頻譜分析議和FFT頒譜分析議
    傳統的頻譜分析儀的電路是在一定帶寬內可調諧的接收機,輸入信號經(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圖,就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可以達到很寬的頻率,例如30Hz-30GHz,與外部混頻器配合,可擴展到100GHz以上,頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量?jì)x器之一。無(wú)論測量連續信號或調制信號,頻譜分析儀都是很理想的測量工具。
    但是,傳統的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn),首先,它只適于測量穩態(tài)信號,不適宜測量瞬態(tài)事件;第二,它只能測量頻率的幅度,缺少相位信息,因此屬于標量?jì)x器而不是矢量?jì)x器;第三,它需要多種低頻帶通濾波器,獲得的測量結果要花費較長(cháng)的時(shí)間,因此被視為非實(shí)時(shí)儀器。
    既然通過(guò)傅里葉運算可以將被測信號分解成分立的頻率分量,達到與傳統頻譜分析儀同樣的結果,出現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字方法直接由模擬/數字轉換器(ADC)對輸入信號取樣,再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。據此可知,這種頻譜分析儀亦稱(chēng)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運算速度的限制。
    為獲得良好的儀器線(xiàn),性度和高分辨率,對信號進(jìn)行數據采集的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,原理上儀器可達到2GHz的帶寬,此時(shí)垂直分辨率只有8位(256級),顯然8位分辨率過(guò)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)以上的分辨率。為了擴展頻率上限,可在A(yíng)DC前端增加下變頻器,本振采用直接數字事成的振蕩器,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)數和取樣率來(lái)表征,例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣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。FFT運算時(shí)間與取樣,點(diǎn)數成對數關(guān)系,頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運算時(shí),要選用高速的FFT硬件,或者相應的數字信號處理器(DSP)芯片。例如,10MHz輸入頻率的1024點(diǎn)的運算時(shí)間80μs,而10KHz的1024點(diǎn)的運算時(shí)間變?yōu)?4ms,1KHz的1024點(diǎn)的運算時(shí)間增加至640ms。當運算時(shí)間超過(guò)200ms時(shí),屏幕的反應變慢,不適于眼睛的觀(guān)察,補救辦法是減少取樣點(diǎn)數,使運算時(shí)間降低至200ms以下。 ,