頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器,用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量,可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù),是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等?,F(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果,能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器,具有存儲和運算功能;配置標(biāo)準(zhǔn)接口,就容易構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。
用DFT/FFT對信號進(jìn)行頻譜分析誤差主要表現(xiàn)在三個方面
即:
1. 頻譜混疊現(xiàn)象;
2. 柵欄效應(yīng);
3. 截斷效應(yīng),截斷效應(yīng)又包括頻譜泄漏和譜間干擾。
FSL頻譜分析儀
1、頻譜混疊:
奈奎斯特定理已被眾所周知了,所以幾乎所有人的都知道為了不讓頻譜混疊,理論上采樣頻譜大于等于信號的最高頻率。那和時域上聯(lián)系起來的關(guān)系是什么呢?
采樣周期的倒數(shù)是頻譜分辨率,最高頻率的倒數(shù)是采樣周期。
設(shè)定采樣點數(shù)為N,采樣頻率fs,最高頻率fh,故頻譜分辨率f=fs/N,而fs>=2fh,所以可以看出最高頻率與頻譜分辨率是相互矛盾的,提高頻譜分辨率f的同時,在N確定的情況下必定會導(dǎo)致最高頻率fh的減小;同樣的,提高最高頻率fh的同時必會引起f的增大,即分辨率變大。
2、柵欄效應(yīng):
由于dft是只取k=0,1,2,…….N-1,只能取到離散值,如果頻譜之間相隔較大的話也許會將一些中間的信息丟失掉,而用fft計算dft是不可避免的,解決的辦法就是增加采樣點數(shù)N。這樣頻譜間隔變小,丟失信息的概率減小。
另外,增加0可以更細(xì)致觀察頻域上的信號,但不會增加頻譜分辨率。
這里有補零對分辨率的影響。
R&S FSH8 手持式頻譜分析儀
3、截斷效應(yīng)
截斷效應(yīng)又包括頻譜泄漏和譜間干擾。
頻譜泄露:是由加窗函數(shù)引起的,同樣是計算量的問題(用fft用dft必需要加窗函數(shù)),時域上的相乘,頻域上卷積,引起信號的頻譜失真,只有在很少的情況下,頻譜泄露是不會發(fā)生的,大部分情況都會引起泄露。如x(n)=cos(2π/N),(n=0,1,2,3…..N-1,) N點的fft則不會發(fā)生泄露,但2N,或N+1,N+2等均會引起失真,而引起失真可以從表達(dá)式上可以看出 X(K)=卷積以后的頻譜在2π/N*k的 取樣值,所以如果是2N的dft,為2π/2NK,相當(dāng)于N點dft結(jié)果各個值中間再取樣了一個值,而2π/(N+2)k,就與N點fft完全不一樣了。
解決辦法:可以采用截斷長度T0更長,即擴大窗函數(shù)的寬度(時域上的寬了,頻域上就窄了,T0=N/fs(時域頻域有相對性),也就是泄露的能量就小了),或者不要加矩形的窗函數(shù),可以加緩變的窗函數(shù),也可以讓泄露的能量變小。例如海明窗可以使窗的旁瓣更小,海明窗第一旁瓣幅度比矩形窗的第一旁瓣要小32dB, 這樣譜間串?dāng)_會大大減小,但是其第一主瓣寬度則變成8pi/N,增加了一倍,又會降低頻率分辨率。
因為泄露會造成頻譜的擴大,所以也可能會造成頻譜混疊的現(xiàn)象,而泄露引起的后果就是降低頻譜分辨率。
4、譜間干擾
頻譜泄露會令主譜線旁邊有很多旁瓣,這就會造成譜線間的干擾,更嚴(yán)重就是旁瓣的能量強到分不清是旁瓣還是信號本身的,這就是所謂的譜間干擾。
以上就是頻譜分析儀對信號進(jìn)行頻譜分析誤差解析,由安泰測試整理發(fā)布。
審核編輯:湯梓紅
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