频谱剖析仪和矢量信号剖析仪

　　在实验室和车间最常用的信号测验仪器是电子示波器。人的思想对时刻概念比较灵敏，每时每刻都与时域事情发生联络，可是信号往往以频率方法呈现，用示波器调查最简略的调幅载波信号也不方便，往往显现载波时看不清调制仪，屏幕上取得的是三条谱线，即载频和在载频左右的调制频。调制方法越杂乱，电子示波器越难显现，频谱剖析器的表达才能强，频谱剖析仪是当之无愧的频域仪器的代表。交流时刻一频率的数字表达方法便是傅里叶改换，它把时刻信号分解成正弦和余弦曲线的叠加，完结信号由时刻域转换到频率域的进程。
　　前期的频谱剖析仪实质上是一台扫频接收机，输入信号与本地振动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，使输入信号显现在一组带通滤波器约束的频率轴上。显着，因为带通滤波器由无源元件构成，频谱剖析器全体上显得很粗笨，并且频率分辨率不高。已然傅里叶改换可把输入信号分解成分立的频率重量，相同可起着滤波器类似的效果，凭借快速傅里叶改换电路替代低通滤波器，使频谱剖析仪的构成简化，分辨率增高，丈量时刻缩短，扫频规模扩展，这便是现代频谱剖析仪的优点了。
　　矢量信号剖析仪是在预订频率规模内主动丈量电路增益与相应的仪器，它有内部的扫频频率源或可操控的外部信号源。其功用是丈量对输入该扫频信号的被测电路的增益与相位，因此它的电路结构与频谱剖析仪类似。频谱剖析仪需求丈量不知道的和恣意的输入频率，矢量信号剖析仪则只丈量本身的或受控的已知频率；频谱剖析仪只丈量输入信号的起伏（标量仪器），矢量信号剖析仪则丈量输入信号的起伏和相位（矢量仪器）。由此可见，矢量信号剖析仪的电路结构比频谱剖析仪杂乱，价位也较高。现代的矢量信号剖析仪也选用快速傅里叶改换，以下介绍字们的异同。
　　频谱剖析仪和FFT频谱剖析仪
　　传统的频谱剖析仪的电路是在必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，滤波输出作为笔直重量，频率作为水平重量，在示波器屏幕上绘出坐标图，便是输入信号的频谱图。因为变频器可以到达很宽的频率，例如30HZ-30GHZ，与外部混频器合作，可扩展到100GHz以上，频谱剖析仪是频率掩盖最宽的丈量仪器之一。不管丈量接连信号或调制信号，频谱剖析器都是很抱负的丈量东西。
　　可是，传统的频谱剖析仪也有显着的缺陷。首要，它只适于丈量稳态信号，不适宜丈量瞬态事情；第二，它只能丈量频率的起伏，短少相位信息，因此归于标量仪器而不是矢量仪器；第三，它需求多种低频带通滤波器，取得的丈量成果要花费较长的时刻，因此被视为非实时仪器。
　　已然经过傅里叶运算可以将被测信号分解成分立的频率重量，到达与传统频谱剖析仪相同的成果，呈现根据快速傅里叶改换（FFT）的频谱剖析仪。这种新式的频谱剖析仪选用数字方法直接由模仿/数字转换器（ADC）对输入信号取样，再经FFT处理后取得频谱散布图。据此可知，这种频谱剖析仪亦称为实时频谱剖析仪，它的频率规模遭到ADC收集速率和FFT运算速度的约束。
　　为取得杰出的仪器线性度和高分辨率，对信号进行数据收集的ADC需求12位-16位的分辨率，按取样原理可知，ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍，亦即频率上限是100MHz的实时频谱剖析仪需求ADC有200MS/S的取样率。现在半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或许分辨率12位和取样率800MS/S的ADC，亦即，原理上仪器可到达2GHz的带宽，此刻笔直分辨率只要8位（256级），显着8位分辨率过低，因此，实时频谱剖析仪适用于400MHz带宽以下的频段，此刻具有12位（4096级）以上的分辨率。为了扩展频率上限，可在ADC前端添加下变频器，本振选用直接数字事成的振动器，这种混合式的频谱剖析仪适合在几GHz以下的频段运用。
　　FFT的功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，则最高输入频率是50KHz和分辨率是50Hz。假如取样点数为2048点，则分辨率进步到25Hz。由此可知，最高输入频率取决全取样率，分辨率取决于取样点数。FFT运算时刻与取样点数成对数联系，频谱剖析仪需求高频率、高分辨率和高速运算时，要选用高速的FFT硬件，或许相应的数字信号处理器（DSP）芯片。例如，10MHz输入频率的1024点的运算时刻80μs，而10KHz的1024点的运算时刻变为64ms，1KHz的1024点的运算时刻添加至640ms。当运算时刻超越200ms时，屏幕的反响变慢，不适于眼睛的调查，弥补方法是削减取样点数，使运算时刻下降至200ms以下。
　　矢量网络剖析仪
　　关于频谱剖析和电磁搅扰丈量来说，频谱剖析仪是通讯丈量仪器中常用的设备，因为具有大于100dB的动态规模、低于-110dBc/Hz的噪声、1Hz-100Hz的带宽、50GHz以上的频率规模，可以接收到极弱小的信号和分辨出两个起伏相差很大的信号。频谱剖析仪的缺陷是只能显现频率重量的幅值，而不能取得信号的相位。关于某些通讯元器件和通讯链路，幅值和相位有必要可以一起丈量出来，前者如放大器和振动器，后者是榜首代至第三代的移动通讯。
　　前面曾提及，为了扩展根据FFT的频谱剖析仪的频率规模，可在前端添加下变频器。相同原理可用于矢量信号剖析仪，它是传统频谱剖析仪与FFT剖析仪的结合，然后取得在高频和射频频率下的FFT剖析才能，一起显现起伏和相位信息。关于现代通讯的数字调制剖析，以及调幅/调频/调相的解调都是十分有用的手法。
　　频谱剖析仪的变频前端扩展仪器到GHz的频段，经变频后的输入信号频率变成适于FFT处理的频段，电路中的滤波器与频谱剖析仪的滤波器不同，这儿的滤波器不是选择性的，而避免ADC改换进程发生的信号混叠，即改换进程中呈现的虚伪信号。ADC的输出分红两路，取得同相和正交信号，经DSP作时刻一频率的FFT运算后由显现屏取得频谱的起伏和相位。
　　现在仪器公司供给的矢量信号剖析器的频率规模可达3GHz，丈量对象是杂乱的移动通讯常用频段的调制信号，如GSM、CDMA的基带特性和载波特性。矢量信号剖析仪的丈量形式有：标量、矢量、数字解谐和门控丈量。触发可由基带输入信号或由中频信号调理，包含触发电平缓相位。扫频方法有单次和接连，对丈量数据可屡次均匀，并用有用值（RMS）、峰值坚持和指数坐标指示。
　　一种新式的矢量信号剖析器的重要特性是：频率规模-DC–2.7GHz;基带带宽–40MHz;中频带宽36MHz;率分辨率–0.001HZ;时基准确度–0.2ppm/年；相位噪声–97dBc/Hz（载波偏移100Hz）,-122dBc/Hz（载波偏移1khz）起伏规模-45-+20dBm；起伏准确度–正负2dB；三阶互调失真—70dB。使用领域是卫星通讯、扩频跳频通讯、点到点通讯、以及频率监控和查找。以移动通讯的码分多址（CDMA）来说，使用配套的剖析软件，可以取得：
　　发射机的均匀载波功率
　　功率随时刻的改变
　　相位和频率差错
　　邻近信道功率比
　　伪随机噪声序列的调制精度
　　近距离寄发生发射频率
　　频谱丈量和波形丈量
　　在无线基站或移动电话的产品开发和产品检验中，矢量信号剖析仪可按多种工业规范，对GSM、CDMA等的发射机和手机进行严厉的精度和动态规模丈量。在CDMA等通讯产品生产中，只使用接连丈量是不行的，使用数字调制信号可方便地测出输出功率和失真等重要参数。
　　矢量信号剖析仪选用Windows渠道，简单经过外接微机进行数据处理和交流，Windows渠道便于功能晋级和使用其他工程规划东西，熟识的图形界面可缩短学习时刻，留出更多的时刻进行丈量和使用各种规划及测验东西。
　　数字存储示波器的频谱丈量
　　数字存储示波器（DSO）的前端便是ADC改换，因此相同具有频谱剖析才能，经过规范或选购的FFT模块取得频谱剖析特性。应该指出，DSO首要特色是时域丈量，带宽100MHz的产品具有10位以上的笔直分辨率，带宽500MHz的产品只要8位的分辨率，亦即在分辨率上低于频谱剖析仪的12位-16位。DSO的前置放大器和衰减器引进瞬态失真，简单在频谱图上表现为低电平的谱波噪声。
　　特别是高频数字在存储示波器，它选用交叠的ADC来进步取样率，例如每块ADC的取样率是1Gs/s，两块叠加起来取得2Gs/s的取样率。这是简洁的进步有用带宽的方法，但用于频谱显现时，各ADC的线性度、增益、频率响应和取样守时稍有不同，都会在取样时钟脉冲交叠取样进程中引进频谱失真，适当多了一组Fs/N的取样脉冲，这儿Fs是根本取样频率，N是交叠的ADC数。这种电路本身发生的混叠信号不简单用滤波器消除，用DSO丈量高频信号时要十分当心在频谱图上呈现的混叠信息。例如，使用上述两块取样率1Gs/s ADC构成的DSO来调查100MHz正弦波时，会在900、1100MHz邻近呈现虚伪信号。由此可见，DSO调查时域信号是最好的仪器，因为频域改换后往往呈现虚伪信号，丈量频谱特性时必定要注意“去伪存真”。
　　小结
　　频谱剖析仪的频率规模最宽，灵敏度高，十分适于通讯设备和链路的频率散布丈量，缺陷是只能取得输入信号的幅值。矢量信号剖析仪频率规模较低，使用FFT的特色可以一起取得起伏和相位，特别地榜首、二、三代移动通讯，包含蜂窝、GSM和CDMA设备的丈量。