Agilent频谱分析仪基础

Agilent频谱分析仪基础
目录
Agilent频谱分析仪基础目录 1
目录 2
第1章简介5
频域与时域 5
什么是频谱？ 6
为什么测量频谱？7
测试种类8
信号分析仪的类型8
第二章：频谱分析仪的基本组成9 RF衰减器11
低通滤波器/预选器12
调节分析仪12
中频增益14
分解信号15
模拟滤波器15
数字滤波器17
FM残留17
相位噪声18
扫描时间19
模拟分辨滤波器19
数字分辨滤波器20
包络检测器20
显示器21
检测器类型22
采样检测22
峰值（正）检测23
负峰值检测23
普通检测23
平均检测24
平均及准峰值检测24
均匀化处理24
视频滤波24
轨迹均匀化25
时间控制26
为什么需要时间控制26
第三章数字中频概述27
数字滤波器27
全数字中频28
传统信号处理IC 28
附加视频处理特色28
频率计数28
关于全数字中频的更多优点28
第四章幅度与频率的准确度29
相对不确定度30
绝对幅度精确度30
提高总体不确定度31
规范，典型值，标称值31
数字IF部分31
RBW开关不确定度32
频率准确度32
第5章灵敏度与噪声32
灵敏度32
噪声系数34
噪声信号34
预放对噪声测量的影响35
第6章动态范围35
定义35
动态范围与内部失真35
衰减器测试36
噪声36
动态范围与测量不确定度36
增益压缩36
显示范围与测量范围36
邻信道功率测量37
第7章扩展频率范围37
内部谐波混频37
预选37
幅度校准37
相位噪声38
增加动态范围38
加上及减去预选38
扩展谐波混频38
信号识别38
第8章现代频谱分析仪38
特别应用测量39
数字调制分析39
保存并打印数据39
数据传输与远程控制39
固件升级39
校准，发现并修理故障，诊断，修复39
总结39
术语表40
第1章简介
本文致力于解说下列内容：超外差频谱分析仪基本功能、目前最先进的频谱分析仪的功能。

从最基本的层次来说，频谱分析仪可以被描述为：一个频率选择、被校准了的峰值响应电压计，用以测量并显示正玄波。

但是有一点需要注意，频谱仪虽然能够直接的显示功率大小，但它不是一个功率计。

如果通过一个已知电阻测得其上的峰值或平均值正弦电压，我们能够校准我们的电压计，将之改装成功率计。

伴随着数字技术的进步，现代的频谱分析仪用有更强大的功能。

本文中，我们将描述基本的频谱分析仪、以及伴随着数字技术、数字信号处理带来的功能进步。

频域与时域
在我们详细描述频谱分析仪之前，需要首先问问自己：“什么是频谱？我们为什么要分析它？”通常我们使用的是时域作为参考进行信号分析。

我们能纪录什么时间发生了什么事件，包括电气事件。

我们可以使用示波器观察随时间改变的即时电信号数值。

换句话说，我们使用示波器在时域上观察一个信号的波形。

傅利叶理论告诉我们，任何时域的电现象是由一个或者多个正弦波组成，每个正弦波有各自的频率、幅度、相位。

即：我们可以将一个时域信号转换成其频域的等价信号。

在时域的测量可以显示每个特定的频率含有多少功率。

使用合适的滤波器，图1-1的波可以被分解成独立的正弦波，或者频谱，然后我们可以独立的测量他们。

每个正弦波包含幅度、相位值。

如果我们想分析信号的周期，傅利叶理论告诉我们，正弦波形的周期是频率的倒数。

某些测量要求我们提供关于信号的频率、幅度、相位的完整信息。

这类信号分析称作矢量信号分析。

有关于矢量信号分析的讨论将在矢量信号分析基础里进行。

现代频谱分析仪能够进行大范围的矢量信号测量。

另外一大类的测量可以不知道信号的相位关系。

这类信号分析称为频谱分析。

由于频谱分析更容易理解，也非常实用，因此本文从频谱分析仪如何进行频谱分析测量开始。

理论上，要想进行时域到频域的转换，信号持续时间必须无穷大，即±无穷。

然而，在实际中，我们总是使用一段有限的时间进行测量。

傅利叶变换也能够进行从频域到时域的变换。

在这种情况下，也要求提供±无穷大的频谱信息。

在实际中，在有限的带宽捕获绝大多数的信号功率所提供的结果也是可接受的。

当对频域数据进行傅利叶变换时，相位信息是非常重要的。

例如，一个方波变换到频域，然后再变换回去，如果没有提供相位信息，则可能成为锯齿波信号。

什么是频谱？
在本文的讨论中，什么是频谱呢？频谱是一个正弦波集合，进行适当的合并的话，就是一个时域信号。

图1-1显示的就是一个复合信号。

假设我们希望获得一个正弦波。

尽管图中的波形明确的显示该信号不是一个纯正弦，却并没有给我们一个明确的暗示它为什么不是。

图
1-2从时域、频域两方面告诉我们该信号的分量。

频域中的轴向高低表明在频谱中不同正弦波的幅度。

如图，此例中频谱仅包含两个正弦波。

现在我们知道了为什么起始波形为什么不是一个纯的正弦波了。

它包含第二个正弦波，二次谐波。

这是不是说我们不需要进行时域测量了呢？完全不是。

在许多测量中，时域结果更好，并且一些测量只能在时域中进行。

例如，纯时域测量包括脉冲上升、下降时间，过冲击，振铃。

为什么测量频谱？
频域也有它的测量应用。

从图1-1以及图1-2可以看出，频域能更好的显示信号的谐波。

在
无线通讯领域的人们对带外、寄生发射尤其敏感。

例如，蜂窝射频系统必须检测已调制信号的谐波，以保证不会对处于谐波频率的别的系统的运作产生影响。

工程师、技术员非常关心调制后的的信号失真。

三阶互调（一个复杂信号的两个分量之间的互调）有可能落在带内而无法被滤除，带来很大麻烦。

频谱监测是频域测量的另一重要应用。

政府分配给不同的无线服务以不同的的频率，例如广播、电视、移动电话系统、警察与紧急通讯，以及别的应用。

每种服务工作于其被分配的频率，并且在规定的频带内是非常重要的。

发射机以及其它信号辐射体经常工作在很接近的频率。

对于功放以及其它器件的一个非常重要的测量就是信号功率杂散到邻信道造成干扰的大小。

电磁干扰（EMI）这一术语的含义是：发射机或者非发射机产生的不期望的发射。

这里，所关心的是不期望的发射，既包括辐射的，也包括传导（通过电源线或者内部连接线），可能对其它的系统的操作产生影响。

几乎所有设计或者制造的电子、电器产品都必须在频域测试发射功率，以符合政府的或者工业的标准体系。

图1-3至1-6表示的就是这方面的测试。

测试种类
普通的频谱分析仪测试包括频率、功率、调制、失真、噪声。

了解一个信号的频谱是很重要的，尤其是在系统使用在有限带宽情况下。

发射功率是另一个测试要素。

过低的发射功率可能导致信号不能够到达目的地，而太高的功率会迅速的消耗电池掂量，导致失真，以及过高的工作温升。

测量调制质量是非常重要的，它确定系统是否工作正常，信息是否正确的发送。

普通的分析调制情况的测试包括调制角度，边带幅度，调制质量，占用带宽。

数字调制包括误差向量裕度（EVM），IQ失衡，相位时域误差，以及其它的一些测试。

关于此类的更多测试，请参看矢量信号分析基础。

在通讯中，测量失真对于发射机以及接收机都是非常重要的。

发射机输出的过多的谐波失真会影响别的通讯频带。

接收机的预放部分必须不能有互调失真存在，防止信号交叉干扰。

一个典型的例子是同轴电缆传输的电视信号，其下行主干路在信号分配部分存在互调，将会干扰同一线缆内的其它频道信号。

一般的干扰测量包括互调、谐波、杂散发射。

噪声也是一个经常需要测量的参数。

一个运行的电路或者器件会产生很大的噪声。

噪声参数或者信噪比（SNR）是表明一个器件的性能的重要特性，也影响它整个系统的性能。

信号分析仪的类型
除了超外差频谱分析仪外，还有几种其它的分析仪体系。

一种很重要的非超外差类型就是傅利叶分析仪：将时域信号数字化、使用数字信号处理工艺进行快速傅利叶变换（FFT），以频域的形式显示该信号。

FFT逼近的一个优势在于它能够测量单脉冲信号。

另一个优势是除了能测量幅度外，还能测量相位。

然而，傅利叶分析仪相对于超外差频谱分析仪也有不足，尤其在频率范围、灵敏度、动态范围方面。

傅利叶分析仪的典型应用是对不超过40MHz的基带信号的分析。

矢量信号分析仪（VSAs）如同傅利叶分析仪一样将时域信号数字化，但是在数字变换器前多
了一个降频变换器，能够进行射频信号测量。

例如：Agilent 8960系列VSA可变范围能达到6GHz，能够提供高速频谱测量，解调，先进的时域分析。

在处理复杂信号如突发、瞬时、调制的信号时（通讯、视频、广播、声纳、超声波成像应用）尤其有用。

当我们定义频谱分析、矢量信号分析二者的显著区别后，数字工艺以及数字信号处理则混淆了二者的界限。

如、重要区分特征是信号在何处被数字化。

在早期，数字转换器被限制在几十KHz一下，仅仅频谱分析仪的视频基带信号被数字化。

由于视频信号不携带相位信息，仅仅幅度数据被显示。

但就是这样有限的应用，对于数字工艺领域也是巨大的进步：慢速扫描无闪烁显示、显示标志、不同的均值、能够将数据输出到电脑及打印机中。

由于人们需要分析的信号越来越复杂，最新一代的频谱分析仪已包含以前仅傅利叶、矢量信号分析仪才有的功能。

分析仪在仪器的输入端附近将信号数字化，然后放大，进行一或两次的降频。

在许多情况下，相位、幅度信息都被保留了下来。

另外对上述情况还有一个好处：可以进行真正的矢量测量。

因此仪器的功能的大小就取决于分析内部的硬件的信号处理能力、仪器本身的软件运行能力，或者与分析仪相连（矢量信号分析软件）的电脑的能力。

图1-7显示了这样的例子。

图中，QPSK信号的点显示成了一个集束，而不是单独的点，通过测试显示出了信号的误差。

我们希望本文能让您很好的认识频谱分析仪，并最大程度的发挥该仪器的功能。

第二章：频谱分析仪的基本组成
本章将专注于频谱分析仪如何工作的基本理论。

如今的工艺已经能够将其中很多的逻辑电路使用现代数字技术替代，但是如同开始那样理解经典频谱分析仪的结构对我们来说也是非常有用的。

在稍候的章节里，我们将看到数字电路带给频谱分析的功能以及优势。

第3张将讨论数字工艺在现代频谱分析仪中的应用。

图2-1为超外差频谱分析仪的简单框图。

外差意味着混频；也就是改变频率。

超的含义是说，超过音频的频率，即频率比音频高。

参照图2-1的块区，我们可见输入信号通过一个衰减器，再通过一个低通滤波器（后面我们将说明滤波器为什么放置在此处），到达混频器。

在混频器，输入信号与本振（LO）信号混频。

由于混频器是非线性器件，它的输出将不但包括两个原始信号，也包括他们的谐波以及原始信号间进行一定运算后的其它频率。

如果混频后的信号属于中频（IF）滤波器的带通范围内，则会被进一步处理（放大，并进行对数化）。

通过包络检波、数字化、显示，得到最终结果。

一个斜坡信号发生器在显示器上产生从左到右的移动。

这个斜坡信号也调整LO，因此本振的频率改变与该斜坡信号电压一致。

如果你对超外差AM收音机很熟悉，则接收普通的AM广播信号的处理过程与图2-1是非常的相似的。

不同之处在于频谱分析仪的输出是显示器（而不是喇叭），且本振信号是电控的，而不是由调频旋钮控制。

频谱分析仪在显示器上输出的是X-Y轴向上的轨迹，我们来分析一下我们可以获得什么信息。

显示器通常在水平与垂直方向各刻了10大等分格栅格。

水平轴从左到右按频率线性增加。

频率的设定分两步进行。

首先通过（中心频率控制设定）校正中心线所在的频率，然后通过（频率范围控制）设定整个10等分的频率扫描范围（宽度）。

这两个控制是互相独立的，因
此如果我们改变中心频点，频率扫描范围（宽度）不会跟着改变。

相应的，我们也可以设定起始、终止频率，以替代设定中心频点、频率扫描宽度。

垂直轴显示的是幅度。

我们可以使用线性电压轴，或者对数轴，单位为dB。

由于对数轴表达的范围更大，因此比线性轴使用更频繁。

对数轴允许同时显示信号变化范围70-100dB（电压比率为3200到100K，功率比率为10M到10G）。

而线性轴显示的信号范围不超过20-30dB （电压比率10-32）。

另外，我们给出栅格的顶线，参考水平，一个绝对的数值，使用每一格的大小来确定在栅格上的其它位置的值的大小。

.....这样，我们能够测量一个信号的绝对值，也能测量任意两个不同信号之间的相对值。

在频率与幅度上的范围校准，注释在显示器上。

图2-2显示的是一个典型的分析仪的显示界面。

现在，将我们的注意转回到图2-1。

RF衰减器
首先分析RF输入衰减器。

衰减器的目的在于确保信号进入混频器的时候处于最优的电平，防止过载、增益失真。

由于衰减器是分析仪的保护电路，通常使用自动设定。

设定的大小基于参考电平。

不过，也可以手动进行衰减设定；最小衰减单位10、5、2、1dB。

下图就是一个衰减器电路示例，最大衰减70dB，衰减步长2dB。

中间的电容模块用于防止分析仪被直流信号或者信号中的直流分量损坏。

不幸的是，电容也衰减低频信号，加大了最低克分析频率：对一些分析仪来说为100Hz，也有些是9KHz。

在某些分析仪中，如图2-3，会加入一个振幅参考信号。

该参考信号提供一个精确的频率以及幅度，用于分析仪的周期性的自我校准。

低通滤波器/预选器
低通滤波器阻挡高频信号到达混频器。

它能阻止带外信号与本振混频而使中频部分产生不期望的响应。

微波频谱分析仪将低通滤波器替换成预选器。

预先器是一个可调的带通滤波器，能够滤除需要获得的信号之外的所有频率成份。

在第7章中，我们更加详细的讨论输入滤波器的操作以效用的。

调节分析仪
我们需要知道如何调节我们的频谱仪到一定的频率范围。

调谐是以下几点的结合：IF滤波器的中心频率，LO的频率范围，以及外界能够到达混频器的频率（允许通过低通滤波器的）。

在所有混频器的产物中，两个幅度最大的信号，也是我们最相获得的，由本振以及输入信号的差或和值频率，与本振、输入信好的频率是不同的。

如果我们通过IF来检测高于或者低于本振频率的信号，调节IF滤波器的通带，使混频后的信号落入带通，被检测到，并在显示器上显示出来。

我们需要调整本振频率、IF频率，产生我们所需要的调谐范围。

假设需要调谐的范围为0-3GHz。

选择好IF频率。

首先设定IF频率为1GHz。

由于该频率在我们想要的调节频率范围内，我们可输入1GHz的信号。

由于混频器的输出也包括原始的输入信号，因此IGHz输入信号将一直存在于混频器以及IF的输出信号中。

无论本振频率如何调节，IGHz的输入信号将始终能通过系统，以一个恒定的值显示在显示器上。

显然这样会产生一个漏洞，我们不能准确的检
测信号，因为幅度响应与本振频率无关。

因此，不可以采用IGHz的中频。

因此，我们选择的中频必须比我们希望测量的最高频率高。

在Agilent频谱仪中，最高可测频率3GHz，中频大约3.9GHz。

记住我们想要调节的范围是0Hz到3GHz。

（实际上，由于前面提到的结构上的原因我们不能从0Hz开始测量，而是从某个比较低的频率开始。

）如果我们设定本振频率从IF频率开始自下而上的调节（即从LO-IF=0Hz开始），至LO与IF差值覆盖所需调节的范围止。

即如下等式：
fsig=fLO-fIF
fsig =信号频率
fLO =本振频率
fIF =中频
如果我们想通过调节LO频率让分析仪测量一个低频，中频，或高频信号（例如1kHz,1.5GHz,或3GHz），则根据公式：
fLO =fsig+ fIF
我们能够得到：
fLO =1kHz+3.9GHz=3.900001GHz,
fLO =1.5GHz+3.9GHz=5.4GHz，
fLO =3GHz+3.9GHz=6.9GHz.
图2-4说明了分析仪如何调节。

在该图中，fLO不能让fLO-fsig的混频成份落在IF的通带内，因此不会在显示器上显示。

如果我们调整斜坡信号发生器使得本振频率更高，混频产物则可能落在IF的通带内，则我们能够在显示器上看见显示。

由于斜坡信号发生器控制轨迹在显示器上的水平位置仪及LO频率，我们可以随着输入信号频率校正显示器上的水平轴。

但是这样做还不够完善。

若输入信号达到8.2GHz，将会怎样呢？由于本振调节范围3.9-7.0GHz，包含了频率4.3GHz,但是对8.2GHz的输入信号，这次将产生另一个混频后能到达IF的频率，而显示在显示器上：
fsig = fLO + fIF
该等式说明采用图2-1结构时，如果不采取措施的话，将对7.8-10.9GHz的输入频率也有响应。

图2-1中的低通滤波器的作用就是阻止那些高频信号进入混频器。

同时我们也需要保证中频信号不进入混频器，如以前说明的，因此该低通滤波器必须对3.9GHz信号进行非常好的衰减，同时也要衰减7.8-10.9GHz。

总之，对于单边带RF频谱分析仪，我们能够使用比需测量信号的最高频率还高的作为IF频率。

我们可以调节本振的频率，从IF频率直到IF+测量上限频率；在混频器前加入低通滤波器以滤除低于IF频率的信号。

为分离频率间隔很小的信号（参见本章后面的“分解信号”部分），某些频谱分析仪使用的中频带宽为1kHz；某些为10Hz，甚至1Hz。

如此窄带的滤波器在中心频率为3.9GHz的时候是难以实现的。

因此，我们使用了更多的混频步骤，典型的为2-4次混频，逐级的将频率降低到最终的IF。

图2-5显示了一个典型频谱分析仪可能采用的IF链路结构。

对于该分析仪，完整的调节等式如下：
fsig=fLO1-(fLO2+fLO3+ffinal IF)
然而，
fLO2+fLO3+ffinal IF
=3.6GHz+300MHz+21.4MHz
=3.9214GHz, 第一中频。

有些时候仅仅归一化为一次IF变频，导出同样的结论。

尽管图中仅仅显示了带通滤波器，实际上在窄带中频部分包含有放大器件。

在最终的IF部分包括一些附加的器件，例如对数放大器，或者模数转换器--根据某些特殊的分析仪的设计有所不同。

大多数频谱分析仪允许本振频率等于或者低于第一中频。

因为在本振以及中频混频器端口之间只有有限的解决方案，本振会从混频器中输出。

当LO=IF，LO信号将被作为一个结果，经系统分析后显示在显示屏上，就象存在0Hz的数如信号一样。

这样的结果，称之为LO反馈贯通，会屏蔽那些频率很低的低频信号。

因此不是所有的分析仪的显示范围包括0Hz.
中频增益
回到图2-1，在框图中，下一个器件是可变增益放大器。

该放大器用于调节信号在显示器上的纵坐标的幅度的。

当IF增益改变时，参考电平值将发生变化，保持显示的信号数值不变。

一般来说，当我们改变输入衰减时，并不希望参考电平变化；因此输入衰减器与IF增益是关联调节的。

若输入衰减发生改变，IF增益也将自动变化，以补偿输入衰减变化产生的影响，保证信号的显示值维持不变。

分解信号
经过中频增益放大器，IF信号将到达模拟/数字分辨带宽滤波器。

模拟滤波器
频率分辨是的一个功能，用于将两个输入正弦信号分离成两个不同的响应。

傅利叶告诉我们，一个正弦波信号只在一个频点拥有能量，因此我们没有任何分辨的困难。

两个信号，无论在频率上如何接近，将在显示器上显示为两根线。

仔细看看我们的超外差接收器，就能明白为什么信号在显示器上的响应有一定的宽度了。

混频器的输出包括了本振与输入信号的差、和值，带通滤波器决定了中频频率，它选择需要的混频产物，阻挡其它的信号。

由于输入信号固定，本振频率可调节，混频器的产物也跟着变化。

如果某个混频产物正好通过IF，则会在显示器上显示轨迹。

如图2-6。

在该链图中，窄带滤波器决定显示带宽，在图2-5的结构中，滤波器中频为21.4MHz。

因此两个信号的间隔必须足够大，否则的话，它们的轨迹靠得太近而看起来就象一个信号。

幸运的是，频谱分析仪有选择滤波器(IF)，因此通常能够区分出两个距离非常近的信号。

Agilent的设计参考书说明，相对于IF滤波器，信号相差3dB带宽的时候，就能够被分辨出来。

这个参数告诉我们两个等幅正弦信号能够被分辨出来的最小间隔。

在此例中，两个信号的峰值间存在一个3dB的谷，如图2-7。

信号的轨迹完全合并前可以靠的很近，但是3dB带宽能够很好的分辨出等幅信号。

（两个信号频率间隔为2倍中频滤波器带宽时，即可被分辨出来。

）
通常我们处理的正弦信号是不等幅的。

小的正弦信号可能完全被淹没在大信号里面。

如图
2-8，整体信号轨迹看起来象一个信号，但是实际上包含两个信号：一个300MHz（0dBm），另一个300.005MHz（-30dBm）。

小信号的轨迹在300MHz的大信号移开后显示了出来。

另一个关于分辨滤波器的规范：带宽选择性（或波形因素）。

带宽选择性决定了不同功率的正弦信号的分辨性。

对于Agilent分析仪，带宽选择性的比率从3dB带宽至60dB带宽，进行了一般性的说明。

如图2-9。

Agilent分析仪的模拟滤波器是四极的，同步调节设计，近似高斯型。

这类滤波器的带宽选择性大约12.7:1。

例如，对于4kHz，30dB，12.7:1的带宽选择性，我们应该应该选怎样的分辨带宽呢？由于在测量小信号的时候我们需要屏蔽大信号，我们不需要关注正个带宽，只需注意从滤波器中心频率到边沿的频率。

为确定在确定频偏处滤波器的边沿下展情况，我们使用如下等式：…….
使用1KHz的分辨带宽滤波器，分辨出了更小的信号。

如图2-10。

数字滤波器
某些频谱分析仪使用数字工艺，以实现它们的分辨带宽滤波器。

数字滤波器能够保证一些重要的特性，例如提高带宽选择性。

Agilent PSA系列频谱分析仪使用的分辨带宽的解决方案都是数字的。

别的分析仪，例如Agilent ESA-E系列，使用混合处理方法，用将模拟滤波器用在宽的带宽上，数字滤波器用在300Hz及以下的带宽。

参见第3章，可以获得更多关于数字滤波器的信息。

FM残留
滤波器带宽并不是唯一影响频谱仪分析结果的因素。

分析仪中，本振的稳定度，尤其第一本振，也会影响结果。

第一本振是一个典型的YIG调节振荡器（可在3-7GHz范围内调节）。

在早期的频谱分析仪设计中，这些振荡器存在FM残留，大约1kHz或者更高。

这种不稳定将传递到任何关于本振与输入信号的混频产物中，无法确定这种不稳定来源于输入信号还是本振。

最小分辨带宽是这样决定的（至少是部分的决定）：第一本振的稳定度。

由于YIG振荡器的FM残留，决定了无论采用什么样的改进措施，此类分析仪的典型最小带宽为1kHz。

然而，现代分析仪能够改进FM残留。

例如，Agilent PSA系列分析仪的FM残留为1-4Hz，ESA系列分析仪为2-8Hz。

这就允许带宽可低至1Hz。

因此现在我们在频谱分析仪上看见的任何不稳定可确定是来源于输入信号。

相位噪声
尽管我们不能够直接的得到频谱仪的本振系统的频率不稳定度，还是观察到本振频率或相位的不稳定的表现。

即相位噪声（有时也称作变带噪声）。

没有振荡器是完全稳定的。

在某些程度上，或多或少的存在着随即噪声对频率及相位调制。

如前面提及的，本振的任何不稳定都将影响到混频产物。

而本振相位-噪声调制边带会影响到显示在显示器上的任何频谱分量，且远在系统的背景噪声之上（图2-11）。

显示的频谱幅度与相位噪声都是本振稳定程度的函数。

本振越稳定，相位噪声越小。

频谱幅度也是分辨带宽的函数。

如果我们减小分辨带宽10倍，显示的相位噪声水平则减小10dB。