现代频谱分析仪的功能、技术特点与发展趋势 - 航天测控中心工控博客工控论坛

韩先生

学历：大学本科

职称：工程师

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发表人：chnzui

发表时间：2009/9/22 20:59:00

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本栏论题：

现代频谱分析仪的功能、技术特点与发展趋势 [4833]

    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。