频谱仪设计方案的分析与研究
2014-08-08杨润耀李喜乐潘迪
杨润耀+李喜乐+潘迪
摘要：频谱仪是目前应用最广的一种测量信号的仪器，在实验室研究以及雷达、通信、导航和空间技术上有广泛的应用。文章论述比较了几种数字式和模拟式频谱分析仪的设计方案。在讨论了其设计原理的基础上，综合论证了各个方案的优劣之处以及当代频谱仪的发展前景。
关键词：频谱仪；FFT；扫频外差；滤波；DDS
1频谱仪的概念及应用
利用傅里叶变换的方法对信号进行分解，并按频率顺序展开，使其成为频率的函数，进而在频率域中对信号进行研究和处理的一种过程，称为频谱分析。频谱分析仪，是一种信号的频域特性分析的设备，也称为信号分析仪。将频谱仪与我们所熟悉的示波器进行对比，把仪器的荧光屏看作X-Y直角坐标系，则前者的横轴为频率f，后者的横轴代表的是时间t。
随着电子对抗、雷达、通信、导航和空间技术的发展，频谱分析仪的应用日益广泛。它已成为各种电子设备，元部件及器件的设计制造，电子对抗，卫星通信，雷达导航和信号处理等方面不可缺少的一种仪器。各种类型的低频频谱仪在振动，噪声、水声研究及各种发动机的制造，维护以及建筑、生物医学等方面更显出特殊重要的作用。电信号的分析不外乎从时域或频域两个方面进行，通用的时域分析的基本工具——示波器所能复盖的频段远不及频谱分析仪宽，目前的实时示波器的通频带最宽是500兆赫，取样示波器到18千兆赫，所以很高的微波频段以及非常低的超低频段，频谱分析仪的作用更为显著。在这种发展背景下，频谱仪的研究也变得尤为重要。
2频谱仪的设计方法
频谱分析仪是在频域上观察电信号的特征，并在显示仪器上显示当前信号频谱图的仪器。从实现方式上可分为模拟式与数字式两类。按照对信号处理方式的不同，数字式频谱仪可分为以下三种：
2.1基于FFT技术的数字频谱仪。对输入的模拟信号进行离散化，即运用数字方法将模拟信号输入模拟/数字转换器（ADC）对信号进行采样；再经傅里叶变换处理获得其频谱分布图。这种傅里叶变换成为离散傅里叶变换（DFT），实际应用中一般运用其快速算法——快速傅里叶变换（FFT）进行信号处理，FFT可大大降低运算量和复杂度。基于FFT技术的数字频谱仪在速度上占很大优势，明显超过传统的模拟式信号分析仪，但FFT的运算点数受到限制，因此在高频率分辨率和高扫频宽度上也会受到限制，一般需要高速A/D转换器和高速数字器件的配合。
2.2基于数字滤波法的数字式频谱仪。所谓滤波法就是让被测信号通过中心频率可变的带通滤波器（数字）或多个窄带带通滤波器（数字）从而提取出信号的幅度值，实现测量被测信号频谱的目的。该方法有明显的不足：数字器件资源有限，滤波器不可达到理想的足够多，故会出现分辨率不够高等问题。
2.3基于外差原理的数字式频谱仪。该频谱仪的设计原理与模拟式外差式频谱分析仪原理类似，只是数字式的频谱仪中的各个模块运用数字可编程器件来实现；也正是因为数字资源的限制，在实现高频率分辨率和高扫频宽度上有难度。
模拟式频谱分析仪一般可以分为：并行滤波法、顺序滤波法，可调滤波法、扫描外差法。现在广泛应用的模拟频谱分析仪设计方案多为扫频外差法。
其基本原理框图如下：
将输入信号与本机振荡产生的信号相乘，进行放大后用适当的滤波器滤除差频分量以代表不同频点的幅度，再经过有效值检波（解调）提取出通过滤波器相应频点的信号幅度，根据DDS扫频的当前频率值和提取到的信号幅度值，就可以绘制出当前被测信号的频谱图。由于本机振荡信号能够达到很宽的频率，再配合以外部混频，就可以扩展到相当高的频率。该方法的突出优点是：硬件成本低，扫频范围大。但是对于硬件电路要求高，各个模块要精心设计，外围电路电容电阻取值必须得当，否则会影响整体性能。因此，该方法设计频谱仪适用于稳态信号的测量。
此方案是目前最为成功的一种方法，它能分析较为广阔的频谱。关键部分是硬件电路，软件部分相对简单。此方案既可以克服数字频谱仪中数字器件资源的限制，又可以实现高扫频宽度和高频率分辨率。
3频谱仪的发展
除了以上几种传统的频谱仪设计方案，近来基于GPIB总线的虚拟频谱仪、基于Lab Windows/CVI的虚拟频谱仪、基于uC/OSⅡ系统的音频频谱仪层出不穷，频谱仪的样式与功能也越来越多，同时也说明了频谱仪在各个领域的应用之广，随着科学技术的不断发展，频谱仪的设计研究也将也越来越深入。
参考文献
[1] 李剑雄.频谱分析仪与测量技术基础[M].北京:人民邮电出版社,2011.
[2] 徐明远等.无线电信号频谱分析[M].北京:科学出版社,2008.
[3] 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[4] 王伟,赵吉祥.基于FPGA+DDS的控制设计[J].国外电子元器件, 2008,6.
[5] 梁强.频频谱分析仪的设计研究[D].合肥:合肥工业大学,2006.
[6] 刘玥玥.字中频式频谱仪的分辨率带宽设计[J].电子元器件应用, 2011,13(1).
摘要：频谱仪是目前应用最广的一种测量信号的仪器，在实验室研究以及雷达、通信、导航和空间技术上有广泛的应用。文章论述比较了几种数字式和模拟式频谱分析仪的设计方案。在讨论了其设计原理的基础上，综合论证了各个方案的优劣之处以及当代频谱仪的发展前景。
关键词：频谱仪；FFT；扫频外差；滤波；DDS
1频谱仪的概念及应用
利用傅里叶变换的方法对信号进行分解，并按频率顺序展开，使其成为频率的函数，进而在频率域中对信号进行研究和处理的一种过程，称为频谱分析。频谱分析仪，是一种信号的频域特性分析的设备，也称为信号分析仪。将频谱仪与我们所熟悉的示波器进行对比，把仪器的荧光屏看作X-Y直角坐标系，则前者的横轴为频率f，后者的横轴代表的是时间t。
随着电子对抗、雷达、通信、导航和空间技术的发展，频谱分析仪的应用日益广泛。它已成为各种电子设备，元部件及器件的设计制造，电子对抗，卫星通信，雷达导航和信号处理等方面不可缺少的一种仪器。各种类型的低频频谱仪在振动，噪声、水声研究及各种发动机的制造，维护以及建筑、生物医学等方面更显出特殊重要的作用。电信号的分析不外乎从时域或频域两个方面进行，通用的时域分析的基本工具——示波器所能复盖的频段远不及频谱分析仪宽，目前的实时示波器的通频带最宽是500兆赫，取样示波器到18千兆赫，所以很高的微波频段以及非常低的超低频段，频谱分析仪的作用更为显著。在这种发展背景下，频谱仪的研究也变得尤为重要。
2频谱仪的设计方法
频谱分析仪是在频域上观察电信号的特征，并在显示仪器上显示当前信号频谱图的仪器。从实现方式上可分为模拟式与数字式两类。按照对信号处理方式的不同，数字式频谱仪可分为以下三种：
2.1基于FFT技术的数字频谱仪。对输入的模拟信号进行离散化，即运用数字方法将模拟信号输入模拟/数字转换器（ADC）对信号进行采样；再经傅里叶变换处理获得其频谱分布图。这种傅里叶变换成为离散傅里叶变换（DFT），实际应用中一般运用其快速算法——快速傅里叶变换（FFT）进行信号处理，FFT可大大降低运算量和复杂度。基于FFT技术的数字频谱仪在速度上占很大优势，明显超过传统的模拟式信号分析仪，但FFT的运算点数受到限制，因此在高频率分辨率和高扫频宽度上也会受到限制，一般需要高速A/D转换器和高速数字器件的配合。
2.2基于数字滤波法的数字式频谱仪。所谓滤波法就是让被测信号通过中心频率可变的带通滤波器（数字）或多个窄带带通滤波器（数字）从而提取出信号的幅度值，实现测量被测信号频谱的目的。该方法有明显的不足：数字器件资源有限，滤波器不可达到理想的足够多，故会出现分辨率不够高等问题。
2.3基于外差原理的数字式频谱仪。该频谱仪的设计原理与模拟式外差式频谱分析仪原理类似，只是数字式的频谱仪中的各个模块运用数字可编程器件来实现；也正是因为数字资源的限制，在实现高频率分辨率和高扫频宽度上有难度。
模拟式频谱分析仪一般可以分为：并行滤波法、顺序滤波法，可调滤波法、扫描外差法。现在广泛应用的模拟频谱分析仪设计方案多为扫频外差法。
其基本原理框图如下：
将输入信号与本机振荡产生的信号相乘，进行放大后用适当的滤波器滤除差频分量以代表不同频点的幅度，再经过有效值检波（解调）提取出通过滤波器相应频点的信号幅度，根据DDS扫频的当前频率值和提取到的信号幅度值，就可以绘制出当前被测信号的频谱图。由于本机振荡信号能够达到很宽的频率，再配合以外部混频，就可以扩展到相当高的频率。该方法的突出优点是：硬件成本低，扫频范围大。但是对于硬件电路要求高，各个模块要精心设计，外围电路电容电阻取值必须得当，否则会影响整体性能。因此，该方法设计频谱仪适用于稳态信号的测量。
此方案是目前最为成功的一种方法，它能分析较为广阔的频谱。关键部分是硬件电路，软件部分相对简单。此方案既可以克服数字频谱仪中数字器件资源的限制，又可以实现高扫频宽度和高频率分辨率。
3频谱仪的发展
除了以上几种传统的频谱仪设计方案，近来基于GPIB总线的虚拟频谱仪、基于Lab Windows/CVI的虚拟频谱仪、基于uC/OSⅡ系统的音频频谱仪层出不穷，频谱仪的样式与功能也越来越多，同时也说明了频谱仪在各个领域的应用之广，随着科学技术的不断发展，频谱仪的设计研究也将也越来越深入。
参考文献
[1] 李剑雄.频谱分析仪与测量技术基础[M].北京:人民邮电出版社,2011.
[2] 徐明远等.无线电信号频谱分析[M].北京:科学出版社,2008.
[3] 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[4] 王伟,赵吉祥.基于FPGA+DDS的控制设计[J].国外电子元器件, 2008,6.
[5] 梁强.频频谱分析仪的设计研究[D].合肥:合肥工业大学,2006.
[6] 刘玥玥.字中频式频谱仪的分辨率带宽设计[J].电子元器件应用, 2011,13(1).
摘要：频谱仪是目前应用最广的一种测量信号的仪器，在实验室研究以及雷达、通信、导航和空间技术上有广泛的应用。文章论述比较了几种数字式和模拟式频谱分析仪的设计方案。在讨论了其设计原理的基础上，综合论证了各个方案的优劣之处以及当代频谱仪的发展前景。
关键词：频谱仪；FFT；扫频外差；滤波；DDS
1频谱仪的概念及应用
利用傅里叶变换的方法对信号进行分解，并按频率顺序展开，使其成为频率的函数，进而在频率域中对信号进行研究和处理的一种过程，称为频谱分析。频谱分析仪，是一种信号的频域特性分析的设备，也称为信号分析仪。将频谱仪与我们所熟悉的示波器进行对比，把仪器的荧光屏看作X-Y直角坐标系，则前者的横轴为频率f，后者的横轴代表的是时间t。
随着电子对抗、雷达、通信、导航和空间技术的发展，频谱分析仪的应用日益广泛。它已成为各种电子设备，元部件及器件的设计制造，电子对抗，卫星通信，雷达导航和信号处理等方面不可缺少的一种仪器。各种类型的低频频谱仪在振动，噪声、水声研究及各种发动机的制造，维护以及建筑、生物医学等方面更显出特殊重要的作用。电信号的分析不外乎从时域或频域两个方面进行，通用的时域分析的基本工具——示波器所能复盖的频段远不及频谱分析仪宽，目前的实时示波器的通频带最宽是500兆赫，取样示波器到18千兆赫，所以很高的微波频段以及非常低的超低频段，频谱分析仪的作用更为显著。在这种发展背景下，频谱仪的研究也变得尤为重要。
2频谱仪的设计方法
频谱分析仪是在频域上观察电信号的特征，并在显示仪器上显示当前信号频谱图的仪器。从实现方式上可分为模拟式与数字式两类。按照对信号处理方式的不同，数字式频谱仪可分为以下三种：
2.1基于FFT技术的数字频谱仪。对输入的模拟信号进行离散化，即运用数字方法将模拟信号输入模拟/数字转换器（ADC）对信号进行采样；再经傅里叶变换处理获得其频谱分布图。这种傅里叶变换成为离散傅里叶变换（DFT），实际应用中一般运用其快速算法——快速傅里叶变换（FFT）进行信号处理，FFT可大大降低运算量和复杂度。基于FFT技术的数字频谱仪在速度上占很大优势，明显超过传统的模拟式信号分析仪，但FFT的运算点数受到限制，因此在高频率分辨率和高扫频宽度上也会受到限制，一般需要高速A/D转换器和高速数字器件的配合。
2.2基于数字滤波法的数字式频谱仪。所谓滤波法就是让被测信号通过中心频率可变的带通滤波器（数字）或多个窄带带通滤波器（数字）从而提取出信号的幅度值，实现测量被测信号频谱的目的。该方法有明显的不足：数字器件资源有限，滤波器不可达到理想的足够多，故会出现分辨率不够高等问题。
2.3基于外差原理的数字式频谱仪。该频谱仪的设计原理与模拟式外差式频谱分析仪原理类似，只是数字式的频谱仪中的各个模块运用数字可编程器件来实现；也正是因为数字资源的限制，在实现高频率分辨率和高扫频宽度上有难度。
模拟式频谱分析仪一般可以分为：并行滤波法、顺序滤波法，可调滤波法、扫描外差法。现在广泛应用的模拟频谱分析仪设计方案多为扫频外差法。
其基本原理框图如下：
将输入信号与本机振荡产生的信号相乘，进行放大后用适当的滤波器滤除差频分量以代表不同频点的幅度，再经过有效值检波（解调）提取出通过滤波器相应频点的信号幅度，根据DDS扫频的当前频率值和提取到的信号幅度值，就可以绘制出当前被测信号的频谱图。由于本机振荡信号能够达到很宽的频率，再配合以外部混频，就可以扩展到相当高的频率。该方法的突出优点是：硬件成本低，扫频范围大。但是对于硬件电路要求高，各个模块要精心设计，外围电路电容电阻取值必须得当，否则会影响整体性能。因此，该方法设计频谱仪适用于稳态信号的测量。
此方案是目前最为成功的一种方法，它能分析较为广阔的频谱。关键部分是硬件电路，软件部分相对简单。此方案既可以克服数字频谱仪中数字器件资源的限制，又可以实现高扫频宽度和高频率分辨率。
3频谱仪的发展
除了以上几种传统的频谱仪设计方案，近来基于GPIB总线的虚拟频谱仪、基于Lab Windows/CVI的虚拟频谱仪、基于uC/OSⅡ系统的音频频谱仪层出不穷，频谱仪的样式与功能也越来越多，同时也说明了频谱仪在各个领域的应用之广，随着科学技术的不断发展，频谱仪的设计研究也将也越来越深入。
参考文献
[1] 李剑雄.频谱分析仪与测量技术基础[M].北京:人民邮电出版社,2011.
[2] 徐明远等.无线电信号频谱分析[M].北京:科学出版社,2008.
[3] 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[4] 王伟,赵吉祥.基于FPGA+DDS的控制设计[J].国外电子元器件, 2008,6.
[5] 梁强.频频谱分析仪的设计研究[D].合肥:合肥工业大学,2006.
[6] 刘玥玥.字中频式频谱仪的分辨率带宽设计[J].电子元器件应用, 2011,13(1).
