频谱分析仪和信号分析仪区别及常见问题解答

频谱分析仪和信号分析仪区别及常见问题解答（共2篇）

篇1：频谱分析仪和信号分析仪区别及常见问题解答

频谱分析仪和信号分析仪区别及常见问题解答

频谱分析仪和信号分析仪这两个术语往往可以互换使用，不过两者在功能和能力上还是有一定区别。当今的分析仪可进行更全面的频域、时域和调制域信号分析，用“信号分析仪”来描述更为准确。

频谱分析仪：测量在仪器的整个频率范围内输入信号幅度随频率进行变化的情况。其最主要的用途是测量已知和未知信号的频谱功率。

矢量信号分析仪：测量在仪器的中频带宽内输入信号在单一频率上的幅度和相位。其最主要的用途是对已知信号进行通道内测量，例如误差矢量幅度、码域功率和频谱平坦度。

信号分析仪：同时执行频谱分析仪和矢量信号分析仪的功能。

频谱分析仪常见问题解答：

1、是否有不同类型的频谱分析仪？

有两类频谱分析仪，类型由获取信号频谱所使用的方法决定。扫描调谐频谱分析仪使用超外差式接收机对一部分输入信号频谱进行下变频（使用电压控制振荡器和混频器），达到带通滤波器的中心频率。采用超外差式体系结构的电压控制振荡器在一系列频率上进行扫描，支持仪器完整频率范围的假设。快速傅立叶变换（FFT）分析仪计算离散傅立叶变换（DFT），这个数学过程可将输入信号的波形转换成其频谱分量。

2、我何时应使用台式频谱分析仪而不是手持式频谱分析仪？

台式频谱和信号分析仪提供卓越的技术指标和测量应用软件，而手持式频谱分析仪更适合现场工程师使用。

3、频谱分析仪能否得到实时结果？

可以，实时频谱分析仪使用了混合方法，即首先使用超外差技术将输入信号下变频到较低频率，然后使用 FFT 技术对其进行分析。

4、我能否使用频谱分析仪对信号进行解调？

通过将频谱分析仪或信号分析仪与 Agilent 89600 VSA 灵活调制分析软件或测量应用软件结合使用，您能够解调广泛的标准和通用数字信号与制式。

5、安捷伦提供什么类型的频谱分析仪？

安捷伦提供广泛的信号分析仪产品，包括扫描调谐和 FFT 频谱分析仪、频谱分析仪软件和频谱分析仪测量应用软件。

6、安捷伦频谱分析仪产品覆盖什么频率范围？

安捷伦提供从直流至 50 GHz 的多种频谱分析仪和信号分析仪产品，使用外部混频器可扩展到 325 GHz。

篇2：频谱分析仪和信号分析仪区别及常见问题解答

1 频谱泄漏概念

在现代数字信号处理方式中, 对信号的频域分析意义已经远远超出对其时域分析, 频域分析可更加直观地观察信号的频率特性, 便于计算和存储。而由傅里叶变换理论可得知, 若信号持续时间有限长, 则其频谱无限宽;若要求信号频谱有限宽, 则其持续时间必然为无限长。严格的说, 不存在持续时间有限的带限信号, 故对其不能够进行DFT变换[1]。因此, 用DFT对连续信号和离散序列进行谱分析时, 必须对原始信号进行有限点的截取处理, 而在用DFT变换进行谱分析时其结果必然是近似的。例如在对于频率为f1的正弦序列, 它的频谱应该只是在f1处有离散谱。但在利用DFT求其频谱时进行了截断, 然后用观察的信号时间片段进行周期延拓处理, 结果使信号的频谱不仅f1处有离散谱, 而在以f1为中心的频带范围内都有谱线出现, 它们可以理解为是从f1频率上“泄漏”出去的, 这种现象称为频谱“泄漏”。为了有效抑制DFT谱分析的频谱泄漏现象, 提高谱的分辨率, 本文从以下四个方面综合进行考察。

2 抑制频谱泄漏的方法

2.1 基于高采样率抑制频谱泄漏

对于理想采样过程, 采样信号的频谱X^a (jΩ) 和原来模拟信号的频谱X (jΩ) 之间的关系为:

(1) 式表明, 采样信号频谱将以采样频率为周期进行周期延拓。只要各延拓分量与原频谱分量之间不发生频率上的交叠, 则可以完全恢复原来的模拟信号。而要保证各延拓分量与原频谱分量之间不发生频率上的交叠, 则必须满足Ωs≥2Ωmax。这就是奈奎斯特采样定理。

下面对信号x (t) =cos (100πt) , 进行不同频率的采样并计算其DFT幅度谱如图2所示。

由图2可见, 采样频率越高, 采样信号频谱越接近原始信号理想频谱, 泄漏现象也明显改善。

2.2 时域加窗法抑制频谱泄漏的研究

由图1所示, 信号经采样后再截断处理产生能量泄漏是必然的, 下面在截断环节通过时域加窗来改善频谱泄漏现象。假定采样后的离散序列x (n) , 经过截断变成有限长序列xN (n) , 则:

其中, ωN (n) 为窗函数 (截断函数) 。窗函数是一个频带无限的函数, 所以即使原信号x (n) 是有限带宽信号, 而在截断以后也必然成为无限带宽的函数, 使得截断信号在频域的能量分布扩展。如果增大截断长度, 即窗函数窗口加宽, 则窗谱WN (ejΩ) 将被压缩变窄。虽然理论上讲, 其频谱范围仍为无限宽, 但实际上中心频率以外的频率分量衰减较快, 因而泄漏误差将减小。当窗口宽度T趋于无穷大时, 则谱窗将变为δ (Ω) 函数, 即窗口无限宽, 即不截断, 就不存在泄漏误差。

泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关, 如图3所示。为此, 在时域中可根据不同信号对频谱质量的要求, 采用不同的窗函数如表1所示来进行截断。

下面通过对信号x (t) =cos (60πt) +cos (100πt) 进行加窗分析, 可以看出各窗函数的性质和特点。

说明:

(a) 矩形窗优点是主瓣比较集中, 缺点是旁瓣较高, 并有负旁瓣, 甚至出现负谱现象。

(b) 三角窗缺点是主瓣比较宽, 优点是旁瓣衰减大。

(c) 汉宁窗是3个矩形时间窗的频谱之和, 它可以使旁瓣互相抵消, 消去高频干扰和漏能。

(d) 海明窗也是余弦窗的一种, 海明窗加权的系数能使旁瓣达到更小。

对于窗函数的选择, 应考虑被分析信号的性质与处理要求。如果仅要求精确读出主瓣频率, 而不考虑幅值精度, 则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗, 例如测量物体的自振频率等;如果分析窄带信号, 且有较强的干扰噪声, 则应选用旁瓣幅度小的窗函数, 如汉宁窗、三角窗等;对于随时间按指数衰减的函数, 可采用指数窗提高信噪比。

2.3 信号初始相位对频谱泄漏的影响

频谱泄漏会降低谱的分辨率, 频谱分辨率是指所采用的算法能够识别两个单音信号的最小频谱间隔。在实际测量中, 通常根据频谱分辨率确定所需要的最小采样点数, 一般认为DFT频谱分辨率Δf=fs/N, 然而在实际应用中, 根据此定义确定的采样点数N往往不能满足要求。

对于信号x (n) =sin (0.04πn) +cos (0.08πn) , 其相位差为3π/2。图6中图 (a) 和图 (b) 分别给出了N=50和N=100点时DFT的幅度频谱。而对于相位差为0的x (n) =cos (0.04πn) +cos (0.08πn) , 图 (c) 、 (d) 分别给出N=50和100点时DFT的幅度频谱。

由图6可见, 为了区分两个频率分量, 对于相位差不为0时的两个单频信号, 当N=100时才能正确区分, 而相位差为0的两个单频信号, 当N=50即能正确区分, 由此验证了文献[2]所述初相对DFT频谱分辨率的影响。

2.4 周期正弦信号的截断长度对频谱泄漏的影响

对信号x (n) =cos (2πnfa/fs) =sin (2πn/8) 按采样频率fs=8fa采样, 截取长度N分别选N=20和N=16, 观察其DFT结果的幅度谱。

计算结果如图7所示, (a) 和 (b) 分别是N=20时的截取信号和DFT结果, 由于截取了两个半周期, 频谱出现泄漏; (c) 和 (d) 分别是N=16时的截取信号和DFT结果, 由于截取了两个整周期, 得到单一谱线的频谱。上述频谱的误差主要是由于时域中对信号的非整周期截断产生的频谱泄漏。

3 结束语

本文综合分析了影响正弦信号DFT谱分析频谱泄漏的四个因素, 并结合实例进行了MATLAB仿真。结果表明采样频率的高低、数据截断的长度和方法、以及信号本身的特性 (周期性和初始相位) 都在一定程度上影响谱分析的精度。

参考文献

[1]高西全, 丁玉美.数字信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2008.

[2]王刚, 王艳芬, 张晓光, 等.关于离散傅里叶变换频率分辨率的讨论[J].电气电子教学学报, 2006 (6) :18-20.

[3]陈卫东, 杨绍全.加窗对离散傅里叶变换测频分辨率研究[J].西安电子科技大学学报, 2000 (2) :157-160.