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一文详解实时频谱分析仪

前言

 

实时频谱分析仪是随着现代FPGA技术发展起来的一种新式频谱分析仪,与传统频谱仪相比,它的特点在于在信号处理过程中能够完全利用所采集的时域采样点,从而实现无缝的频谱测量及触发。由于实时频谱仪具备无缝处理能力,使得它在频谱监测,研发诊断以及雷达系统设计中有着较广的应用。

 

在实时频谱仪中具体又分为并联滤波器型和FFT(快速傅里叶变换)型两种。

 

1、并联滤波器型实时频谱仪(实时频谱分析仪)

 

并联滤波器频谱分析仪是一种真正的实时频谱分析仪,其工作原理如下图:

并联滤波器型实时频谱仪 

 

被测信号经过带宽放大后,由多路分配器分送至多个带通滤波器,每个滤波器从被测信号选出需要的频谱分量,经检波器检波后,送到各显示器并保持显示。在设计和制作这种实时频谱分析仪时,每个滤波器的中心频率调谐在频谱内的不同频率上,这就要求滤波器的带通很窄,滤波器的特性曲线接近矩形,且各滤波器的带通频率范围要适当重叠。使频谱分析仪能够覆盖整个频率范围,被测信号中任何一个频谱成分不被遗漏,又能使被测信号中的不同频率成分在不同显示器上显示。这样各显示器上所指示的是被测信号在该时刻所具有的频谱分布情况。这种分析仪的优点是全部的滤波器在全部的时间内都和输入的被测信号连接,可以瞬时检测和显示瞬变的不确定信号,且测量速度快,动态范围宽和幅度测量准确度高等,其缺点是工作频率范围低,大约在100KHz,这是由于该分析仪能显示的离散频谱的数目取决于滤波器的数目,而实时频谱分析仪的分辨率带宽取决于滤波器的带宽,可以设想频率范围覆盖至100KHz,分辨率为1KHz的实时频谱分析仪就需要100个滤波器和显示器,这说明该类实时频谱分析仪的价格是非常昂贵的,典型的并联滤波器实时频谱分析仪采样32个滤波器来折中成本和分辨率。

 

2、快速傅里叶变换(FFT)实时频谱分析仪

 

快速傅里叶变换算法可以把某一个时刻的时间函数f(t)转换成频率函数s(w),FFT实时频谱分析仪的方框图如下图:

FFT型实时频谱仪 

FFT实时频谱分析仪中,首先是时域对被测信号进行采样,经过高速A/D转换和快速傅里叶分析计算后,不仅可以确定幅度-频率函数,还可以确定确定相位-频率函数,从而获得被测信号的频率、幅度和相位信息,故可对非周期信号和瞬态信号进行频域分析。

 

FFT实时频谱分析仪的一个优点就是能够快速地捕获和分析扫频式频谱仪不能捕获的瞬变的单次出现的信号,另一个优点是能测量幅度和相位。缺点是FFT实时频谱分析仪受A/D转换采样速率的限制,由于技术的快速发展,其A/D和采样速率都有很大提升,众多厂商也纷纷不断推出自己的实时频谱分析仪;如:是德科技的RTSA系列实时频谱分析仪、R&S的FSVR系列实时频谱分析仪、TEK的RS系列实时频谱分析仪、Signal?Hound便携式实时频谱分析仪、安诺尼的手持式实时频谱分析仪、迈克尼斯的手持式实时频谱分析仪等等;实时带宽更是达到了200MHz。

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