基于单片机的频谱仪的设计

目录

1 绪论 (2)

1.1频谱仪概述 (2)

1.1.1 古老频谱仪 (2)

1.1.2 现代频谱仪 (3)

1.2背景及意义 (4)

2 频谱分析原理与技术指标 (6)

2.1 基本原理 (6)

2.1.1 动态信号的分析方法 (6)

2.1.2 扫描调谐分析仪 (6)

2.2 技术指标 (7)

2.2.1频率指标 (7)

2.2.2 幅度指标 (8)

3频谱仪的设计方案 (9)

3.1模拟式频谱分析仪 (9)

3.2数字式频谱分析仪 (10)

3.2.1 按信号处理方式分类 (10)

3.2.2 按频谱仪实现方式分类 (12)

3.3虚拟频谱分析仪 (13)

4 方案实现 (14)

4.1理论分析 (14)

4.2 软件总体设计 (16)

1 绪论

射频测量对象是宽频带内信号与网络系统的特性参数,而同一个物理系统或信号可以分别在时域和频域描述。

（1）时域测量以被测信号和网络系统在时域内的特性为依据，研究的是被测对象的幅度时间特性时域测量常用的测试信号是脉冲或阶跃信号，研究的是待测信号

的瞬变过程或网络输出的冲激或阶跃响应：关键是时域信号的采集和分析

（2）频域测量以被测信号和被测网络系统在频域的特性为依据，研究的是被测对象的幅频特性和相频特性。频域测量常用的测试信号为正弦波，研究的是待测信号或网络输出的稳态响应：关键是特定频率的产生和选择。

射频测试中，时域测量和频域测量是相辅相成的。从一个域到另一个域，如果测试是完全的，则无任何信息损失，仅仅是同一信号的不同表述方法。

1.1频谱仪概述

1.1.1 古老频谱仪

频谱仪便是对频域进行测量。频谱仪被誉为射频领域的示波器，现代频谱仪不仅具有传统的频谱分析功能，而且通过扩展选件，可以集成功率计、频率计、标量/矢量网络分析仪、信号分析、通信测试仪等众多仪器的主要功能，堪称射频测试的集大成者，拥有一台高性能频谱仪，即可完成大部分射频测试、信号分析功能。现代实时频谱仪的出现，进一步将频谱仪的应用领域扩展到快速变化的瞬态信号测试、宽实时带宽信号分析中。

频谱仪的基本功能是测量信号的幅度/频率响应，可以完成诸如频谱成分分析、失真测量、调制信号谱分析、信号衰减测量、电子组件增益测量等。基本工作原理是，扫频本振的频率随锯齿波发生器的输出在一定范围内扫描，使不同频率的输入信号与本振混频后，依次落入分辩率带宽滤波器通带内，进一步放大、检波后加到Y放大器，亮点在屏幕上的垂直偏移正比于该频率分量的幅值。由于扫描电压在调制振荡器的同时，又驱动X放大器，从而可以在屏幕上显示出被子测信号的频谱。

这是最古老的频谱仪工作原理，随着现代科学技术的发展，特别是数字信号处理技术和AD采样技术的不断提高，现代频谱仪多采用软件无线电思想设计：搭建通用性强的硬件平台，将功能实现软件化，使得现代频谱仪具有了“软件定义仪器”的特征，在维持硬

件平台基本不变的情况下，通过更新软件，就可以使频谱仪集成众多仪器，如接收机、功率计、频率计、网络分析仪的大部分功能，极大扩展了频谱仪的测量能力和应用领域。现代频谱仪发展迅速，针对不同应用需求，出现了各种各样的频谱仪，不同类型的频谱仪，其性能指标和功能配置也有很大差别。但从工作机理和主要应用领域的不同出发，现代频谱仪可以分为扫频式频谱仪和实时频谱仪两种。

1.1.2 现代频谱仪

现代扫频式频谱仪基本工作原理与古老的频谱仪工作原理相比，最显著的变化是：中频滤波器后进行了AD采样，分辩率带宽滤波、检波、视频滤波均采用数字信号处理的方式实现。由于AD采样之前的硬件结构是通用的超外差接收机结构，而AD采样后仪器具体实现的功能，完全取决于软件程序，因此现代频谱仪具有“软件定义仪器”的特征，只要购买相应选件，频谱仪就可以具有矢量信号分析，各种调制制式的信号解调、调制度分析、通信测量等功能。同时，只要付出很小的代价，购买部分辅助测量硬件，如驻波桥、跟踪源、接收天线等，频谱仪即可完成驻波比测试、组件传输特性测试、场强测试、传输线测试、天线测试等功能。

（1）扫频式频谱仪仍是目前频谱仪的主流，根据其应用领域的不同，可进一步分为台式频谱仪、手持式频谱仪、VXI总线频谱仪、PXI总线频谱仪、LXI总线频谱仪等。

①台式频谱仪具有性能指标高，功能强大等特点，应用领域十分广泛，如计量检验试验室、EMC/EMI试验室、卫星接收系统测试、雷达系统测试、无线电通信系统测试、基站维护都可以见到它们的身影。

②便携式频谱仪、手持式频谱仪典型特点是价格低、体积小、重量轻，携带方便。其性能指标已经接近中等台式频谱仪水平，功能配置也十分丰富，以RS公司的FSH3为例，-120dBm的测量灵敏度和-90dBc/Hz的相位噪声与台式仪器相比差了两个量级，但在功能配置上，除基本的频谱分析功能外，FSH3提供了功率计选件，驻波比桥、高增益定向天线、矢量传输与反射测量选件、接收机模式选件等，在这些选件的支持下，FSH3可以用于功率测试、驻波比测试、场强测试与电磁干扰定位、传输线测试与故障定位、电磁兼容诊断等。

便携式频谱仪、手持式频谱仪特别适合于野外使用。在功能、性能指标满足要求的情况下，由于具有价格、体积方面的优势，完全可以替代台式频谱仪使用，因此近年来发展十迅速，成为扫频式频谱仪发展的一个重要方向。

③VXI总线频谱仪、PXI总线频谱仪、LXI总线频谱仪等属于虚拟仪器类频谱仪产品，

在各种综合测试平台的搭建中具有重要地位。VXI/PXI总线频谱仪属于机箱插卡式仪器，由于宽带频谱仪一般体积较大，3GHz以上的宽带频谱仪目前尚不多见。相对而言，LXI协议未对仪器体积、外型做出严格控制，很容易在台式频谱仪和手持式频谱仪的基础上扩展，同时LXI基于网络的分布式测试结构，更适合于现代测试系统的发展方向。

（2）实时频谱仪是近年发展起来的新型频谱仪，与扫频式频谱相比，实时频谱仪的显著优势在于：具有更高的数据处理速度和信号分析带宽，触发方式多样，适合频率快速变化的瞬态系统测试，实时频谱仪与现代扫频式频谱仪的硬件结构几乎完全相同，其区别主要体现在以下两方面：

①实时频谱仪的中频处理具有“实时处理”的特征。扫频式频谱仪采用“频谱扫描”方式获得信号频谱，一次频谱扫描只能获取整个扫频宽度中的一部分频谱数据，两次扫描之间允许存在一定的时间间隔，对于两次扫描之间，信号的变化，扫频式频谱仪是检测不到的。实时频谱仪采用“实时信号处理”的方式获得信号频谱，一次频谱扫描即可获得整个扫频宽度中频谱数据，其优秀的数据处理能力与灵活的触发方式相结合，可以连续捕获输入信号的瞬变信息。

②实时频谱仪的“实时处理带宽”更宽。为适应宽带快速变化信号的捕捉与分析，实时频谱仪的“实时处理带宽”，达到80MHz～110HMz，并可以对整个带宽内的信号进行实时分析。扫频式频谱仪的处理带宽（中频带宽）一般在40MHz以下，而且允许两次频谱扫描之间存在一定的时间间隔，因此，实频谱仪对硬件性能的要求比扫频式频谱仪高的多。

实时频谱仪的典型应用是迅速突发性干扰信号测试、跳频系统测试、捷变频雷达系统测试、电子对抗系统测试等。

1.2背景及意义

从事通信工程的技术人员，十分关心信号的谐波失真，交调失真、噪声背景、调制等各种频谱情况，因为这些对通信质量都有重要的影响。于是对于频谱分析则能很明了知道以上情况的来龙去脉。如谐波失真，看频谱分析的结果，便知道有没有倍频干扰，如噪声背景，便可知噪声是那些频率段的噪声，并在此可以设置特定滤波器来滤掉噪声，于是频域分析有时更清楚。同时通过频谱测试还可以了解信号的频谱占用情况，从而可以知道使用频率应该在哪个频率段，防止频率之间干扰而影响信号传输。

又如电磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility），即设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两