浅谈频谱仪与接收机的信号分析

浅谈频谱仪与接收机的信号分析

李强 

四川九洲电器集团有限责任公司 四川绵阳  621000

【摘要】本文通过分别解析谱频谱仪与接收机对数字信号的接收展开分析，讨论在实际运用操作中其存在的问题和日常无线电监测及检测的实际工作，比对两者在运用过程中的各自优缺点的体现，以及如何利用不同设备来提升信号分析的效率以及质量。

【关键词】频谱仪；接收机；信号；分析

前言

按照有关部门的相关规定，无线电监测专业人才需提高对各类无线电信号发现、测量、分析与识别的专业能力。如按照工业和信息化部《关于加强无线电监测工作的指导意见》的要求，无线电专业人才需具备高强度专业性，无线电监测是一项专业性很强的工作，明确的职责分工是前提，完善的工作机制是基础，科学的标准体系是重要保障。鉴于无线电检测区域的不同，监测技术力量的强弱也存在差异，在信号分析方面，有的选择频谱仪有的使用的是接收机，有甚者会选择双管齐下。在信号分析中，究竟哪一个设备更胜一筹，除了专业技术人员的实际操作，设备的正确选择和使用也能使分析效率得到极大的提升。

1. 频谱仪与接收机工作原理介绍

1.1频谱仪的工作原理

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器[1]。将被测信号的电压幅度随频率变化的规律直观的显示出来，使我们可以直观的“看到”信号，为信号的分析带来极大的便利。

日常中我们将频谱分析仪简称为频谱仪。频谱仪根据工作原理的不同分为实时分析式和扫频式两类。但其工作原理都是将被测模拟信号经模数转换模块转换为数字信号并将其传送至傅立叶分析模块进行傅立叶分析。

1.2接收机的工作原理

接收机是一个由如下器件组成的电路系统：天线，滤波器，放大器以及A/D转换器。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源[2]。接收机有两种基本构成结构，一种是超外差结构，另一种是直接转换结构即可以根据用途分类为测地器接收器与导航型接收器。接收器的主要功能在于从空中众多的电磁波中，选择出自己所需的电磁波频率成分，过滤或抑制不需要的信号或干扰信号，然后放大、调节有用的原始信息。

2.接收机与频谱仪运行时的区别

（一）两者工作原理不同。频谱分析仪是当前频谱分析的主要工具，尤其是扫

频外差式谱分析仪是当今频谱仪的主流。接收机以GPS和EMC信号接收为主要测试工具，以点频法为基础，应用本振调谐的原理测试相应频点的电平值。

（二）对信号的前置处理的不同。频谱仪的信号输入端一般有一组或两组较为

简单的低通滤波器，而接收机则采用对信号具有较强抗干扰能力的预选器且所需预选器较多，通常固定需要一组带通滤波器和一组跟踪滤波器，以便更好的完成对信号的预选。由于接收器处理方式的特殊性容易受到外界信号的干扰，这就要求接收器需要更高的精确度，同时也就要求在接收器的前端相比起频谱仪来多配备一个预选器，以保证信号的稳定性。

（三）本振信号调节的不同。频谱仪通过扫频信号源实现扫频测量，通常在预

设范围内进行扫描利用斜波控制信号源。接收机的扫描方式是相对分散的，采用步进的、离散的、离散的点频进行测试。

3.接收机和频谱仪对信号的分析作用

3.1对模拟信号的分析

对模拟信号进行分析时，本次研究主要采用了AM信号和FM信号进行测试，所选用的频谱仪品牌是安捷伦的9020A，接收机设备则为PR100和PR200，信号发生器选择使用安捷伦的E4438C，发射频率为1000MHz，功率为0d BM（详情可见图1）。

图1 FM信号源和AM信号源

首先，我们选用频率仪分别对AM信号和FM信号进行区域分析测试，通过测试可以测试99%的功率带宽速率，再结合频率仪的计算功能，可以较为容易的算出AM和FM的速率以及频偏，时间区域上可以算出AM的频率深度。但在计算上，需要进行单位转换，将其转换为X和Y更方便直接进行加减法的操作。通过精确的测量与计算就可以得到AM和FM的相关参数，需要注意的是过程中需要来回的进行时域和频域的切换，且操作步骤较为繁杂。特别是对RBW和Sweep time的联调较为烦琐，此项操作对技术人员的要求较高。

    此外，在使用PR100对FM信号和AM信号分别进行分析时，PR100可以同时显示频谱和瀑布图。通过分别对示意图上的信息使用Marker和Line的功能可以测试出信号的带宽，在对BW调节的过程中，可以顺势计算出FM的频偏和调制速度，从而计算出AM的信号偏度以及调制深度。PR100可以同时显现出频域和时域的部分信号，但无法看到时域的波形，如果是加载了语音作为辅助调制，则可以直接通过PR100的解调功能来判断信号是来自AM还是FM。但是这会对模拟信号的更多参数测量产生影响，比如会给调制深度提升计算的难度（详情见图2）。

图2  使用PR100测试AM信号和FM信号

最后，使用PR200对FM信号和AM信号进行分析时，PR200设备里面专门设置了AM和FM的专用解调模块。通过这个模块的自主计算，帮助人们不用进行二次计算就可获得AM和FM的信号参数。PR200内有专门针对FM信号和AM信号的解调测试模块，只需调节BW让信号全盘输入进去就可以直接读出FM信号和AM信号的参数。这两个测试较为容易简单，对操作人员的技术要求较低。

3.2对数字信号的分析

   在对数字信号进行测试分析的过程中，首先选用脉冲信号和扫频信号展开测试，选用仪器设备与模拟信号分析时所用的设备一致，频谱仪是安捷伦的9020A，接收机设备为PR100和PR200，信号发生器为安捷伦的E4438C，发射频率为1000MHz，功率为0d Bm。

    首先使用频谱仪对脉冲信号和三频信号分别进行频率区域分析，在采用频谱仪Maker功能可以简单的测量出脉冲信号的周期和脉宽以及占空比、包括扫频信号的周期与驻留时间。值得注意的是针对周期较长的脉冲和扫频信号时，Sweeptime的设置就显得尤为突出和重要。需要显示一个完整周期内的两个波形段，否则将无法测出信号周期（如图3）。

图3 使用频谱仪对脉冲信号进行频域、时域的测量

在使用PR100对脉冲信号和扫频信号进行信号分析时，技术人员通过频谱和瀑布图显示的方式与图表采取Maker和Line的功能，可直接读出脉冲的周期和驻留时间。但PR100上瀑布图的时间刻度最低仅为40ms，所以当脉冲驻留时间小于40ms时将无法进行标记测量。除此之外，在瀑布图上还可以读出频率的宽度和间隔度，然后再对读出的点数进行扫描，就能在瀑布图上得出扫频周期（见图4）。

图4 使用PR100对脉冲信号和扫频信号进行信号分析

3.3接收机与频谱仪对信号接收的优劣势对比

（一）接收机。接收机的优点是测试准确度高、动态测试范围大、频率分辨率较高、灵敏度不低、系统设备互调干扰小，以及具备四种基本检波方式。缺点在于接收机首限于宽带设置，对被测信号无法及时快速的进行频谱分析和振幅分析测试。但接收机适用多种小型窗口和模块专项分析的分化功能，能有助于信号分析率明显的提高，对技术专业人员要求较低，正因如此可能后期会产生技术人员过度依赖设备自动化。

（二）频谱仪。频谱仪具有可以在较为宽广的频率范围内细致的搜索被测信号的优点，对被测信号进行时域分析和频域分析时相对简单，系统测试较为方便。缺点在于频率之间干扰较大，对频率分辨率较低，只有单一峰值检波方式选择性较差。也因此特点，当在广阔范围内确定信号中心评率后，采用频率仪进行分析就能较快得到信号结果。但同时，频率仪操作起来步骤过于烦琐，测试步骤繁杂，有限时间内测试的环境下就需要技术人员具有一定的操作经验，只有这样才能迅速地完成信号的分析测试。

结束语

    本文对频率仪与接收器咋对信号接受处理的问题上进行分析研究，同时探究出二者在使用过程中的优缺点并进行比较，只有经过不断的实践与操作，总结出各类信号的测试方法和步骤，才能有效的提升信号分析的效率和质量。

【参考文献】

[1]熊金超,凌翠莲,杨睿,农天焕,林舒豪.频谱分析仪在数字电视发射机检修中的运用[J].视听,2021(11):206-208.

[2]罗会容.频谱分析仪在高频电子线路实验中的应用[J].实验室科学,2020,23(03):192-195.

[3]丁艳玲.一款低功耗的高速CMOS LVDS信号接收器[J].电子技术应用,2015,41(03):55-57.