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(hào)的儀器，在實(shí)驗(yàn)室研究以及雷達(dá)、通信、導(dǎo)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(jì)方案。在討論了其設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，綜合論證了各個(gè)方案的優(yōu)劣之處以及當(dāng)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(hào)進(jìn)行分解，并按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，進(jìn)而在頻率域中對信號(hào)進(jìn)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(hào)的頻域特性分析的設(shè)備，也稱為信號(hào)分析儀。將頻譜儀與我們所熟悉的示波器進(jìn)行對比，把儀器的熒光屏看作X-Y直角坐標(biāo)系，則前者的橫軸為頻率f，后者的橫軸代表的是時(shí)間t。

隨著電子對抗、雷達(dá)、通信、導(dǎo)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(jì)制造，電子對抗，衛(wèi)星通信，雷達(dá)導(dǎo)航和信號(hào)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(dòng)，噪聲、水聲研究及各種發(fā)動(dòng)機(jī)的制造，維護(hù)以及建筑、生物醫(yī)學(xué)等方面更顯出特殊重要的作用。電信號(hào)的分析不外乎從時(shí)域或頻域兩個(gè)方面進(jìn)行，通用的時(shí)域分析的基本工具——示波器所能復(fù)蓋的頻段遠(yuǎn)不及頻譜分析儀寬，目前的實(shí)時(shí)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(jì)方法

頻譜分析儀是在頻域上觀察電信號(hào)的特征，并在顯示儀器上顯示當(dāng)前信號(hào)頻譜圖的儀器。從實(shí)現(xiàn)方式上可分為模擬式與數(shù)字式兩類。按照對信號(hào)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(hào)進(jìn)行離散化，即運(yùn)用數(shù)字方法將模擬信號(hào)輸入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對信號(hào)進(jìn)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(shí)際應(yīng)用中一般運(yùn)用其快速算法——快速傅里葉變換（FFT）進(jìn)行信號(hào)處理，F(xiàn)FT可大大降低運(yùn)算量和復(fù)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(hào)分析儀，但FFT的運(yùn)算點(diǎn)數(shù)受到限制，因此在高頻率分辨率和高掃頻寬度上也會(huì)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(hào)通過中心頻率可變的帶通濾波器（數(shù)字）或多個(gè)窄帶帶通濾波器（數(shù)字）從而提取出信號(hào)的幅度值，實(shí)現(xiàn)測量被測信號(hào)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(dá)到理想的足夠多，故會(huì)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(jì)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(gè)模塊運(yùn)用數(shù)字可編程器件來實(shí)現(xiàn)；也正是因?yàn)閿?shù)字資源的限制，在實(shí)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?yàn)V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(jì)方案多為掃頻外差法。

其基本原理框圖如下：

將輸入信號(hào)與本機(jī)振蕩產(chǎn)生的信號(hào)相乘，進(jìn)行放大后用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除差頻分量以代表不同頻點(diǎn)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(diǎn)的信號(hào)幅度，根據(jù)DDS掃頻的當(dāng)前頻率值和提取到的信號(hào)幅度值，就可以繪制出當(dāng)前被測信號(hào)的頻譜圖。由于本機(jī)振蕩信號(hào)能夠達(dá)到很寬的頻率，再配合以外部混頻，就可以擴(kuò)展到相當(dāng)高的頻率。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是：硬件成本低，掃頻范圍大。但是對于硬件電路要求高，各個(gè)模塊要精心設(shè)計(jì)，外圍電路電容電阻取值必須得當(dāng)，否則會(huì)影響整體性能。因此，該方法設(shè)計(jì)頻譜儀適用于穩(wěn)態(tài)信號(hào)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(shí)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(jì)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(shí)也說明了頻譜儀在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用之廣，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜儀的設(shè)計(jì)研究也將也越來越深入。

參考文獻(xiàn)

[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(yuǎn)等.無線電信號(hào)頻譜分析[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

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

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

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

[6] 劉玥玥.字中頻式頻譜儀的分辨率帶寬設(shè)計(jì)[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(hào)的儀器，在實(shí)驗(yàn)室研究以及雷達(dá)、通信、導(dǎo)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(jì)方案。在討論了其設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，綜合論證了各個(gè)方案的優(yōu)劣之處以及當(dāng)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(hào)進(jìn)行分解，并按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，進(jìn)而在頻率域中對信號(hào)進(jìn)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(hào)的頻域特性分析的設(shè)備，也稱為信號(hào)分析儀。將頻譜儀與我們所熟悉的示波器進(jìn)行對比，把儀器的熒光屏看作X-Y直角坐標(biāo)系，則前者的橫軸為頻率f，后者的橫軸代表的是時(shí)間t。

隨著電子對抗、雷達(dá)、通信、導(dǎo)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(jì)制造，電子對抗，衛(wèi)星通信，雷達(dá)導(dǎo)航和信號(hào)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(dòng)，噪聲、水聲研究及各種發(fā)動(dòng)機(jī)的制造，維護(hù)以及建筑、生物醫(yī)學(xué)等方面更顯出特殊重要的作用。電信號(hào)的分析不外乎從時(shí)域或頻域兩個(gè)方面進(jìn)行，通用的時(shí)域分析的基本工具——示波器所能復(fù)蓋的頻段遠(yuǎn)不及頻譜分析儀寬，目前的實(shí)時(shí)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(jì)方法

頻譜分析儀是在頻域上觀察電信號(hào)的特征，并在顯示儀器上顯示當(dāng)前信號(hào)頻譜圖的儀器。從實(shí)現(xiàn)方式上可分為模擬式與數(shù)字式兩類。按照對信號(hào)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(hào)進(jìn)行離散化，即運(yùn)用數(shù)字方法將模擬信號(hào)輸入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對信號(hào)進(jìn)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(shí)際應(yīng)用中一般運(yùn)用其快速算法——快速傅里葉變換（FFT）進(jìn)行信號(hào)處理，F(xiàn)FT可大大降低運(yùn)算量和復(fù)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(hào)分析儀，但FFT的運(yùn)算點(diǎn)數(shù)受到限制，因此在高頻率分辨率和高掃頻寬度上也會(huì)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(hào)通過中心頻率可變的帶通濾波器（數(shù)字）或多個(gè)窄帶帶通濾波器（數(shù)字）從而提取出信號(hào)的幅度值，實(shí)現(xiàn)測量被測信號(hào)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(dá)到理想的足夠多，故會(huì)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(jì)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(gè)模塊運(yùn)用數(shù)字可編程器件來實(shí)現(xiàn)；也正是因?yàn)閿?shù)字資源的限制，在實(shí)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?yàn)V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(jì)方案多為掃頻外差法。

其基本原理框圖如下：

將輸入信號(hào)與本機(jī)振蕩產(chǎn)生的信號(hào)相乘，進(jìn)行放大后用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除差頻分量以代表不同頻點(diǎn)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(diǎn)的信號(hào)幅度，根據(jù)DDS掃頻的當(dāng)前頻率值和提取到的信號(hào)幅度值，就可以繪制出當(dāng)前被測信號(hào)的頻譜圖。由于本機(jī)振蕩信號(hào)能夠達(dá)到很寬的頻率，再配合以外部混頻，就可以擴(kuò)展到相當(dāng)高的頻率。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是：硬件成本低，掃頻范圍大。但是對于硬件電路要求高，各個(gè)模塊要精心設(shè)計(jì)，外圍電路電容電阻取值必須得當(dāng)，否則會(huì)影響整體性能。因此，該方法設(shè)計(jì)頻譜儀適用于穩(wěn)態(tài)信號(hào)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(shí)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(jì)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(shí)也說明了頻譜儀在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用之廣，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜儀的設(shè)計(jì)研究也將也越來越深入。

參考文獻(xiàn)

[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(yuǎn)等.無線電信號(hào)頻譜分析[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

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

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

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

[6] 劉玥玥.字中頻式頻譜儀的分辨率帶寬設(shè)計(jì)[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(hào)的儀器，在實(shí)驗(yàn)室研究以及雷達(dá)、通信、導(dǎo)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(jì)方案。在討論了其設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，綜合論證了各個(gè)方案的優(yōu)劣之處以及當(dāng)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(hào)進(jìn)行分解，并按頻率順序展開，使其成為頻率的函數(shù)，進(jìn)而在頻率域中對信號(hào)進(jìn)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(hào)的頻域特性分析的設(shè)備，也稱為信號(hào)分析儀。將頻譜儀與我們所熟悉的示波器進(jìn)行對比，把儀器的熒光屏看作X-Y直角坐標(biāo)系，則前者的橫軸為頻率f，后者的橫軸代表的是時(shí)間t。

隨著電子對抗、雷達(dá)、通信、導(dǎo)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(jì)制造，電子對抗，衛(wèi)星通信，雷達(dá)導(dǎo)航和信號(hào)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(dòng)，噪聲、水聲研究及各種發(fā)動(dòng)機(jī)的制造，維護(hù)以及建筑、生物醫(yī)學(xué)等方面更顯出特殊重要的作用。電信號(hào)的分析不外乎從時(shí)域或頻域兩個(gè)方面進(jìn)行，通用的時(shí)域分析的基本工具——示波器所能復(fù)蓋的頻段遠(yuǎn)不及頻譜分析儀寬，目前的實(shí)時(shí)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(jì)方法

頻譜分析儀是在頻域上觀察電信號(hào)的特征，并在顯示儀器上顯示當(dāng)前信號(hào)頻譜圖的儀器。從實(shí)現(xiàn)方式上可分為模擬式與數(shù)字式兩類。按照對信號(hào)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(hào)進(jìn)行離散化，即運(yùn)用數(shù)字方法將模擬信號(hào)輸入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對信號(hào)進(jìn)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(shí)際應(yīng)用中一般運(yùn)用其快速算法——快速傅里葉變換（FFT）進(jìn)行信號(hào)處理，F(xiàn)FT可大大降低運(yùn)算量和復(fù)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(hào)分析儀，但FFT的運(yùn)算點(diǎn)數(shù)受到限制，因此在高頻率分辨率和高掃頻寬度上也會(huì)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(hào)通過中心頻率可變的帶通濾波器（數(shù)字）或多個(gè)窄帶帶通濾波器（數(shù)字）從而提取出信號(hào)的幅度值，實(shí)現(xiàn)測量被測信號(hào)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(dá)到理想的足夠多，故會(huì)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(jì)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(gè)模塊運(yùn)用數(shù)字可編程器件來實(shí)現(xiàn)；也正是因?yàn)閿?shù)字資源的限制，在實(shí)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?yàn)V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(jì)方案多為掃頻外差法。

其基本原理框圖如下：

將輸入信號(hào)與本機(jī)振蕩產(chǎn)生的信號(hào)相乘，進(jìn)行放大后用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除差頻分量以代表不同頻點(diǎn)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(diǎn)的信號(hào)幅度，根據(jù)DDS掃頻的當(dāng)前頻率值和提取到的信號(hào)幅度值，就可以繪制出當(dāng)前被測信號(hào)的頻譜圖。由于本機(jī)振蕩信號(hào)能夠達(dá)到很寬的頻率，再配合以外部混頻，就可以擴(kuò)展到相當(dāng)高的頻率。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是：硬件成本低，掃頻范圍大。但是對于硬件電路要求高，各個(gè)模塊要精心設(shè)計(jì)，外圍電路電容電阻取值必須得當(dāng)，否則會(huì)影響整體性能。因此，該方法設(shè)計(jì)頻譜儀適用于穩(wěn)態(tài)信號(hào)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(shí)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(jì)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(shí)也說明了頻譜儀在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用之廣，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，頻譜儀的設(shè)計(jì)研究也將也越來越深入。

參考文獻(xiàn)

[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(yuǎn)等.無線電信號(hào)頻譜分析[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

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

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

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

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