使用示波器进行信号的频谱分析

使⽤示波器进⾏信号频谱分析(FFT)教程对信号中的频率分量进⾏分析是⼗分重要的，因为他们常常会在设计中引起噪声，⼀旦超出允许的公差，就可能进⽽导致器件发⽣故

障功能失常。严重的还可能导致电压尖峰，损坏器件。如果我们在

设计的时候没有进⾏正确的测试，那么上述问题就很可能发⽣。那

么如何对信号进⾏频率分量的分析呢？

也许⼤家会认为这个活只有频谱分析仪能⼲，但实际上示波器也能

部分胜任，示波器除了时域分析外，还有⼀个FFT的功能，就可以

⽤来做这个事。FFT是快速傅⾥叶变换的缩写。简单的说，FFT其

实是⼀种算法，可以帮助我们对时域信号进⾏分离，然后再将这些

分离的信号转换到频域，此时示波器将从时域转换成频域，显示的

是信号幅值与频率之间的关系。

如下gif图所示，可以清楚的看到示波器是如何将信号从时域转换成

频域的。对于FFT的时域频域转换如果不是很了解，可以搜索看下我们之前的⽂章《浅懂示波器FFT快速傅⽴叶变换功能及运⽤》

FFT的菜单栏中，包含FFT运算频谱类型的选择，可以选择线或者

分⻉来作为幅值分别以V-Hz或dB-Hz被绘制在示波器显示屏上。

当FFT开启的时候，可以看到⽔平轴的时基从时间变成了频率，垂

直轴单位变为V或者dB。

频谱类型下⽅是触发源的选择，这个⽐较好理解，要对哪个通道进

⾏FFT运算，我们就选哪个通道为源。

源下⽅是四种不同的FFT窗，分别是矩形窗、哈明窗、布莱克曼

窗、汉宁窗。那么为什么FFT会有不同的窗选择呢？

因为FFT算法计算频谱信号采样时，只能得到采样点的信息， 不

可能对⽆限⻓的信号进⾏测量和运算，⽽是取其有限的时间⽚段进

⾏分析，因此忽略了采样间隔中数据信息，这是不可避免的，也称

之为栅栏效应。示波器是对有限⻓度的时间记录进⾏FFT变换，

FFT算法是假设时域波形是不断重复的。这样当周期为整数时，时

域波形在开始和结束处波形的幅值相同，波形就不会产⽣中断。但

是，如果时域波形的周期为⾮整数时，就引起波形开始和结束处的

数 字 信 号 处 理

—综合实验报告

综合实验名称： 应用MatLab对语音信号进行

频谱分析及滤波

系 ：

学生姓名：

班 级：

学 号：

成 绩：

指导教师：

开课时间 学年 学期 目 录

一．综合实验题目 ........................................................................................................................... 1

二、综合实验目的和意义 ............................................................................................................... 1

2.1 综合实验目的 .................................................................................................................... 1

2.2 综合实验的意义 ................................................................................................................ 1

什么是频谱分析仪，频谱分析仪的工作原理是什么，频谱分析仪怎样使用？

什么是频谱分析仪？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、谱纯度、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。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。

频谱分析仪的工作原理以及应用方面推广：频谱分析仪的组成及工作原理图1所示为扫频调谐超外差频谱分析仪组成框图。输入信号经衰减器以限制信号幅度，经低通输入滤波器滤除不需的频率，然后经混频器与本振（LO）信号混频将输入信号转换到中频（IF）。LO的频率由扫频发生器控制。随着LO频率的改变，混频器的输出信号（它包括两个原始信号，它们的和、差及谐波，）由分辨力带宽滤波器滤出本振比输入信号高的中频，并以对数标度放大或压缩。然后用检波器对通过IF滤波器的信号进行整流，从而得到驱动显示垂直部分的直流电压。随着扫频发生器扫过某一频率范围，屏幕上就会画出一条迹线。该迹线示出了输入信号在所显示频率范围内的频率成分。

频谱仪各部分作用及显示信号分析输入衰减器：保证频谱仪在宽频范围内保持良好匹配特性，以减小失配误差;保护混频器及其它中频处理电路，防止部件损坏和产生过大的非线性失真。

混频器：完成信号的频谱搬移，将不同频率输入信号变换到相应中频。在低频段（《3GHz）利用高混频和低通滤波器抑制镜像干扰;在高频段（》3GHz）利用带通跟踪滤波器抑制镜像干扰。 本振（LO）：它是一个压控振荡器，其频率是受扫频发生器控制的。其频率稳定度锁相于参考源。

扫频发生器：除了控制本振频率外，它也能控制水平偏转显示，锯齿波扫描使频谱仪屏幕上从左到右显示信号，然后重复这个扫描不断更新迹线。扫频宽度（Span）是从左fstart到右fstop10格的频率差，例如：Span=1MHz，则100kHz/div.

第1篇

一、实验目的

1. 理解信号频谱的基本概念和原理。

2. 掌握傅里叶变换及其逆变换在信号频谱分析中的应用。

3. 学习利用MATLAB软件进行信号频谱分析。

4. 分析不同信号在时域和频域的特性。

二、实验原理

信号的频谱分析是信号处理领域的重要方法，通过傅里叶变换可以将时域信号转换为频域信号，从而揭示信号中不同频率成分的分布情况。傅里叶变换的基本原理是将信号分解为一系列正弦波和余弦波的线性组合，其中每个正弦波和余弦波的频率、幅度和相位代表了信号在该频率上的能量分布。

三、实验内容

1. 信号的产生与观察

使用MATLAB软件产生以下信号：

- 基本信号：正弦波、余弦波、方波、三角波等。

- 复杂信号：叠加多个基本信号或进行调制、滤波等操作。

观察信号在时域和频域的波形，分析信号特性。

2. 傅里叶变换

对上述信号进行傅里叶变换，得到其频谱。分析频谱图，了解信号中不同频率成分的分布情况。

3. 逆傅里叶变换

对信号进行逆傅里叶变换，将频域信号还原为时域信号。观察还原后的信号，分析逆变换的效果。

4. 窗函数 在进行傅里叶变换时，通常需要使用窗函数来减小频谱泄露。比较不同窗函数（如矩形窗、汉宁窗、汉明窗等）对频谱的影响。

5. 采样定理

分析信号采样过程中的采样定理，验证信号在时域和频域的特性。

四、实验结果与分析

1. 基本信号

- 正弦波和余弦波在时域和频域具有明显的单一频率成分。

- 方波和三角波在时域具有多个频率成分，频谱为离散谱。

- 复杂信号由多个基本信号叠加而成，频谱为连续谱。

2. 傅里叶变换

傅里叶变换能够将时域信号转换为频域信号，揭示信号中不同频率成分的分布情况。频谱图直观地展示了信号的能量分布，有助于分析信号的特性。

3. 逆傅里叶变换

逆傅里叶变换能够将频域信号还原为时域信号。实验结果表明，逆变换后的信号与原信号具有相似的特性，但可能存在一定的误差。