是德科技频谱分析基础

是德科技

频谱分析基础

应用指南 150

谨以本应用指南献给是德科技的 Blake Peterson。

Blake 在惠普和是德科技效力 45 年之久，为全球各地的客户提供最出色的技术支持。Blake 长期负责向新入行的市场和销售工程师传授有关频谱分析仪技术的基础知识，以便为他们学习和掌握更高深的技术打下良好的基础。工程师们把他视为频谱分析领域的良师益友和具有突出贡献的技术专家。

Blake 的众多成就包括：

–著作首版《频谱分析基础》应用指南，并参与后继版本的编撰

–帮助推出 8566/68 频谱分析仪，开启现代频谱分析新时代；以及 PSA 系列频谱分析仪，在问世时为业界树立全新性能标杆

–提议创办 Blake Peterson 大学—为是德科技所有新入职的工程师提供必要的技术培训

为了表彰他的出色成就和重要贡献，《Microwaves & RF》杂志将首座 2013 年当代传奇奖

（Living Legend Award）特别授予 Blake。

第 1 章 – 引论 – 什么是频谱分析仪？ (5)

频域对时域 (5)

什么是频谱？ (6)

为什么要测量频谱？ (6)

信号分析仪种类 (8)

第 2 章 – 频谱分析仪原理 (9)

射频衰减器 (10)

低通滤波器或预选器 (10)

分析仪调谐 (11)

中频增益 (12)

信号分辨 (13)

剩余FM (15)

相位噪声 (16)

扫描时间 (18)

包络检波器 (20)

显示 (21)

检波器类型 (22)

取样检波 (23)

（正）峰值检波 (24)

负峰值检波 (24)

正态检波 (24)

平均检波 (27)

EMI 检波器：平均值和准峰值检波 (27)

平滑处理 (28)

时间选通 (31)

第 3 章 – 数字中频概述 (36)

数字滤波器 (36)

全数字中频 (37)

专用数字信号处理集成电路 (38)

其他视频处理功能 (38)

频率计数 (38)

全数字中频的更多优势 (39)

第 4 章 – 幅度和频率精度 (40)

相对不确定度 (42)

绝对幅度精度 (42)

改善总的不确定度 (43)

技术指标、典型性能和标称值 (43)

数字中频结构和不确定度 (43)

幅度不确定度示例 (44)

频率精度 (44)

续

第 5 章 – 灵敏度和噪声 (46)

灵敏度 (46)

本底噪声扩展 (48)

噪声系数 (49)

前置放大器 (50)

噪声作为信号 (53)

用于噪声测量的前置放大器 (54)

第 6 章 – 动态范围 (55)

动态范围与内部失真 (55)

衰减器测试 (56)

噪声 (57)

动态范围与测量不确定度 (58)

增益压缩 (60)

显示范围与测量范围 (60)

邻道功率测量 (61)

第 7 章 – 频率范围扩展 (62)

内部谐波混频 (62)

预选 (66)

幅度校准 (68)

相位噪声 (68)

改善的动态范围 (69)

预选的优缺点 (70)

外部谐波混频 (71)

信号识别 (73)

第 8 章 – 现代信号分析仪 (76)

特殊应用测量 (76)

为什么需要相位信息 (77)

数字调制分析 (79)

实时频谱分析 (80)

第 9 章 – 控制和数据传输 (81)

保存和打印数据 (81)

数据传输和远程仪器控制 (81)

固化软件更新 (82)

校准、故障解决、诊断和修复 (82)

总结 (82)

名词解释 (83)

然而，傅立叶1理论告诉我们，时域中的任何电信号都可以由一个或多个具有适当频率、幅度和相位的正弦波叠加而成。换句话说，任何时域信号都可以变换成相应的频域信号，通过频域测量可以得到信号在某个特定频率上的能量值。通过适当的滤波，我们能将图 1-1 中的波形分解成若干个独立的正弦波或频谱分量，然后就可以对它们进行单独分析。每个正弦波都用幅度和相位加以表征。如果我们要分析的信号是周期信号（正如本书所研究的情况），傅立叶理论指出，所包含的正弦波的频域间隔是 1/T ，其中 T 是信号的周期2

本应用指南介绍了扫描调谐超外差式频谱分析仪的基本原理和频谱分析仪的基础知识并探讨了频谱分析仪功能的新进展。

从最基础的角度考虑，我们可以把频谱分析仪理解为一种频率选择性、峰值检测的电压表，它经过校准之后显示正弦波的有效值。应当强调的是，尽管我们常用频谱分析仪来直接显示功率，但它毕竟不是功率计。当然，只要知道了正弦波的某个值（例如峰值或平均值）和测量这个值时所用的电阻值，就能够校准电压表用来指示功率。数字技术的出现赋予了现代频谱分析仪更多的功能。本指南在介绍了频谱分析仪基本原理的同时也阐述了使用数字技术和数字信号处理技术赋予这类仪器的新功能。

频域对时域

在详细介绍频谱分析仪之前，读者也许会问：“什么是频谱？为何要对它进行分析？”我们已经习惯于用时间作为参照，来记录某时刻发生的事件。这种方法当然也适用于电信号。于是可以用示波器来观察某个电信号（或通过适当传感器能转换成电压的其他信号）的瞬时值随时间的变化，也就是在时域中用示波器观察信号的波形。

第 1 章 引论 — 什么是频谱分析仪？

某些测量场合要求我们考察信号的全部信息 — 频率，幅度和相位，然而，即便不知道各正弦分量间的相位关系，我们也同样能实施许多的信号测量，这种分析信号的方法称为信号的频谱分析。频谱分析更容易理解，而且非常实用，因此本书首先在第 2 章介绍了如何使用频谱分析仪进行信号的频谱分析。

为了正确地从时域变换到频域，理论上必须涉及信号在整个时间范围、即在正负无穷大的范围内的各时刻的值，不过在实际测量时我们通常只取一段有限的时间长度。

1. Jean Baptiste Joseph Fourier ，1768-1830。他提出任何周期信号都可以看做是一系列正弦波和余弦波的叠加。

2. 若时间信号只出现一次，则 T 为无穷大，

在频域中用一系列连续的正弦波表示。

图 1-1. 复合时域信号