頻譜儀設(shè)計方案的分析與研究

楊潤耀+李喜樂+潘迪

摘要：頻譜儀是目前應(yīng)用最廣的一種測量信號的儀器，在實驗室研究以及雷達、通信、導航和空間技術(shù)上有廣泛的應(yīng)用。文章論述比較了幾種數(shù)字式和模擬式頻譜分析儀的設(shè)計方案。在討論了其設(shè)計原理的基礎(chǔ)上，綜合論證了各個方案的優(yōu)劣之處以及當代頻譜儀的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：頻譜儀；FFT；掃頻外差；濾波；DDS

1頻譜儀的概念及應(yīng)用

利用傅里葉變換的方法對信號進行分解，并按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，進而在頻率域中對信號進行研究和處理的一種過程，稱為頻譜分析。頻譜分析儀，是一種信號的頻域特性分析的設(shè)備，也稱為信號分析儀。將頻譜儀與我們所熟悉的示波器進行對比，把儀器的熒光屏看作X-Y直角坐標系，則前者的橫軸為頻率f，后者的橫軸代表的是時間t。

隨著電子對抗、雷達、通信、導航和空間技術(shù)的發(fā)展，頻譜分析儀的應(yīng)用日益廣泛。它已成為各種電子設(shè)備，元部件及器件的設(shè)計制造，電子對抗，衛(wèi)星通信，雷達導航和信號處理等方面不可缺少的一種儀器。各種類型的低頻頻譜儀在振動，噪聲、水聲研究及各種發(fā)動機的制造，維護以及建筑、生物醫(yī)學等方面更顯出特殊重要的作用。電信號的分析不外乎從時域或頻域兩個方面進行，通用的時域分析的基本工具——示波器所能復蓋的頻段遠不及頻譜分析儀寬，目前的實時示波器的通頻帶最寬是500兆赫，取樣示波器到18千兆赫，所以很高的微波頻段以及非常低的超低頻段，頻譜分析儀的作用更為顯著。在這種發(fā)展背景下，頻譜儀的研究也變得尤為重要。

2頻譜儀的設(shè)計方法

頻譜分析儀是在頻域上觀察電信號的特征，并在顯示儀器上顯示當前信號頻譜圖的儀器。從實現(xiàn)方式上可分為模擬式與數(shù)字式兩類。按照對信號處理方式的不同，數(shù)字式頻譜儀可分為以下三種：

2.1基于FFT技術(shù)的數(shù)字頻譜儀。對輸入的模擬信號進行離散化，即運用數(shù)字方法將模擬信號輸入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對信號進行采樣；再經(jīng)傅里葉變換處理獲得其頻譜分布圖。這種傅里葉變換成為離散傅里葉變換（DFT），實際應(yīng)用中一般運用其快速算法——快速傅里葉變換（FFT）進行信號處理，F(xiàn)FT可大大降低運算量和復雜度?；贔FT技術(shù)的數(shù)字頻譜儀在速度上占很大優(yōu)勢，明顯超過傳統(tǒng)的模擬式信號分析儀，但FFT的運算點數(shù)受到限制，因此在高頻率分辨率和高掃頻寬度上也會受到限制，一般需要高速A/D轉(zhuǎn)換器和高速數(shù)字器件的配合。

2.2基于數(shù)字濾波法的數(shù)字式頻譜儀。所謂濾波法就是讓被測信號通過中心頻率可變的帶通濾波器（數(shù)字）或多個窄帶帶通濾波器（數(shù)字）從而提取出信號的幅度值，實現(xiàn)測量被測信號頻譜的目的。該方法有明顯的不足：數(shù)字器件資源有限，濾波器不可達到理想的足夠多，故會出現(xiàn)分辨率不夠高等問題。

2.3基于外差原理的數(shù)字式頻譜儀。該頻譜儀的設(shè)計原理與模擬式外差式頻譜分析儀原理類似，只是數(shù)字式的頻譜儀中的各個模塊運用數(shù)字可編程器件來實現(xiàn)；也正是因為數(shù)字資源的限制，在實現(xiàn)高頻率分辨率和高掃頻寬度上有難度。

模擬式頻譜分析儀一般可以分為：并行濾波法、順序濾波法，可調(diào)濾波法、掃描外差法?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的模擬頻譜分析儀設(shè)計方案多為掃頻外差法。

其基本原理框圖如下：

將輸入信號與本機振蕩產(chǎn)生的信號相乘，進行放大后用適當?shù)臑V波器濾除差頻分量以代表不同頻點的幅度，再經(jīng)過有效值檢波（解調(diào)）提取出通過濾波器相應(yīng)頻點的信號幅度，根據(jù)DDS掃頻的當前頻率值和提取到的信號幅度值，就可以繪制出當前被測信號的頻譜圖。由于本機振蕩信號能夠達到很寬的頻率，再配合以外部混頻，就可以擴展到相當高的頻率。該方法的突出優(yōu)點是：硬件成本低，掃頻范圍大。但是對于硬件電路要求高，各個模塊要精心設(shè)計，外圍電路電容電阻取值必須得當，否則會影響整體性能。因此，該方法設(shè)計頻譜儀適用于穩(wěn)態(tài)信號的測量。

此方案是目前最為成功的一種方法，它能分析較為廣闊的頻譜。關(guān)鍵部分是硬件電路，軟件部分相對簡單。此方案既可以克服數(shù)字頻譜儀中數(shù)字器件資源的限制，又可以實現(xiàn)高掃頻寬度和高頻率分辨率。

3頻譜儀的發(fā)展

除了以上幾種傳統(tǒng)的頻譜儀設(shè)計方案，近來基于GPIB總線的虛擬頻譜儀、基于Lab Windows/CVI的虛擬頻譜儀、基于uC/OSⅡ系統(tǒng)的音頻頻譜儀層出不窮，頻譜儀的樣式與功能也越來越多，同時也說明了頻譜儀在各個領(lǐng)域的應(yīng)用之廣，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜儀的設(shè)計研究也將也越來越深入。

參考文獻

[1] 李劍雄.頻譜分析儀與測量技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[2] 徐明遠等.無線電信號頻譜分析[M].北京:科學出版社,2008.

[3] 馬忠梅.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[4] 王偉,趙吉祥.基于FPGA+DDS的控制設(shè)計[J].國外電子元器件, 2008,6.

[5] 梁強.頻頻譜分析儀的設(shè)計研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2006.

[6] 劉玥玥.字中頻式頻譜儀的分辨率帶寬設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用, 2011,13(1).

摘要：頻譜儀是目前應(yīng)用最廣的一種測量信號的儀器，在實驗室研究以及雷達、通信、導航和空間技術(shù)上有廣泛的應(yīng)用。文章論述比較了幾種數(shù)字式和模擬式頻譜分析儀的設(shè)計方案。在討論了其設(shè)計原理的基礎(chǔ)上，綜合論證了各個方案的優(yōu)劣之處以及當代頻譜儀的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：頻譜儀；FFT；掃頻外差；濾波；DDS

1頻譜儀的概念及應(yīng)用

利用傅里葉變換的方法對信號進行分解，并按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，進而在頻率域中對信號進行研究和處理的一種過程，稱為頻譜分析。頻譜分析儀，是一種信號的頻域特性分析的設(shè)備，也稱為信號分析儀。將頻譜儀與我們所熟悉的示波器進行對比，把儀器的熒光屏看作X-Y直角坐標系，則前者的橫軸為頻率f，后者的橫軸代表的是時間t。

隨著電子對抗、雷達、通信、導航和空間技術(shù)的發(fā)展，頻譜分析儀的應(yīng)用日益廣泛。它已成為各種電子設(shè)備，元部件及器件的設(shè)計制造，電子對抗，衛(wèi)星通信，雷達導航和信號處理等方面不可缺少的一種儀器。各種類型的低頻頻譜儀在振動，噪聲、水聲研究及各種發(fā)動機的制造，維護以及建筑、生物醫(yī)學等方面更顯出特殊重要的作用。電信號的分析不外乎從時域或頻域兩個方面進行，通用的時域分析的基本工具——示波器所能復蓋的頻段遠不及頻譜分析儀寬，目前的實時示波器的通頻帶最寬是500兆赫，取樣示波器到18千兆赫，所以很高的微波頻段以及非常低的超低頻段，頻譜分析儀的作用更為顯著。在這種發(fā)展背景下，頻譜儀的研究也變得尤為重要。

2頻譜儀的設(shè)計方法

頻譜分析儀是在頻域上觀察電信號的特征，并在顯示儀器上顯示當前信號頻譜圖的儀器。從實現(xiàn)方式上可分為模擬式與數(shù)字式兩類。按照對信號處理方式的不同，數(shù)字式頻譜儀可分為以下三種：

2.1基于FFT技術(shù)的數(shù)字頻譜儀。對輸入的模擬信號進行離散化，即運用數(shù)字方法將模擬信號輸入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對信號進行采樣；再經(jīng)傅里葉變換處理獲得其頻譜分布圖。這種傅里葉變換成為離散傅里葉變換（DFT），實際應(yīng)用中一般運用其快速算法——快速傅里葉變換（FFT）進行信號處理，F(xiàn)FT可大大降低運算量和復雜度?；贔FT技術(shù)的數(shù)字頻譜儀在速度上占很大優(yōu)勢，明顯超過傳統(tǒng)的模擬式信號分析儀，但FFT的運算點數(shù)受到限制，因此在高頻率分辨率和高掃頻寬度上也會受到限制，一般需要高速A/D轉(zhuǎn)換器和高速數(shù)字器件的配合。

2.2基于數(shù)字濾波法的數(shù)字式頻譜儀。所謂濾波法就是讓被測信號通過中心頻率可變的帶通濾波器（數(shù)字）或多個窄帶帶通濾波器（數(shù)字）從而提取出信號的幅度值，實現(xiàn)測量被測信號頻譜的目的。該方法有明顯的不足：數(shù)字器件資源有限，濾波器不可達到理想的足夠多，故會出現(xiàn)分辨率不夠高等問題。

2.3基于外差原理的數(shù)字式頻譜儀。該頻譜儀的設(shè)計原理與模擬式外差式頻譜分析儀原理類似，只是數(shù)字式的頻譜儀中的各個模塊運用數(shù)字可編程器件來實現(xiàn)；也正是因為數(shù)字資源的限制，在實現(xiàn)高頻率分辨率和高掃頻寬度上有難度。

模擬式頻譜分析儀一般可以分為：并行濾波法、順序濾波法，可調(diào)濾波法、掃描外差法。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的模擬頻譜分析儀設(shè)計方案多為掃頻外差法。

其基本原理框圖如下：

將輸入信號與本機振蕩產(chǎn)生的信號相乘，進行放大后用適當?shù)臑V波器濾除差頻分量以代表不同頻點的幅度，再經(jīng)過有效值檢波（解調(diào)）提取出通過濾波器相應(yīng)頻點的信號幅度，根據(jù)DDS掃頻的當前頻率值和提取到的信號幅度值，就可以繪制出當前被測信號的頻譜圖。由于本機振蕩信號能夠達到很寬的頻率，再配合以外部混頻，就可以擴展到相當高的頻率。該方法的突出優(yōu)點是：硬件成本低，掃頻范圍大。但是對于硬件電路要求高，各個模塊要精心設(shè)計，外圍電路電容電阻取值必須得當，否則會影響整體性能。因此，該方法設(shè)計頻譜儀適用于穩(wěn)態(tài)信號的測量。

此方案是目前最為成功的一種方法，它能分析較為廣闊的頻譜。關(guān)鍵部分是硬件電路，軟件部分相對簡單。此方案既可以克服數(shù)字頻譜儀中數(shù)字器件資源的限制，又可以實現(xiàn)高掃頻寬度和高頻率分辨率。

3頻譜儀的發(fā)展

除了以上幾種傳統(tǒng)的頻譜儀設(shè)計方案，近來基于GPIB總線的虛擬頻譜儀、基于Lab Windows/CVI的虛擬頻譜儀、基于uC/OSⅡ系統(tǒng)的音頻頻譜儀層出不窮，頻譜儀的樣式與功能也越來越多，同時也說明了頻譜儀在各個領(lǐng)域的應(yīng)用之廣，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜儀的設(shè)計研究也將也越來越深入。

參考文獻

[1] 李劍雄.頻譜分析儀與測量技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[2] 徐明遠等.無線電信號頻譜分析[M].北京:科學出版社,2008.

[3] 馬忠梅.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[4] 王偉,趙吉祥.基于FPGA+DDS的控制設(shè)計[J].國外電子元器件, 2008,6.

[5] 梁強.頻頻譜分析儀的設(shè)計研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2006.

[6] 劉玥玥.字中頻式頻譜儀的分辨率帶寬設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用, 2011,13(1).

摘要：頻譜儀是目前應(yīng)用最廣的一種測量信號的儀器，在實驗室研究以及雷達、通信、導航和空間技術(shù)上有廣泛的應(yīng)用。文章論述比較了幾種數(shù)字式和模擬式頻譜分析儀的設(shè)計方案。在討論了其設(shè)計原理的基礎(chǔ)上，綜合論證了各個方案的優(yōu)劣之處以及當代頻譜儀的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：頻譜儀；FFT；掃頻外差；濾波；DDS

1頻譜儀的概念及應(yīng)用

利用傅里葉變換的方法對信號進行分解，并按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，進而在頻率域中對信號進行研究和處理的一種過程，稱為頻譜分析。頻譜分析儀，是一種信號的頻域特性分析的設(shè)備，也稱為信號分析儀。將頻譜儀與我們所熟悉的示波器進行對比，把儀器的熒光屏看作X-Y直角坐標系，則前者的橫軸為頻率f，后者的橫軸代表的是時間t。

隨著電子對抗、雷達、通信、導航和空間技術(shù)的發(fā)展，頻譜分析儀的應(yīng)用日益廣泛。它已成為各種電子設(shè)備，元部件及器件的設(shè)計制造，電子對抗，衛(wèi)星通信，雷達導航和信號處理等方面不可缺少的一種儀器。各種類型的低頻頻譜儀在振動，噪聲、水聲研究及各種發(fā)動機的制造，維護以及建筑、生物醫(yī)學等方面更顯出特殊重要的作用。電信號的分析不外乎從時域或頻域兩個方面進行，通用的時域分析的基本工具——示波器所能復蓋的頻段遠不及頻譜分析儀寬，目前的實時示波器的通頻帶最寬是500兆赫，取樣示波器到18千兆赫，所以很高的微波頻段以及非常低的超低頻段，頻譜分析儀的作用更為顯著。在這種發(fā)展背景下，頻譜儀的研究也變得尤為重要。

2頻譜儀的設(shè)計方法

頻譜分析儀是在頻域上觀察電信號的特征，并在顯示儀器上顯示當前信號頻譜圖的儀器。從實現(xiàn)方式上可分為模擬式與數(shù)字式兩類。按照對信號處理方式的不同，數(shù)字式頻譜儀可分為以下三種：

2.1基于FFT技術(shù)的數(shù)字頻譜儀。對輸入的模擬信號進行離散化，即運用數(shù)字方法將模擬信號輸入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對信號進行采樣；再經(jīng)傅里葉變換處理獲得其頻譜分布圖。這種傅里葉變換成為離散傅里葉變換（DFT），實際應(yīng)用中一般運用其快速算法——快速傅里葉變換（FFT）進行信號處理，F(xiàn)FT可大大降低運算量和復雜度。基于FFT技術(shù)的數(shù)字頻譜儀在速度上占很大優(yōu)勢，明顯超過傳統(tǒng)的模擬式信號分析儀，但FFT的運算點數(shù)受到限制，因此在高頻率分辨率和高掃頻寬度上也會受到限制，一般需要高速A/D轉(zhuǎn)換器和高速數(shù)字器件的配合。

2.2基于數(shù)字濾波法的數(shù)字式頻譜儀。所謂濾波法就是讓被測信號通過中心頻率可變的帶通濾波器（數(shù)字）或多個窄帶帶通濾波器（數(shù)字）從而提取出信號的幅度值，實現(xiàn)測量被測信號頻譜的目的。該方法有明顯的不足：數(shù)字器件資源有限，濾波器不可達到理想的足夠多，故會出現(xiàn)分辨率不夠高等問題。

2.3基于外差原理的數(shù)字式頻譜儀。該頻譜儀的設(shè)計原理與模擬式外差式頻譜分析儀原理類似，只是數(shù)字式的頻譜儀中的各個模塊運用數(shù)字可編程器件來實現(xiàn)；也正是因為數(shù)字資源的限制，在實現(xiàn)高頻率分辨率和高掃頻寬度上有難度。

模擬式頻譜分析儀一般可以分為：并行濾波法、順序濾波法，可調(diào)濾波法、掃描外差法?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的模擬頻譜分析儀設(shè)計方案多為掃頻外差法。

其基本原理框圖如下：

將輸入信號與本機振蕩產(chǎn)生的信號相乘，進行放大后用適當?shù)臑V波器濾除差頻分量以代表不同頻點的幅度，再經(jīng)過有效值檢波（解調(diào)）提取出通過濾波器相應(yīng)頻點的信號幅度，根據(jù)DDS掃頻的當前頻率值和提取到的信號幅度值，就可以繪制出當前被測信號的頻譜圖。由于本機振蕩信號能夠達到很寬的頻率，再配合以外部混頻，就可以擴展到相當高的頻率。該方法的突出優(yōu)點是：硬件成本低，掃頻范圍大。但是對于硬件電路要求高，各個模塊要精心設(shè)計，外圍電路電容電阻取值必須得當，否則會影響整體性能。因此，該方法設(shè)計頻譜儀適用于穩(wěn)態(tài)信號的測量。

此方案是目前最為成功的一種方法，它能分析較為廣闊的頻譜。關(guān)鍵部分是硬件電路，軟件部分相對簡單。此方案既可以克服數(shù)字頻譜儀中數(shù)字器件資源的限制，又可以實現(xiàn)高掃頻寬度和高頻率分辨率。

3頻譜儀的發(fā)展

除了以上幾種傳統(tǒng)的頻譜儀設(shè)計方案，近來基于GPIB總線的虛擬頻譜儀、基于Lab Windows/CVI的虛擬頻譜儀、基于uC/OSⅡ系統(tǒng)的音頻頻譜儀層出不窮，頻譜儀的樣式與功能也越來越多，同時也說明了頻譜儀在各個領(lǐng)域的應(yīng)用之廣，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜儀的設(shè)計研究也將也越來越深入。

參考文獻

[1] 李劍雄.頻譜分析儀與測量技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[2] 徐明遠等.無線電信號頻譜分析[M].北京:科學出版社,2008.

[3] 馬忠梅.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003.

[4] 王偉,趙吉祥.基于FPGA+DDS的控制設(shè)計[J].國外電子元器件, 2008,6.

[5] 梁強.頻頻譜分析儀的設(shè)計研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2006.

[6] 劉玥玥.字中頻式頻譜儀的分辨率帶寬設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用, 2011,13(1).