频谱及信号分析技术【摘要】随着电子技术的发展，世界各国加速了对电子领域的研究，具体体现在竞相提高通信、雷达、遥控、导航等无线电电子设备的威力和效能等方面。

在这些方面，频谱分析成为必不可少的信号分析手段。

频谱分析可以对信号的频率、电平、频谱纯度及抗干扰特性进行分析，使其成为电子领域必不可少的测量手段。

对于信号分析，使用的仪器也是重中之重。

其中使用最广泛的事频谱分析仪和矢量信号分析仪等。

【关键词】频谱、信号分析、应用、频谱分析仪、矢量信号分析仪首先介绍一下信号频谱分析的方法，信号又分为周期和非周期两种。

下面就连续周期和非周期信号频谱分析的方法做一个介绍和研究。

在信号处理过程中，频域分析方法往往比时域分析方法更方便和有效。

对于确知连续时间信号，其频域分析可以通过连续时间傅里叶变换来进行，但是，这样计算出来的结果仍然是连续函数，计算机不能直接加以处理。

为了实现数值计算，还需要对其进行离散化处理，即采用离散傅里叶变换（DFT）进行分析。

DFT 的快速算法的出现，使 DFT 在数字通信、图像处理、功率谱估计、系统分析与仿真、雷达信号处理、光学、医学等各个领域都得到广泛应用。

对于时间连续信号f(t)，其频谱分析可以通过连续时间傅里叶变换（CTFT）来进行。

连续时间傅里叶变化特别适合于对时间连续信号的理论分析，但是，由于函数 f(t)和其频谱函数都是连续函数，不能够直接用计算机来处理，因此在进行数值计算时必须将其离散化，然后利用离散傅里叶变换（DFT）实现近似计算。

在已知连续信号数学解析式的情况下，非周期信号的频谱可以根据傅里叶变换的定义进行解析计算。

实际应用中的多数信号不存在数学解析式，信号的频谱无法利用傅里叶分析公式方法直接计算，一般需采用数值方法进行近似计算分析频谱，在进行数字计算时，需对计算的连续变量进行离散化。

由于连续非周期信号 x(t) 的频谱函数 X(jω)是连续函数，因此，需要对其进行离散化处理得到 x[n]以近似分析相应的频谱。

通过建立序列 x[n]的离散傅里叶变换 X[m]与连续非周期信号 x(t)的傅里叶变换 X(jω)之间的关系，可以利用DFT对连续非周期信号频谱进行近似分析。

在利用DFT分析连续时间信号的频谱时，涉及频谱混叠、频率泄漏及栅栏现象。

频率混叠与连续信号的时域抽样间隔有关，频率泄漏与信号的时域加窗截短的长度及窗型有关，栅栏现象与DFT的点数有关。

在大多数情况下，一般已知待分析连续信号的最高频率，以及希望的DFT的频率分辨率。

频谱分析仪是功能强大并广泛应用于射频信号检测的一种仪器。

现代外差式频谱分析仪由射频前端、第１级混频、多级中频处理、视频处理、检波和踪迹输出5部分组成，如图1所示。

射频前端的衰减器、输入滤波器和第１级混频是影响输入驻波比的重要因素，外差接收机通过混频器和参考本振将输入信号变换到中频，对于固定的中频和本振频率，总会有2个频率与之对应：一个是输入信号的频率：另一个是输入信号的镜像频率。

为保证接收信号的质量，需在射频混频器前设计滤波器来抑制镜像频率。

抑制镜像频率的滤波器需要有几个倍频程的调谐范围，这样的可调谐带通滤波器结构及其复杂，现代频谱分析仪为了覆盖较宽的频率范围，通常采用高的第1中频简化输入和镜像频率范围交叠的问题。

高中频设计可使镜像频率位于输入频率之上，由于2个频率范围没有混叠，镜像频率可以通过简单地低通滤波器滤除。

为了提高频谱分析仪的频率精度，本振信号通常采用恒温控制晶振（TCXO），经锁相环锁定在参考信号上的合成信号可分为多个步长可调。

高中频时直接进行窄带滤波在技术上很难实现，因此在中频处理前需进一步变频至较低频率。

为减小由射频和中频输入端有限隔离度导致的中频馈通影响，尤其要注意变频后对其镜像频率响应的抑制。

为减小频谱仪的噪声系数，输入信号在第2次变频前后均进行放大，经过镜像频率抑制带通滤波器，将信号送至中频处理电路。

中频信号处理在变频后的最后一级中频进行，由于中频增益可以以确定的步进调整，因此后续信号处理部分可将最大信号电平保持恒定。

输入信号的频谱应通过相对缓慢的本振调谐变换到中频来避免幅度误差，因此现代频谱分析仪多选用优化瞬态响应的高斯滤波器，在确保不失真进行频谱分析的同时尽可能实现相对短的测试时间。

如果用外差式频谱仪测量正弦信号，当频率跨度设置较小时，根据傅氏变换，结果应为1根单独的谱线，而实际测试结果显示的则是中频滤波器的形状。

扫描时，输入信号扫过中频滤波器并乘以滤波器的传递函数后变换到中频。

当今的频谱仪具备多种分辨率带宽，滤波器允许选择多种分辨率与速度以适应不同测试的需要。

依据实现方式的不同，分为模拟滤波器、数字滤波器和FFT滤波器。

模拟滤波器用来实现大的分辨率带宽，图1组成框图所示的中频放大器前的滤波电路可以抑制中频滤波器带外的混频产物，中频放大器后的滤波电路可以减小噪声带宽。

数字中频滤波器温度稳定性好，能够获得很窄的带宽，而且带宽精确度高。

但分辨带宽很窄时会导致扫描时间的大幅增加，因此在分辨率要求非常高的情况下应考虑从时域特性进行取样，为保证不出现混叠，对信号采样应满足香农采样定理。

中频信号包络中包含着输入信号的幅度信息，通过使用模拟或数字检波器，在滤除最高中频后，可检出中频包络。

对于模拟滤波器，中频信号检波后，高频成分被低通滤波器滤除，在电路输出端得到视频电压；对于数字滤波器，通过取样中频信号，得到输入信号的包络，因此，输入信号包络由取样值决定。

包络检波过程丢失了信号的相位信息，所以只能显示输入信号的幅度。

包络检波器的动态范围决定频谱分析仪的动态范围，为提高频谱分析仪的动态范围，采用先将中频信号通过对数放大器，再进行包络检波。

包络检波后经A/D变换器取样、量化输入信号，再进入数字式视频滤波器，该视频滤波器决定频谱分析仪的视频带宽（VBW），与分辨率带宽类似，视频带宽也会限制最大允许扫描速度。

频谱分析仪的特性包括固有噪声与相位噪声、1dB压缩点和最大输入电平和抗扰度。

固有噪声可以理解为频谱分析仪的热噪声，它会导致输入信噪比的恶化，因此固有噪声是度量频谱分析仪灵敏度的重要指标，决定频谱仪的最小可检测电平。

相位噪声是振荡器短时间内输出信号相位、频率和幅度变化的度量参数，假设频谱仪的分辨率足够高，那么纯净的正弦信号频谱应为1根谱线，但实际振荡器产生的信号频谱却比单一谱线宽。

相位噪声主要由PLL锁相带宽决定，影响频谱分析仪的频谱纯度。

对频谱分析仪来说，1dB压缩点是对输入电平而言的，其特性主要由第1级混频器决定，标称的输入电平指混频器输入端口的电平。

改变衰减器设置时，1dB压缩点会随着衰减值的加大而以同样的量值增加。

为避免过载失真，显示的最大输入电平（即参考电平）值应在1dB压缩点以下。

最大输入电平是使用者安全操作频谱分析仪的重要因素，为避免损坏频谱仪，输入电平不可超过最大输入电平。

由于参考电平和内置衰减器的连动关系，在0衰减时，最大参考电平会受到限制，测试时应兼顾二者的设置。

在频谱分析仪的处理电路中，第１级器件通常决定最大输入电平，当衰减值为0时，衰减器未起作用，因此第1级混频器决定最大输入电平；大于0衰减时，由于输入信号经过的第1级器件是衰减器，因此输入电平反应衰减器的承载能力。

加到频谱仪输入端口的信号可能包含无用频谱分量，这些频谱分量可能由各种原因造成，与输入信号并没有实际联系。

抗扰度指频谱仪抵抗干扰的能力，由以下参数衡量。

一、镜像频率:对于给定的本振频率，在信号混频时，必然有镜像频率与有用的信号对应。

为抑制镜频干扰，应使用合适的滤波器尽可能抑制镜频处的输入信号，但受技术限制，通常抑制程度能够达到70dB，因此用频谱仪测试>70dB的指标时，应分析测试结果，避免将镜像频率误认为是测试的真实结果。

二、杂散响应：杂散响应包括固有杂散响应和杂散响应。

固有杂散响应是频谱仪自身产生的，使用时应分清固有杂散响应一直存在还是当某一个信号加到频谱仪时才产生，本振信号产生的杂散响应就属于后者。

输入信号产生的固有杂散响应与输入信号的载波电平有关，频谱仪固有杂散响应在有输入信号时指标可达到-70dB，没有输入信号时指标可达到-100dB或更好。

因此，实际应用中，应充分关注频谱分析仪第1本振的频率，当第1本振的频率恰好为输入信号频率的3倍时，频谱仪将产生固有杂散响应，若测试>75dB的指标时，应分析测试结果，避免将固有杂散响应作为真实测试结果。

杂散响应是指当输入信号电平足够高时，经频谱分析仪第1级混频器产生的谐波也会显示出来。

输入信号的谐波将由本振的基波和谐波转换到第1级中频。

杂散响应在概念上是客观存在的，使用时为避免频谱分析仪自身的干扰频谱，应清楚频谱分析仪的特性。

随着射频信号频率的不断提升，其信号特征正得到越来越多的关注。

测试工程师在应用频谱分析仪进行射频信号测试时，应充分了解频谱分析仪的性能，尽可能排除由仪器自身特性造成的对测试结果的影响，充分发挥频谱分析仪在射频测试领域的最大效能。

另外，还有一种分析信号的仪器是矢量信号分析仪。

矢量信号分析仪是一种比较新型的测量仪器。

仪器的综合性和智能性越来越高，具有时域、频域、调制域的综合测量功能。

它和传统仪器的最大区别在于，新型仪器的数字化使仪器获得被测信号更全面的信息，通过软件设计就可以添加新的测量功能，。

矢量信号分析仪对信号的测试主要是利用AD转换，将输人信号数字化后存储下来，这样就获得了有关信号的幅度及相位等更多的信息，然后通过不同类型的数据分析和处理DSP，得到信号的频谱、瞬时功率、幅度和相位等测量值。

由于矢量信号分析仪的测试方式，使它对于不稳定的信号(如碎发信号、瞬变信号、时变信号)的测量比较有效和快捷。

测量时设置合适的触发方式，以捕捉到需要的信号变化，将信号波形数据存储在时间捕获缓冲区内，通过时间选通对选择的时间一记录段数据进行分析和计算。

如果测量功率瞬变信号，选择矢量和时域工作方式，就会显示出时间一记录段数据的图形，该图的横坐标为时间，纵坐标为对数幅度。

然后通过移动图标和设置带内功率图标就可以测量被测信号功率随时间的变化，即峰值瞬时功率和指定时间内的RMS功率，同时还可以确定上升时间、过冲、建立时间。

矢量信号分析仪可以同时打开四个显示窗口，通过鼠标点击就可以改变显示的横轴和纵轴的设置，从而比较方便地在时域和频域之间转换。

比如在时域的显示中利用选通图标标示出需要做频率分析的时间段，选择两个窗口的显示，将另一个窗口设置成频谱模式，这样显示其中的迹线就是所选定的时间段的频谱。

这也是矢量信号分析仪另一个重要特性时间选择频率分析功能。

为了捕捉到瞬变的信号，必须有合适的触发方式。

矢量信号分析仪一般提供几种触发方式:自由触发、通道触发、中频触发、外触发。