頻譜分析議和FFT頒譜分析議

 頻譜分析議和FFT頒譜分析議
    傳統(tǒng)的頻譜分析儀的電路是在一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機(jī),輸入信號(hào)經(jīng)下變頻后由低通濾器輸出,濾波輸出作為垂直分量,頻率作為水平分量,在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖,就是輸入信號(hào)的頻譜圖。由于變頻器可以達(dá)到很寬的頻率,例如30Hz-30GHz,與外部混頻器配合,可擴(kuò)展到100GHz以上,頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測(cè)量?jī)x器之一。無論測(cè)量連續(xù)信號(hào)或調(diào)制信號(hào),頻譜分析儀都是很理想的測(cè)量工具。
    但是,傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn),首先,它只適于測(cè)量穩(wěn)態(tài)信號(hào),不適宜測(cè)量瞬態(tài)事件;第二,它只能測(cè)量頻率的幅度,缺少相位信息,因此屬于標(biāo)量?jī)x器而不是矢量?jī)x器;第三,它需要多種低頻帶通濾波器,獲得的測(cè)量結(jié)果要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間,因此被視為非實(shí)時(shí)儀器。
    既然通過傅里葉運(yùn)算可以將被測(cè)信號(hào)分解成分立的頻率分量,達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果,出現(xiàn)基于快速傅里葉變換(F盯)的頻譜分析儀。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)輸入信號(hào)取樣,再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。據(jù)此可知,這種頻譜分析儀亦稱為實(shí)時(shí)頻譜分析儀,它的頻率范圍受到ADC采集速率和FFT運(yùn)算速度的限制。
    為獲得良好的儀器線,性度和高分辨率,對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的ADC需要12位-16位的分辨率,按取樣原理可知,ADC的取樣率最少等于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍,亦即頻率上限是100MHz的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。
    目前半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC,亦即,原理上儀器可達(dá)到2GHz的帶寬,此時(shí)垂直分辨率只有8位(256級(jí)),顯然8位分辨率過低,因此,實(shí)時(shí)頻譜分析儀適用于制MHz帶寬以下的頻段,此時(shí)具有12位(物96級(jí))以上的分辨率。為了擴(kuò)展頻率上限,可在ADC前端增加下變頻器,本振采用直接數(shù)字事成的振蕩器,這種混合式的頻譜分析儀適合在幾GHz以下的頻段使用。
    FFT的性能用取樣點(diǎn)數(shù)和取樣率來表征,例如用100KS/S的取樣率對(duì)輸入信號(hào)取樣1024點(diǎn),則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn),則分辨率提高到25Hz。由此可知,最高輸人頻率取決于取樣率,分辨率取決于取樣點(diǎn)數(shù)。FFT運(yùn)算時(shí)間與取樣,點(diǎn)數(shù)成對(duì)數(shù)關(guān)系,頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí),要選用高速的FFT硬件,或者相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片。例如,10MHz輸入頻率的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間80μs,而10KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間變?yōu)?4ms,1KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間增加至640ms。當(dāng)運(yùn)算時(shí)間超過200ms時(shí),屏幕的反應(yīng)變慢,不適于眼睛的觀察,補(bǔ)救辦法是減少取樣點(diǎn)數(shù),使運(yùn)算時(shí)間降低至200ms以下。 ,