頻譜分析儀原理

頻譜分析儀原理

頻譜分析儀基本原理實(shí)現(xiàn)框圖

頻譜分析儀對(duì)于信號(hào)分析來(lái)說(shuō)是不可少的。它是利用頻率域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析、研究，同時(shí)也應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如通訊發(fā)射機(jī)以及干擾信號(hào)的測(cè)量，頻譜的監(jiān)測(cè)，器件的特性分析等等，各行各業(yè)、各個(gè)部門(mén)對(duì)頻譜分析儀應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。下面結(jié)合我臺(tái)DSNG衛(wèi)星移動(dòng)站的工作特點(diǎn)，就電視信號(hào)傳輸過(guò)程中利用頻譜分析儀捕捉衛(wèi)星信標(biāo)，監(jiān)控地面站工作狀態(tài)等方面，簡(jiǎn)要介紹一下頻譜分析儀的工作原理。
科學(xué)發(fā)展到今天，我們可以用許多方法測(cè)量一個(gè)信號(hào)，不管它是什么信號(hào)。通常所用的最基本的儀器是示波器，觀察信號(hào)的波形、頻率、幅度等。但信號(hào)的變化非常復(fù)雜，許多信息是用示波器檢測(cè)不出來(lái)的，如果我們要恢復(fù)一個(gè)非正弦波信號(hào)F，從理論上來(lái)說(shuō)，它是由頻率F1、電壓V1與頻率為F2、電壓為V2信號(hào)的矢量迭加（見(jiàn)圖1）。從分析手段來(lái)說(shuō)，示波器橫軸表示時(shí)間，縱軸為電壓幅度，曲線是表示隨時(shí)間變化的電壓幅度。這是時(shí)域的測(cè)量方法，如果要觀察其頻率的組成，要用頻域法，其橫坐標(biāo)為頻率，縱軸為功率幅度。這樣，我們就可以看到在不同頻率點(diǎn)上功率幅度的分布，就可以了解這兩個(gè)（或是多個(gè)）信號(hào)的頻譜。有了這些單個(gè)信號(hào)的頻譜，我們就能把復(fù)雜信號(hào)再現(xiàn)、復(fù)制出來(lái)。這一點(diǎn)是非常重要的。
對(duì)于一個(gè)有線電視信號(hào)，它包含許多圖像和聲音信號(hào)，其頻譜分布非常復(fù)雜。在衛(wèi)星監(jiān)測(cè)上，能收到多個(gè)信道，每個(gè)信道都占有一定的頻譜成份，每個(gè)頻率點(diǎn)上都占有一定的帶寬。這些信號(hào)都要從頻譜分析的角度來(lái)得到所需要的參數(shù)。
從技術(shù)實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，目前有兩種方法對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行分析。
其一是對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域的采集，然后對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，將其轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)。我們把這種方法叫作動(dòng)態(tài)信號(hào)的分析方法。特點(diǎn)是比較快，有較高的采樣速率，較高的分辨率。即使是兩個(gè)信號(hào)間隔非常近，用傅立葉變換也可將它們分辨出來(lái)。但由于其分析是用數(shù)字采樣，所能分析信號(hào)的最高頻率受其采樣速率的影響，限制了對(duì)高頻的分析。目前來(lái)說(shuō)，最高的分析頻率只是在10MHz或是幾十MHz，也就是說(shuō)其測(cè)量范圍是從直流到幾十MHz。是矢量分析。
這種分析方法一般用于低頻信號(hào)的分析，如聲音，振動(dòng)等。
另一方法原理則不同。它是靠電路的硬件去實(shí)現(xiàn)的，而不是通過(guò)數(shù)學(xué)變換。它通過(guò)直接接收，稱為超外差接收直接掃描調(diào)諧分析儀。我們叫它為掃描調(diào)諧分析儀。
在工作中通常所用的HP-859X系列頻譜儀都是此類的分析儀。其優(yōu)點(diǎn)是掃描調(diào)諧分析法受器件的影響，只要我們把器件頻率做得很高，其分析能力就會(huì)很強(qiáng)。目前的工藝水平，器件可達(dá)到100GHz，最高甚至可做到325GHz。其頻率范圍要比前一種分析方法大很多。只是在達(dá)到較高分辨率時(shí)，其分析測(cè)量的時(shí)間會(huì)有所增加。
在實(shí)際工作中，無(wú)線信號(hào)衛(wèi)星信號(hào)的監(jiān)督，由于其頻率很高，都是采用掃描調(diào)諧的方式。它所能給我們的信息沒(méi)有相位參數(shù)，只有幅度、頻率。它是一種標(biāo)量的分析方法。另外，這種方法有很高的靈敏度，它受到前端掃描調(diào)諧器件的控制，還有很高的動(dòng)態(tài)范圍。
下面我們著重介紹一下掃描調(diào)諧分析儀的基本原理，從圖2中，我們不難看出，它是用超外差接收機(jī)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)頻譜分析的。
最基本的核心部分是它的混頻器。基本功能是將被測(cè)信號(hào)下變至中頻21.4MHz，然后在中頻上進(jìn)行處理，得到幅度。在下變頻的過(guò)程中，是由本振來(lái)實(shí)現(xiàn)下變頻的。本振信號(hào)是掃描的，本振掃描的范圍覆蓋了所要分析信號(hào)的頻率范圍。所以調(diào)諧是在本振中進(jìn)行的。全部要分析的信號(hào)都下變頻到中頻進(jìn)行分析并得到譜頻。這與日常所用的電視機(jī)、收音機(jī)的原理是一樣的。
但是有線電視輸出信號(hào)范圍很廣，比如有50個(gè)頻道播放。這50個(gè)信號(hào)是同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)的，其總功率是迭加的。而所看的電視節(jié)目只能是其中之一。同理，送入頻譜儀的輸入端口信號(hào)是所采集信號(hào)的總和，其中包括所要分析的特定信號(hào)，所輸入到頻譜儀的功率是總功率。由此要引入一個(gè)參數(shù)-最大燒毀功率。這一值是1瓦或是+30dBm。也就是說(shuō)輸入到頻譜儀的信號(hào)功率總和不能超過(guò)1瓦，否則將會(huì)燒毀儀器的衰減器和混頻器。
例如，我們要監(jiān)測(cè)一個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，假設(shè)其頻率為12GHz，其功率可能只有-80dBm左右，這是很小的。但要知道輸入信號(hào)是由很多信號(hào)迭加組成的，若是在其它某一頻率上包括一個(gè)很強(qiáng)的信號(hào)，即使你沒(méi)有看到這個(gè)大功率信號(hào)，若輸入信號(hào)功率的總和大于1瓦，也是要燒毀頻譜儀的，而其中的大功率信號(hào)并不是你所要分析的信號(hào)。這是我們?cè)谌粘９ぷ髦行瓒嗉有⌒牡模驗(yàn)楦鼡Q混頻器的費(fèi)用是很高的。
當(dāng)然，頻譜儀在輸入信號(hào)時(shí)并沒(méi)有直接將其接入混頻器，而是首先接入一個(gè)衰減器。這不會(huì)影響最終的測(cè)量結(jié)果，完全是為了儀表內(nèi)部的協(xié)調(diào)，如匹配、最佳工作點(diǎn)等等。它的衰減值是步進(jìn)的，為0dB、5dB、10dB，最大為60dB。
還有的頻譜儀是不能輸入直流的，否則也會(huì)損壞器件。另外，還應(yīng)注意不能有靜電，因?yàn)殪o電的瞬時(shí)電壓很高，容易把有源器件擊穿。日常工作中把儀表接地就會(huì)有很好的效果，當(dāng)然要有保護(hù)接地會(huì)更好。
在中頻，所有信號(hào)的功率幅度值與輸入信號(hào)的功率是線性關(guān)系。輸入信號(hào)功率增大，它也增大，反之相同。所以我們檢測(cè)中頻信號(hào)是可行的。另外，為了有效檢測(cè)，要有一個(gè)內(nèi)部中頻信號(hào)放大。混頻器本身有差落衰減，本頻和射頻混頻之后它并不是只有一個(gè)單一中頻出來(lái)，它的中頻信號(hào)非常豐富，所有這些信號(hào)都會(huì)從混頻器中輸出。在眾多的諧波分量中，只對(duì)一個(gè)中頻感興趣。這就是前面所說(shuō)的21.4MHz。這是在儀器器件中已做好的，用一個(gè)帶通濾波器把中心頻率設(shè)在21.4MHz，濾除其它信號(hào)，提取21.4MHz的中頻信號(hào)。通過(guò)中頻濾波器輸出的信號(hào)，才是我們所要檢測(cè)的信號(hào)。
濾波器在工作中有幾個(gè)因素：中心頻率是21.4MHz，固定不變，其30dB帶寬可以改變。比如對(duì)廣播信號(hào)來(lái)說(shuō)，其帶寬一般是幾十kHz，若信號(hào)帶寬是25kHz，中頻的帶寬一定要大于25kHz。這樣，才能使所有的信號(hào)全部進(jìn)來(lái)。如果太寬，就會(huì)混入其它信號(hào)；如果太窄，信號(hào)才進(jìn)來(lái)一部分，或是低頻成份，或是高頻成份。這樣信號(hào)是解調(diào)不出來(lái)的。
中頻帶寬設(shè)置根據(jù)實(shí)際工作的需要來(lái)決定的。當(dāng)然它會(huì)影響其它很多因素，如底噪聲、信號(hào)解調(diào)的失真度等。
經(jīng)過(guò)中頻濾波器的中頻信號(hào)功率就是反應(yīng)了輸入信號(hào)的功率。檢測(cè)的方法就是用一個(gè)檢波器，將它變?yōu)殡妷狠敵觯w現(xiàn)在縱軸的幅度。當(dāng)然還要經(jīng)過(guò)D