雷达天线系统中的测量仪器（三）

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本文摘要：（由ai生成）

本文介绍了不同频谱分析仪类型、原理及应用，包括扫描式、数字FFT、实时和USB频谱分析仪。讨论了脉冲信号测量方法及带宽设置的重要性。手持式频谱分析仪适合现场测试。强调了理解基本概念的重要性，并推荐Keysight应用指南作为参考。频谱分析仪是分析和测量信号的关键工具，选择适当类型和正确操作对解决通信问题至关重要。

上篇雷达天线系统中的测量仪器（二）简要介绍频谱仪的原理，频谱仪的目的就是分析频谱，确定信号类型和质量。本篇介绍频谱仪的分类及其内部构造。主流类型包含扫描或超外差频谱分析仪、数字FFT频谱分析仪、实时频谱分析仪、USB频谱分析仪以及手持式频谱分析仪等。

1.扫描或超外差频谱分析仪

从本质上讲，超外差频谱分析仪或扫描/扫描频谱分析仪是一种无线电接收器，在输出端显示器。接收机在所需范围内进行调谐或扫描，并选择滤波器以接受所需的信号带宽。频谱分析仪使用许多无线电接收机中使用的超外差原理作为其工作的基本原理：通过混频器以及本地振荡器来转换频率。扫描或超外差频谱分析仪是测试仪器的传统形式。多年来，这种类型的频谱分析仪一直是频谱分析测试的中流砥柱。较旧的扫描式频谱分析仪依赖于模拟技术。

由于超外差原理，这种类型的频谱分析仪能够具有非常宽的扫描范围。扫描的跨度可以扩展到几GHz。因此超外差频谱分析仪技术的优势在于宽带宽。但由于超外差或扫描频谱分析仪是一种标量仪器，只能测量给定频率上的信号幅度，而无法测量相位。同时FFT分析仪技术能够在短时间内进行采样，然后对其进行处理以提供所需的显示。通过这种方式能够捕获瞬态信号。由于超外差分析仪扫描所需的带宽，这需要更长的时间，因此无法有效地捕获瞬态信号。

尽管频谱分析仪的基本概念与超外差无线电完全相同，但特定的实现略有不同，以使其能够特定功能。本振的频率控制着将通过中频滤波器的信号的频率。随着频率线性增加而覆盖所需的频段。用于控制本地振荡器频率的扫描电压也一同显示。这样，扫描点在屏幕上的位置与本地振荡器的位置或频率有关，因此与输入信号的频率有关。此外，由于接收到的输入电平范围很大，任何通过滤波器的信号都会被进一步放大、检测并通常转换为对数刻度，然后将其传递到显示器 Y 轴。

超外差或扫描频谱分析仪框图

上图中的混频器用于将两个或多个输入信号的频率进行混合，产生新的信号，其频率等于或是两者频率之差、之和、或者它们的整数倍。混频器必须能够在非常宽的信号范围内工作，并提供非常低的杂散响应水平。产生的任何杂散信号都可能产生杂散响应，该响应将与真实信号一起显示在显示屏上。因此，混频器的动态范围性能对整个分析仪至关重要。

中频放大器：离开混频器的信号通常电平较低，需要放大。该级的增益是可调的，通常为10dB级。改变此处的增益会改变信号在分析仪垂直刻度上的位置。中频增益必须与射频增益控制结合使用——在现代分析仪中，两者通常相互联系和调整，以提供最佳的整体性能。过高的IF增益会增加前端噪声水平，从而导致低电平信号被屏蔽。因此，射频增益控制通常应保持在尽可能高的水平，而不会使混频器过载。通过这种方式，优化了整个测试仪器的噪声性能。

中频滤波器：IF滤波器限制了查看的带宽，有效地提高了频率分辨率。但是，这是以较慢的扫描速率为代价的。缩小IF带宽可降低底噪声，并能够查看较低电平的杂散信号

本地振荡器：本振通常由晶体振荡器或微波振荡器构成，其频率由振荡器的固有特性决定。在超外差接收机中，本振提供的稳定频率与输入信号进行混频，产生中频信号用于后续处理。在频率合成器中，本振的频率和一定的倍频、分频器件一起工作，产生所需的输出频率。频谱分析仪内的本振决定了整个分析仪的许多整体性能参数。必须能够在非常宽的频率范围内进行调谐，以使分析仪能够在所需的范围内进行扫描。还必须具有非常好的相位噪声性能。

2. 数字FFT频谱分析仪

快速傅里叶变换频谱分析仪是一种使用数字信号处理的射频测试设备，可提高射频设计、测试、服务和维修的性能。数字技术现在广泛应用于频谱分析仪中。比使用所有模拟技术的更具成本效益，并且可以提供更好的性能。在数字频谱分析仪中，信号被转换为数字格式，并使用快速傅里叶变换（FFT）分析信号。然后将信号转换为测试系统进一步显示或分析的格式。FFT分析仪测试设备的框图和拓扑结构与更常见的超外差或扫描频谱分析仪不同。特别是需要电路来实现数模转换，然后将信号处理为快速傅里叶变换。尽管如此，仍然需要进行模拟预处理，以确保到达模拟到数字转换的信号在正确的范围内，并且已经进行了可能需要的任何其他模拟处理。FFT频谱分析仪可以认为由许多电路不同的模块组成：

FFT频谱分析仪框图

可变增益放大器/衰减器（Variable Gain amplifier/Attenuator）：测试仪器需要在FFT分析仪的输入端设置分级，以确保信号处于模拟到数字转换所需的电平。这些级可以提供增益或衰减。如果信号电平过高，则会出现削波和失真，过低，ADC的分辨率和噪声就会成为问题。通常，增益的控制将由测试仪器控制处理器控制。

模拟低通抗混叠滤波器（Low Pass Filter）：FFT分析仪内采样系统获取点的速率尤为重要，必须以足够高的速率对波形进行采样。根据奈奎斯特定理，信号必须以等于最高频率两倍的速率进行采样，并且任何频率高于奈奎斯特速率的分量都将在测量中显示为较低频率分量 - 称为“混叠”的因素。这是由于取样时较高速率的实际值下降的位置。为了避免混叠，在采样器前面放置一个低通滤波器，以去除任何不需要的高频元件。该滤波器的截止频率必须小于采样率的一半，尽管通常为了提供一些余量，低通滤波器截止频率最高比分析仪的采样率低 2.5 倍。反过来，这决定了整个FFT频谱分析仪的最大工作频率。

采样和模拟到数字转换（Sample &ADC）：为了执行模拟到数字的转换，需要两个元件。第一个是采样器。这以离散的时间间隔进行采样，采样后的数据传递到模数转换器ADC，该转换器为FFT分析所需的样品生成数字格式。

FFT分析仪（FFT Analyser）：来自采样器的数据在时域中，但由FFT分析仪转换为频域。然后，它能够使用数字信号处理技术进一步处理数据，以分析和处理数据，以便将其传递到显示器以提供所需的显示器。

基本FFT频谱分析仪的采样和显示

鉴于实现所需信号处理所需的处理量，大多数FFT频谱分析仪将使用FPGA（现场可编程门阵列），加速信号处理。由于波形是以数字方式分析的，因此可以在相对较短的时间内捕获波形，然后进行后续分析。同时能够捕获非重复波形。另外对信号的相位分析也是一项比较关键的优势。FFT频谱分析仪技术的频率和带宽的主要限制是模数转换器速度和采样率。

在许多情况下，超外差和FFT技术用于单光谱分析仪。这使得采用这两种技术的优点来提供真正多功能和高性能的测试仪器。从本质上讲，超外差技术可用于将频率转换为可以进行模拟到数字转换的中频。然后，射频测试仪器以正常方式使用 FFT 信号处理技术。然而，随着模数转换技术在速度上的显着提高，信号转换的需求被限制在非常高的频率上。

由于处理电路的成本低廉，如今大多数新型射频频谱分析仪都采用FFT方法以及大量的控制处理，使测试仪器具有高度的射频性能以及许多功能。这些频谱分析仪用于许多领域，包括通用电子电路设计、射频设计、电子制造、服务和维修等。与旧的扫描式或超外差频谱分析仪相比，这些测试仪器的性能水平要高得多，因此FFT频谱分析仪现在被用于大多数应用。

3. 实时频谱分析仪

实时频谱分析仪是一种对FFT进行操作非常快速实时的分析仪，因此检测信号类型和速度都比较快，减小信号漏检概率。

实时频谱分析仪

实时频谱分析仪所需的关键因素是能够连续监测频谱的能力。非实时频谱分析仪采集一系列样本，然后进行处理和显示，或传递到内存中进行进一步分析。实时频谱分析仪的关键在于它需要连续重叠的FFT样本。通过这种方式，它为瞬态信号提供了 100% 的截获概率。

实时FFT频谱分析仪RTSA的采样和显示

通过以这种方式分析波形，可以捕获并突出显示其他形式的频谱分析仪上可能不可见的瞬态效应。时频谱分析仪具有许多特点，这些测试仪器基于FFT-快速傅里叶变换频谱分析仪。这将有一个实时非常快速的数字信号处理器，能够处理整个带宽而没有间隙。实时分析仪将使用ADC-模数转换器，能够对通带的整个带宽进行数字化处理。分析仪需要足够的存储器，以便在所需的测量周期内实现连续采集。鉴于系统需要额外的负载来捕获整个带宽而没有任何间隙，因此需要快速存储器，模拟到数字捕获和处理。高速捕获和处理的使用自然反映在价格上，这些测试仪器往往比低端非实时频谱分析仪更贵。

4.USB频谱仪

USB频谱分析仪的组成差异很大，但有些分析仪的功能比其他分析仪强得多。最基本的模块将在分析仪模块中具有最少的硬件，并将在相关计算机中执行所有处理，而高端模块将具有射频电路以及用于进行信号处理的FPGA。

USB频谱分析仪方法具有许多优点。首先体现在尺寸上：另一方面是成本。USB频谱分析仪大部分成本都与电源、用户界面和显示器有关。从测试仪器中去除这些意味着可以大大降低成本。许多USB频谱分析仪都针对低端市场，因此分析仪的RF部分的成本远低于全规格高端频谱分析仪的成本。同时USB频谱分析仪的性能不太可能达到高集成度仪器的性能。带宽、动态范围、幅度精度、相位噪声和许多其他参数等参数可能较差。这只是考虑到成本和规模。但是，对于许多应用来说，性能可能完全足够。

5.手持式频谱仪

手持式频谱仪通常配有电源按钮，其屏幕可以显示信号的频谱图、频谱波形等信息，用户可以根据需要调整设置。此外，它还具有多种接口，如天线接口、USB接口等，方便用户连接不同设备。

使用手持式频谱仪时，需要设置中心频率、带宽、参考电平等。然后，用户可以根据频谱图来分析信号的特性，如频率分布、信号强度等。此外，现代的手持式频谱仪还具备高性能的DSP（数字信号处理器），可以实时显示所有测试和分析计算的结果。通常可以实现对矢量数字信号的全面分析，包括2G、3G、WiMAX、Bluetooth、AM/FM等测试。同时，这些仪器还能检测周围的辐射源、频率和信号强度，并直接显示安全限值。

附录：使用频谱分析仪测量脉冲信号

射频脉冲信号或任何形式的脉冲信号有多种形式，但尽管种类繁多，但它们具有许多共同特征。这意味着可以应用常见的脉冲频谱分析技术。要了解用于脉冲信号频谱分析的技术，首先需要了解脉冲波形的基本性质。它的重复时间为 T，脉冲持续时间为 t。

脉冲波形由基波及其谐波组成

使用傅里叶分析可以看出，该波形由基波和谐波组成。方波的基本波形可以由与方波重复频率相同的基正弦波组成，然后是谐波幅度与其数成反比的奇次谐波。矩形脉冲只是这一基本原理的延伸。通过改变谐波的相对幅度和相位（奇数和偶数）来获得不同的波形形状。然后可以绘制这些基带信号，并绘制无限个谐波的幅度和相位，无论是奇数还是偶数，都会产生如下所示的平滑包络。