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频谱分析仪的功能、技术特点与发展趋势

点击:2853 日期:2014-11-08 选择字号:
       现代频谱分析仪的功能、技术特点与发展趋势,频谱仪被誉为射频领域的示波器,现代频谱仪不仅具有传统的频谱分析功能,而且通过扩展选件,可以集成功率计、频率计、标量/矢量网络分析仪、信号分析、通信测试仪等众多仪器的主要功能,堪称射频测试的集大成者,拥有一台高性能频谱仪,即可完成大部分射频测试、信号分析功能。现代实时频谱仪的出现,进一步将频谱仪的应用领域扩展到快速变化的瞬态信号测试、宽实时带宽信号分析中。

      频谱仪的基本功能是测量信号的幅度/频率响应,可以完成诸如频谱成分分析、失真测量、调制信号谱分析、信号衰减测量、电子组件增益测量等。基本工作原理是,扫频本振的频率随锯齿波发生器的输出在一定范围内扫描,使不同频率的输入信号与本振混频后,依次落入分辩率带宽滤波器通带内,进一步放大、检波后加到Y放大器,亮点在屏幕上的垂直偏移正比于该频率分量的幅值。由于扫描电压在调制振荡器的同时,又驱动X放大器,从而可以在屏幕上显示出被子测信号的频谱。

      这是最古老的频谱仪工作原理,随着现代科学技术的发展,特别是数字信号处理技术和AD采样技术的不断提高,现代频谱仪多采用软件无线电思想设计:搭建通用性强的硬件平台,将功能实现软件化,使得现代频谱仪具有了“软件定义仪器”的特征,在维持硬件平台基本不变的情况下,通过更新软件,就可以使频谱仪集成众多仪器,如接收机、功率计、频率计、网络分析仪的大部分功能,极大扩展了频谱仪的测量能力和应用领域。现代频谱仪发展迅速,针对不同应用需求,出现了各种各样的频谱仪,不同类型的频谱仪,其性能指标和功能配置也有很大差别。但从工作机理和主要应用领域的不同出发,现代频谱仪可以分为扫频式频谱仪和实时频谱仪两种。

      现代扫频式频谱仪基本工作原理与古老的频谱仪工作原理相比,最显著的变化是:中频滤波器后进行了AD采样,分辩率带宽滤波、检波、视频滤波均采用数字信号处理的方式实现。由于AD采样之前的硬件结构是通用的超外差接收机结构,而AD采样后仪器具体实现的功能,完全取决于软件程序,因此现代频谱仪具有“软件定义仪器”的特征,只要购买相应选件,频谱仪就可以具有矢量信号分析,各种调制制式的信号解调、调制度分析、通信测量等功能。同时,只要付出很小的代价,购买部分辅助测量硬件,如驻波桥、跟踪源、接收天线等,频谱仪即可完成驻波比测试、组件传输特性测试、场强测试、传输线测试、天线测试等功能。

        扫频式频谱仪仍是目前频谱仪的主流,根据其应用领域的不同,可进一步分为台式频谱仪、手持式频谱仪、VXI总线频谱仪、PXI总线频谱仪、LXI总线频谱仪等。

      台式频谱仪具有性能指标高,功能强大等特点,应用领域十分广泛,如计量检验试验室、EMC/EMI试验室、卫星接收系统测试、雷达系统测试、无线电通信系统测试、基站维护都可以见到它们的身影。

      便携式频谱仪、手持式频谱仪典型特点是价格低、体积小、重量轻,携带方便。其性能指标已经接近中等台式频谱仪水平,功能配置也十分丰富,以RS公司的 FSH3为例,-120dBm的测量灵敏度和-90dBc/Hz的相位噪声与台式仪器相比差了两个量级,但在功能配置上,除基本的频谱分析功能外,FSH3提供了功率计选件,驻波比桥、高增益定向天线、矢量传输与反射测量选件、接收机模式选件等,在这些选件的支持下,FSH3可以用于功率测试、驻波比测试、场强测试与电磁干扰定位、传输线测试与故障定位、电磁兼容诊断等。

       便携式频谱仪、手持式频谱仪特别适合于野外使用。在功能、性能指标满足要求的情况下,由于具有价格、体积方面的优势,完全可以替代台式频谱仪使用,因此近年来发展十迅速,成为扫频式频谱仪发展的一个重要方向。

      VXI总线频谱仪、PXI总线频谱仪、LXI总线频谱仪等属于虚拟仪器类频谱仪产品,在各种综合测试平台的搭建中具有重要地位。VXI/PXI总线频谱仪属于机箱插卡式仪器,由于宽带频谱仪一般体积较大,3GHz以上的宽带频谱仪目前尚不多见。相对而言,LXI协议未对仪器体积、外型做出严格控制,很容易在台式频谱仪和手持式频谱仪的基础上扩展,同时LXI基于网络的分布式测试结构,更适合于现代测试系统的发展方向。

      实时频谱仪是近年发展起来的新型频谱仪,与扫频式频谱相比,实时频谱仪的显著优势在于:具有更高的数据处理速度和信号分析带宽,触发方式多样,适合频率快速变化的瞬态系统测试,实时频谱仪与现代扫频式频谱仪的硬件结构几乎完全相同,其区别主要体现在以下两方面:

     1、实时频谱仪的中频处理具有“实时处理”的特征。扫频式频谱仪采用“频谱扫描”方式获得信号频谱,一次频谱扫描只能获取整个扫频宽度中的一部分频谱数据,两次扫描之间允许存在一定的时间间隔,对于两次扫描之间,信号的变化,扫频式频谱仪是检测不到的。实时频谱仪采用“实时信号处理”的方式获得信号频谱,一次频谱扫描即可获得整个扫频宽度中频谱数据,其优秀的数据处理能力与灵活的触发方式相结合,可以连续捕获输入信号的瞬变信息。

     2、实时频谱仪的“实时处理带宽”更宽。为适应宽带快速变化信号的捕捉与分析,实时频谱仪的“实时处理带宽”,达到80MHz~110HMz,并可以对整个带宽内的信号进行实时分析。扫频式频谱仪的处理带宽(中频带宽)一般在40MHz以下,而且允许两次频谱扫描之间存在一定的时间间隔,因此,实频谱仪对硬件性能的要求比扫频式频谱仪高的多。

      实时频谱仪的典型应用是迅速突发性干扰信号测试、跳频系统测试、捷变频雷达系统测试、电子对抗系统测试等。

      北京航天测控技术开发公司位于北京石景山产业园区,是中国航天科工测控中心、武器装备测试与综合保障技术中心,国防科技工业自动化测试技术研究应用中心,主要业务为军工领域测控装备和维修保障信息化装备研发生产、导弹通用测试平台、系统集成、工业控制、基础测试测量仪器产品和软件与信息化产品。公司在以武器装备测试与综合保障技术为代表的测控领域,取得了突出成绩,产品及服务覆盖部队、航天、航空、兵器、核工业、船舶、电子等军用领域和民航飞机、石油、汽车、化工、电力、铁路等民用领域。

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