如何使用频谱分析仪

Posted 2023-05-05

一、什么是频谱分析仪在频域内分析信号的图示测试仪。以图形方式显示信号幅度按频率的分布，即X轴表示频率，Y轴表示信号幅度。 二、原理：用窄带带通滤波器对信号进行选通。 三、主要功能：显示被测信号的频谱、幅度、频率。可以全景显示，也可以选定带宽测试。 四、测量机制： 1、把被测信号与仪器内的基准频率、基准电平进行对比。因为许多测量的本质都是电平测试，如载波电平、A/V、频响、C/N、CSO、CTB、HM、CM以及数字频道平均功率等。 2、波形分析：通过107选件和相应的分析软件，对电视的行波形进行分析，从而测试视频指标。如DG、DP、CLDI、调制深度、频偏等。 五、操作： （一）硬键、软键和旋钮：这是仪器的基本操作手段。 1、三个大硬键和一个大旋钮：大旋钮的功能由三个大硬键设定。按一下频率硬键，则旋钮可以微调仪器显示的中心频率；按一下扫描宽度硬键，则旋钮可以调节仪器扫描的频率宽度；按一下幅度硬键，则旋钮可以调节信号幅度。旋动旋钮时，中心频率、扫描宽度（起始、终止频率）、和幅度的dB数同时显示在屏幕上。 2、软键：在屏幕右边，有一排纵向排列的没有标志的按键，它的功能随项目而变，在屏幕的右侧对应于按键处显示什么，它就是什么按键。 3、其它硬键：仪器状态(INSTRUMNT STATE)控制区有十个硬键：RESET清零、CANFIG配置、CAL校准、AUX CTRL辅助控制、COPY打印、MODE模式、SAVE存储、RECALL调用、MEAS/USER测量/用户自定义、SGL SWP信号扫描。光标（MARKER）区有四个硬键：MKR光标、MKR 光标移动、RKR FCTN光标功能、PEAK SEARCH峰值搜索。控制（CONTRL）区有六个硬键：SWEEP扫描、BW带宽、TRIG触发、AUTO COVPLE自动耦合、TRACE跟踪、DISPLAY显示。在数字键区有一个BKSP回退，数字键区的右边是一纵排四个ENTER确认键，同时也是单位键。大旋钮上面的三个硬键是窗口键：ON打开、NEXT下一屏、ZOOM缩放。大旋钮下面的两个带箭头的键STEP配合大旋钮使用作上调、下调。 （二）输入和输出接口：位于一起面板下边一排。TV IN测视频指标的信号输入口；VOL INTEN是内外一套旋钮控制、调节内置喇叭的音量和屏幕亮度；CAL OUT仪器自检信号输出；300Mhz 29dBmv仪器标准信号输出口；PROBE PWR仪器探针电源；IN 75Ω1M—1.8G测试信号总输入口。 （三）测试准备： 1、限制性保护：规定最高输入射频电平和造成永久性损坏的最高电压值：直流25V，交流峰峰值100V。 2、预热：测试须等到OVER COLD消失。 3、自校：使用三个月，或重要测量前，要进行自校。 4、系统测量配置：配置是测量之前把测量的一些参数输入进去，省去每次测量都进行一次参数输入。内容：测试项目、信号输入方式（频率还是频道）、显示单位、制式、噪声测量带宽和取样点、测CTB、CSO的频率点、测试行选通等。配置步骤：按MODE键——CABLE TV ANALYZER软键——Setup软键，进入设置状态。细节为tune config调谐配置：包括频率、频道、制式、电平单位。Analyzer input输入配置：是否加前置放大器。Beats setup拍频设置、测CTB、CSO的频点（频率偏移CTB FRQ offset、CSO FRQ offset）。GATING YES NO是否选通测试行。C/N setup载噪比设置：频点（频率偏移C/N FRQ offset）、带宽。 频谱分析仪的特点1.频谱分析仪采用扫频调谐接收技术，把信号的幅频特性等参数在CRT上显示出来，很直观，一目了然。2.频谱分析仪能同时显示复合信号的各个频率的量值（但不反映相位量值）3.频谱分析仪显示动态范围大：70-120db。4.频谱分析仪的频率覆盖很宽，从uHz-325GHz，一般微波频谱分析仪在：100Hz-26.5GHz如日本爱德万公司的R3271A、R3371A，HP8566HB等等。5.输入信号幅度范围宽：-156dbm-+30dbm，不论小信号、大信号它都能适应。6.频率稳定度好。现代频谱分析仪大都用合成锁相技术，一般都可以达到2*10(-6)/日-5*10(-9)/日，如爱德万公司R3365A，R3265A，R3371A，R3271A等可达2X10(-8)/日，并有5X10(-9)/日的选件。频率显示分辨率可达1Hz。7.分辨带宽很窄，高档次、高质量的频谱分析仪一般都可以达到：10Hz-3MHz，低频谱分析仪可达mHz数量级。8.测量幅度精度高，对各种频率的幅度测量精度可达：±0.1db-±3db。9.有部分频谱分析仪还增加固定调谐法（另扫宽），相当于一台示波器，能测量信号频率的时域特性。如爱德万公司的R4136等。10.80年代中期以来的频谱分析仪都带有计算机控制接口，各种输出设备接口，能组成自动化测试系统，并可远程测量和控制。又可硬拷贝输出，不需昂贵的照机设备。11.频谱分析仪还备有各种选件、测试软件，在许多专用场合也是一台理想的仪器。 频谱分析仪测量要注意的问题使用频谱分析仪测量系统指标，一般只需将频谱分析仪与系统直接相连，然后按照指标的测量方法操作，在测量过程中，特别需要注意以下一些问题。 (1) 信号输入大小的调节频谱分析仪的输入如果过高，分析仪将使它产生非线性失真，测试出的结果则由于失真产生误差；如果信号电平过低，信号可能被分析仪的底噪声所掩盖，无法正确测量信号，这两种情况都会减小测量的动态范围。因此，使用前要十分清楚地了解信号的输入范围，正确选择输入衰减。射频信号输入时，还应注意电缆特性阻抗与仪器输入阻抗匹配，否则信号不匹配则会引起衰减，造成测量误差。在有线电视系统中，电缆特性阻抗一般为75Ω，分析仪输入阻抗一般可以在50Ω和75Ω之间选择，所以在测量时要正确选择分析仪的输入阻抗，减小测量误差。 (2) 分辨带宽的选择 在频谱分析仪中，频率分辨力是一个非常重要的概念，它是由中频滤波器的带宽决定的，这个带宽决定了仪器的分辨带宽BWRES，如果滤波器的带宽是100Hz，那么谱线频率就有100Hz的不定性。若在一个滤波器的带宽频率范围内出现了两条谱线，则不可能检出这两条谱线是不同的频率分量，但是将测出它在频率范围内的能量而不考虑多少谱线产生这一能量，因此，对于两条紧密相关的谱线，其分辨力取决于滤波器的宽度。在实际测量过程中，应该正确选择频率分辨带宽的大小，既不能把不需要的信号混合到测量信号中，也不能把需要的信号排除在外。 (3) 信号检波器的选择 频谱分析仪中的信号检波器有峰值检波和取样检波等类型，峰值检波是最常用的类型。中频滤波器的输出接到检波器上，检波器产生与中频级输出的交流信号电平成正比的直流电平。我们可以根据信号测量指标的不同，选用不同的检波方式，如测量信号电平时采用峰值检波，测量噪声时采用取样检波。 (4) 垂直刻度的选择在频谱分析仪中，由于信号电平大幅度变化，一般采用对数刻度，而在检波器之前有一个对数放大器，对数放大器按照对数函数来压缩信号电平，即对于输入电平幅度V，输出电压幅度为lgV，这样大大地减小了由检测器所检测的信号电平变化，同时向用户提供了校准成单位为分贝的对数垂直刻度。另外也可以根据信号的不同选择线性垂直刻度，它所表示的信号范围较小。 (5) 视频滤波器带宽的选择视频滤波器是一个低通滤波器，它可以减小检波器输出的噪声变化，揭示一些已被掩盖且接近本底噪声的信号，如果噪声是待测量，则视频滤波器还有助于稳定测量。采用宽带视频滤波器时，噪声的波动较大；采用窄带视频滤波器时，波动显著减小，两者噪声平均值一样，只是噪声的波动不同。 参考技术A

频谱仪的参数设置背后有其依据，想学习如何使用频谱仪，得从频谱仪构造原理了解。简单介绍一下我们技术团队总结的检波器选择：

设置当前测量的检波方式，同时将检波方式应用于当前迹线。可选的检波器类型包括：正峰值、负峰值、标准、抽样、有效值平均或电压平均。

1. 正峰值

对于迹线上的每一个点，正峰值检波显示对应时间间隔内的采样数据中的最大值。

2. 负峰值

对于迹线上的每一个点，负峰值检波显示对应时间间隔内的采样数据中的最小值。

3. 标准检波

标准检波（也称正态检波或rosenfell检波）依次选取采样数据段中的最大值和最小值显示，即对于迹线上每一个奇数号点，显示采样数据的最小值，对于迹线上每一个偶数号点，显示采样数据的最大值。使用标准检波可直观地观察信号的幅度变化范围。

4. 抽样检波

对于迹线上的每一个点，抽样检波显示对应时间间隔中心时间点对应的瞬态电平。抽样检波适用于噪声或类似噪声信号。

5. 有效值平均

对于每一个数据点，检波器对相应时间间隔内的采样数据做均方根计算（见公式(2-8)），显示计算结果。有效值平均检波可以抑制噪声，观察弱信号。

欲知更多，请找我们的公，众－号。学习：安泰测试

参考技术B 1．指导
(1)AT5010频谱分析仪测量幅度为：-100dBm--+13dBm，即：信号强度达到最高的一条水平刻度线时，此信号的幅度为-27dBm，每下一大格减10dBm。如果频谱分析仪上的40dB衰减器全按下时，此时最高水平刻度线幅度为+13dBm(-27dBm+40dBm)。
(2)手机有些信号测试点可以直接用高频电缆连接频谱仪进行测量。但有部分测试点因为存在阻抗匹配的问题，不能直接测量，可选用安泰AZ530-H高阻抗探头，探头输入电容为2pF，阻抗极高，可以直接定量测量手机上任何射频信号不会对被测电路有任何影响。AZ530-H高阻抗探头本身有20dB(典型值)的衰减，因此用其作定量测量时，要在其直接读数上加20dB。
2．操作
用频谱分析仪测量手机的射频信号比较方便，例如，测量爱立信T18第二中频信号(6MHz)时，可按以下方法进行。
(1)打开频谱分析仪，调节亮度和聚焦旋钮，使屏幕上显示的光迹清晰。
(2)调节扫频宽度选择按键(SCANWIDTH)按键，使1MHz指示灯亮，表示每格所占频率为1MHz。
(3)调节中心频率粗／细调调节旋钮，使频标位于屏幕中心位置，所指频率为6MHz。
(4)将频谱仪探头外壳与T18电路主板接地点相连，探针插到第二中频滤波器的输出端，在电流表指针摆动时观察频谱仪屏幕上是否有脉冲式图像，正常情况下，当电流表指针摆动时，有脉冲图像出现在6MHz频标位置。
再如，用频谱分析仪测量诺基3310功放输出信号的频谱，可按以下步骤进行测量。
(1)打开频谱分析仪，调节亮度和聚焦旋钮，使屏幕上显示清晰的图像。
(2)调节中心频率粗／细调调节旋钮，使频标位于屏幕中心位置，显示屏显示频率值为900MHz。
(3)调节扫频宽度选择按键(SCANWIDTH)按键，使10MHz指示灯亮，表示每格所占频率为10MHz。
(4)将频谱仪外壳与3310主板接地点相连，控针插到功放块的输出端，并拨打“112”，观察电流表摆动的同时观看频谱仪屏幕上有无脉冲图像，正常情况下，在900MHz频标附近会出现脉冲图像，但幅度会超出屏幕范围，可以按衰减按键，使图像最高点在屏幕范围内。
(5)标记按钮(ONOFF)：当标记按钮置于OFF(断)位置时，中心频率(CF)指示器发亮，此时显示器读出的是中心频率，当此开关在ON(通)位置时，标记(MK)指示器发亮，此时显示器读出的是标记的频率，该标记在屏幕上是一个尖峰。
(6)标记旋钮(MARKER)：用于调节标记频率。
(7)LED指标灯：闪亮时表示幅度值不正确。这是由于扫频宽度和中频滤波器设置不当而造成幅度降低所致。这种情况可能出现在扫频范围过大时(相对于中频带宽(20kHz)，或视频滤波器带宽(4kHz))，若要正确测量，可以不用视频滤波器或者减小扫频宽度

如何使用 FFTW3/QWT 绘制频谱？

【中文标题】如何使用 FFTW3/QWT 绘制频谱？

【英文标题】：How to plot spectrum using FFTW3/ QWT?

【发布时间】：2014-06-22 17:27:15

【问题描述】：

我想绘制频谱（就像他们在 Audacity 中所做的那样）。因此，我想要 x 轴上的赫兹频率和 y 轴上的幅度。 我的输入是一个周期性的正弦波，幅度为 0,7，频率为 500HZ。我使用 FFTW 计算幅度并使用 QWT 进行绘图。 我的问题，我应该在 setSamples 中输入什么参数来获得 500 HZ 的图片？ 任何帮助，将不胜感激 这是我的代码

【参考方案1】：

从documentation 开始，您必须设置两个指针，指向构建曲线的数据和大小（在您的情况下为样本数）。

void QwtPlotCurve::setSamples(const double *xData, const double *yData, int size)

在您的情况下，yData 是来自 FFT 的数据，xData 是一个从 FFT 的最小到最大/2 频率值扫描的数组，当信号是真实信号时丢弃另一半：

curve->setSamples(signalx, magnitude, N/2);

如果我是正确的，这应该可以工作。

编辑

也改变：

signalx[i]=i;
magnitude[i]=sqrt(reout[i]*reout[i] + imgout[i]*imgout[i]); //calculate magnitude 

到：

signalx[i]=(double)(Fs * i) / (double)N;
magnitude[i]=sqrt(reout[i]*reout[i] + imgout[i]*imgout[i]) / ((double)N / 2.0);

表示图中幅度[i] 元素的频率。

您还应该检查nyquist frequency。以 1000Hz 采样 500Hz 正弦波会产生混叠，如果您绘制 signal[] 数据（以离散步骤），您可以看到它。

【讨论】：

感谢 Marco，尽管更改了 f 代码，但我的图表仍然是空的

我已经更新了答案，希望这次它可以正常工作。如果不是this link 可能会有用。抱歉，我无法测试 Qwt/ffw3 库。

当我设置采样率 Fs=8000 Hz 和 f=1000Hz 时，图中 pic 为 2000Hz，当 f=500Hz 时，图上 pic 为 1000Hz。我在图表上的印象图片是输入频率的两倍

你说得对，我看到我的旧 C FFT 代码只计算前半部分（真实信号）。答案已更新。一个问题：您的幅度是否正确表示？

幅度正确表示为幅度[i]=sqrt(reout[i]*reout[i] + imgout[i]*imgout[i]) / (double)N/2;否则无法正确表示