄带带通滤波器的实际可行性。 此外，由于工作原理，模拟带通滤波器具有几乎恒定的相对带宽。 这意味着随着中心频率的增加，带通滤波器的xxx带宽增加，从而降低了频谱分辨率。

因此，只有可调谐带通滤波器的音频分析仪不会作为单独的分析仪制造，而只能与其他分析方法结合使用。 一个应用领域是用于 3 GHz 以上频率范围内的输入级，通常可调谐性超过 w不到五年。 在微波范围内的这些高频下，可以通过适当的参数在技术上实现基于材料钇铁石榴石的磁可调谐 YIG 滤波器。 然而，即使在这个应用领域，经过滤波的输入信号也不会直接馈送到包络解调器，而是形成一个中频，然后根据外差原理将其馈送到分析级。

外差式分析仪与外差式接收机一样，都是基于本地振荡器 (LO) 和频偏混频器的使用。 要测量的频带使用锯齿波发生器进行调谐，如右​​图所示。 锯齿波信号驱动本地振荡器，通常作为压控振荡器 (VCO) 实现，它为输入端的混频器级提供频率。 由混频器形成的中频信号 (IF) 被放大，馈送到对数转换器以增加动态并避免削波，然后通过包络曲线解调器形成幅度信号。 对数转换器还允许以分贝为单位直接显示振幅谱。 所谓的视频滤波器，位于显示器的正前方，是一种可调节的低通滤波器。 视频滤波器一词有其历史原因，它主要是通过平均振幅谱来降低噪声。 以这种方式过滤的包络信号在垂直方向 (y) 上馈送到显示器。

按照这种方法工作的音频分析仪器作为测量设备的结构比简化框图要复杂得多。 其中，几个中频用于此目的。 xxx中频通常高于最高可调测量频率，以确保清晰度并避免不需要的混频产物。 在实际外差分析仪中，这种高频中频通过额外的中频级（通常是另外两个 IF 级）在包络曲线解调器之前转换为信号。

避免高中频的一种方法是调制本地振荡器并使用数字信号处理计算出图像频率的方法。 这种方法具有非常低的噪音水平。 基于这种方法的设备在较高频率范围内运行，已经接近 −174 dBm/Hz 的物理噪声限制。

来自本地振荡器的信号质量对音频分析仪的质量有很大影响，因为 LO 信号的频谱宽度随着统计分辨率带宽 RBW的有效增加而显着增加IF 滤波器具有尽可能陡峭的侧翼。 噪声边带限制了测量灵敏度； 本地振荡器的相对较慢的频率波动（例如由于小的温度变化）会导致显示模糊并增加测量的不确定性。

在频谱分析仪的情况下，除了滤波器带宽的选择和窗口函数的选择之外，振幅谱的显示类型可以受到用户可以选择的检测器的影响。 检测器根据设备的不同而不同，它们布置在视频滤波器之后和显示单元之前，例如，允许将振幅谱显示为峰值（例如xxx值或最小值）、有效值或作为在可调区间范围内确定的算术平均值。

在外差分析仪中，各种可调参数之间存在依赖关系，例如锯齿波发生器指定的扫描时间、模拟或数字 IF 级的带宽、建立时间和视频滤波器的带宽（如果小于分辨率）带宽。 一般来说，以下关系适用于所需的最小吞吐量时间 T s w e e p：

T s w e e p = k ⋅ Δ f B Z F 2

其中 Δ f作为要表示的频率范围（英语跨度）和 B Z F  中频级的分辨率带宽。 比例因子 k ≥ 1 描述了额外需要的稳定时间，取决于设备和 IF 滤波器级的具体结构。 为了尽可能小的瞬态误差，需要xxx可能的 k 值。 实际上，大约 0.15 dB 的瞬态误差是可以容忍的，k 的通常取值范围是 1 到 2.5。