采购指南2022/7/17 11:54:53
频谱分析仪的发展历程
来源：化工仪器网2022/7/8 9:36:53390
导读:
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，就容易构成自动测试系统。
早期的频谱分析仪实质上是一台扫频接收机，输入信号与本地振荡信号在混频器变频后，经过一组并联的不同中心频率的带通滤波器，使输入信号显示在一组带通滤波器限定的频率轴上。显然，由于带通滤波器由无源元件构成，频谱分析器整体上显得很笨重，而且频率分辨率不高。既然傅里叶变换可把输入信号分解成分立的频率分量，同样可起着滤波器类似的作用，借助快速傅里叶变换电路代替低通滤波器，使频谱分析仪的构成简化，分辨率增高，测量时间缩短，扫频范围扩大，这就是现代频谱分析仪的优点了。
传统的频谱分析仪的电路是在一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经下变频后由低通滤器输出，滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率，例如30HZ- 30GHZ，与外部混频器配合，可扩展到100GHz以上，频谱分析仪是频率覆盖宽的测量仪器之一。无论测量连续信号或调制信号，频谱分析器都是很理想的测量工具。
但是，传统的频谱分析仪也有明显的缺点。
首先，它只适于测量稳态信号，不适宜测量瞬态事件；
第二，它只能测量频率的幅度，缺少相位信息，因此属于标量仪器而不是矢量仪器；
第三，第三，它需要多种低频带通滤波器，获得的测量结果要花费较长的时间，因此被视为非实时仪器。
既然通过傅里叶运算可以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，出现基于快速傅里叶变换（FFT）的频谱分析仪。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。据此可知，这种频谱分析仪亦称为实时频谱分析仪，它的频率范围受到ADC采集速率和FFT运算速度的限制。
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的ADC需要12位 -16位的分辨率，按取样原理可知，ADC的取样率少等于输入信号高频率的两倍，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。目前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，此时垂直分辨率只有8位（256级），显然8位分辨率过低，因此，实时频谱分析仪适用于400MHz带宽以下的频段，此时具有 12位（4096级）以上的分辨率。为了扩展频率上限，可在ADC前端增加下变频器，本振采用直接数字事成的振荡器，这种混合式的频谱分析仪适合在几 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，则高输入频率是 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，高输入频率取决全取样率，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64ms，1KHz的1024点的运算时间增加至 640ms。当运算时间超过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
早期的频谱分析仪实质上是一台扫频接收机，输入信号与本地振荡信号在混频器变频后，经过一组并联的不同中心频率的带通滤波器，使输入信号显示在一组带通滤波器限定的频率轴上。显然，由于带通滤波器由无源元件构成，频谱分析器整体上显得很笨重，而且频率分辨率不高。既然傅里叶变换可把输入信号分解成分立的频率分量，同样可起着滤波器类似的作用，借助快速傅里叶变换电路代替低通滤波器，使频谱分析仪的构成简化，分辨率增高，测量时间缩短，扫频范围扩大，这就是现代频谱分析仪的优点了。
传统的频谱分析仪的电路是在一定带宽内可调谐的接收机，输入信号经下变频后由低通滤器输出，滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在示波器屏幕上绘出坐标图，就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率，例如30HZ- 30GHZ，与外部混频器配合，可扩展到100GHz以上，频谱分析仪是频率覆盖宽的测量仪器之一。无论测量连续信号或调制信号，频谱分析器都是很理想的测量工具。
但是，传统的频谱分析仪也有明显的缺点。
首先，它只适于测量稳态信号，不适宜测量瞬态事件；
第二，它只能测量频率的幅度，缺少相位信息，因此属于标量仪器而不是矢量仪器；
第三，第三，它需要多种低频带通滤波器，获得的测量结果要花费较长的时间，因此被视为非实时仪器。
既然通过傅里叶运算可以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，出现基于快速傅里叶变换（FFT）的频谱分析仪。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。据此可知，这种频谱分析仪亦称为实时频谱分析仪，它的频率范围受到ADC采集速率和FFT运算速度的限制。
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的ADC需要12位 -16位的分辨率，按取样原理可知，ADC的取样率少等于输入信号高频率的两倍，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。目前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，此时垂直分辨率只有8位（256级），显然8位分辨率过低，因此，实时频谱分析仪适用于400MHz带宽以下的频段，此时具有 12位（4096级）以上的分辨率。为了扩展频率上限，可在ADC前端增加下变频器，本振采用直接数字事成的振荡器，这种混合式的频谱分析仪适合在几 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，则高输入频率是 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，高输入频率取决全取样率，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64ms，1KHz的1024点的运算时间增加至 640ms。当运算时间超过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
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