频谱仪基础

一：我们最常见的频谱分析仪的测量是：调制信号，失真和噪声。

调制信号测量质量对于判断你的系统是否合理的工作，你要传送的信息是否正确的传递具有重要的意义。

了解频谱内容是非常重要的，尤其是对通信中的带宽非常窄的信号。

传递过程中消耗的功率（比如说：无线系统中信道的衰减大小）的大小对于通信系统来说是另一个重要的因素。

还有很多常见的需要测量的因素：调制程度，边带幅值，调制质量和占用带宽。

在通信系统中，失真的测量无论对于发射机还是对于接收机都是至关重要的。

发射机输出端的过多的谐波失真干扰其他通信信道。

接收机的前置放大电路必须过滤掉交调失真，以免信号产生串扰。

举个例子：有线电视信号产生互调后，会减少电缆所能承载的信道数，并且会干扰这个电缆上的其他信道。

常见的失真测量包括：交调，谐波和杂散辐射。

噪声是经常需要测量的。

任何有源电路或者设备都会产生噪声。

诸如噪音频谱图和信噪比这些测量对于表征设备的性能是非常重要的，并且可以得到这个设备的噪声对整个系统噪声的贡献度。

二：传统上，如果你想观察一个电信号，你通常会选择示波器来看它的时域信号。

这是非常重要的信息，但这却不能告诉你信号的所有内容。

为了了解你这个系统的性能，你还需要去知道信号的频域信息。

这是一个信号幅度随着频率变化的图形。

频谱仪是用来从频域上分析信号的，而示波器是从时域上分析信号的。

（需要指出的是，如果把频谱仪的SPAN设置为0，那么频谱仪也可以像示波器一样从时域上分析信号。

）图1：信号时域与频域分析图上图显示了信号的时域与频域信息。

在时域，所有频率成分的信号加起来再显示。

在频域，复杂信号（不止一个频率组成的信号）根据他们的频率成分被分开。

并在各自的频率点上显示出来。

频域测量有几个独特的优势。

比如，我们说你在示波器上看到的仅仅是一个正弦波而已。

一个纯粹的正弦波没有谐波失真。

如果你从频谱仪上观察这个信号，你会发现，实际上这个信号是由几个频率的正弦波组成的。

在示波器上无法明显展示的信息能从频谱仪上清楚地看出来。

一些系统必须从频域上才能进行分析。

比如一些滇西系统使用了频分多址（FDMA）和频分复用（FDM）技术。

在这些系统中，不同的用户被分配了不同的频带来传送和接收信号，比如蜂窝电话。

广播电台也使用了频分复用技术，每一个电台在给定的地理区域内占用一个特定的频带。

为了确保没有一个信道的信号干扰了临近信道上的电台或者用户，这些系统必须从频域上加以分析。

稍后我们会看到，如何应用频谱仪见效测量贷款的这个能力来大量的减少噪声。

通过频谱仪，我们可以轻松地对频带，能量，谐波含量，调制，毛刺，噪声加以测量。

鉴于频谱仪测量这些成分的能力，我们可以看到谐波失真，占用带宽，信号稳定度，输出功率，互调失真，信噪比和其他主要的因素的测量。

三：既然我们已经知道了频谱仪的重要性，让我们看一下拥有测量射频信号能力的不同种类的频谱仪吧。

这是根据我们进行频谱测量的两种方法来区分的：傅里叶转换和扫频调谐。

图2：傅里叶频谱仪傅里叶频谱仪是先对一个时域信号进行数字化，然后通过数学公式把它转化为频域的形式，最后显示在频谱仪上。

这就像这个分析仪通过同时进行平行滤波器从整个频率范围内观察这个信号。

它实际上捕获了包含所有信号频域信息的时域信息。

借助于实时的信号分析能力，傅里叶频谱仪可以测量周期的、随机的和瞬态的事件。

它的速度比传统的扫频式频谱仪有了很大的提升，而且它不但可以检测出相位，还可以测量相位的大小。

然而，它确实还有自己的一些局限性：尤其是在频率范围，灵敏度和动态范围上。

我们会在以后的章节中讲到这些因素是什么，它们为什么这么重要。

随着数模转化器和数字信号处理技术的提升，傅里叶频谱仪越来越普遍。

一旦所需要的定制的，非常耗电的硬件电路被商业现成的DSP芯片（这些芯片一年比一年小，一年比一年快）所控制，傅里叶频谱仪就会更加的普遍。

这种频谱仪在性能上比传统的频谱仪要高得多，但是价格也偏贵。

四：最普遍的频谱仪还是扫频调谐的。

它是被广泛接受的，频域测量的通用工具。

这项被广泛应用的技术就是超外差（superheterodyne）。

外差（Heterodyne）也就是混合，也就是说转换为频率。

超（super）是指超音速频率。

非常基础地，这些频谱仪扫描过它所感兴趣的频率范围，然后展示出来。

下一节我们可以看到这样的工作是怎样完成的。

这扫频调谐频谱仪非常像家里的调幅（AM）收音机，只是用数字控制调节代替手动控制，用显示屏代替扩仪音器。

图3：扫频调谐频谱仪这种扫频调谐频谱仪使在一个大的动态范围内，一个很宽的频带内的测量变为可能，因此它也为无数个应用的频域信号的分析作出了巨大的贡献，尤其是对微波通信链路，雷达，电信设备，有线电视系统和广播设备，移动通信系统，电磁干扰诊断测试，组件测试以及信号监视有着不可估量的贡献。

在接下来的章节里，我们所指的频谱仪就是扫频调谐式频谱仪。

这就是我们要详尽的学习的一款频谱仪。

五：在以上的内容介绍中，有可能你会想象到这个分析仪由一个能扫描它所感兴趣的频段的带通滤波器组成。

如果输入信号的带宽是1MHz，那么这个频谱仪就会扫描过这1MHz，然后把它显示出来。

尽管这个理论是成立的，但是去扫描过一个很宽的频带是非常困难而且造价很高的。

一个更加容易而且造价更低的方案就是保持带通滤波器不变，而用一个频率可调的本振来调节频率。

当我们知道了更多内容时，我们会了解这一点是怎样做到的。

我们把输入信号被这个固定的带通滤波器扫描，在信号被扫描过去的同时，信号就被显示在屏幕上。

如果现在你感到比较困惑，请不要不要担心，当我们用框图来解释时，一切会变得比较清楚。

下面我们进一步解释频谱仪是怎样工作的。

六：主要的组件频谱分析仪的主要组成部分就是：射频衰减器（RF input attenuator），变频器（mixer），中频增益（IF gain），中频滤波器（IF filter），检波器（detector），视频滤波器（video filter），本振（local oscillator），扫描斜波发生器（sweep generator）和LCD显示屏（LCD display）。

在我们知道这些组件是如何一起工作之前，我们先要单独的了解一下各个组件。

七：变频器（mixer）我们先从变频器（mixer）开始。

变频器是一个三口的设备，它将信号的频率改变为另一个频率。

图4：扫频调谐频谱仪的内部结构图我们把输入信号放在一个端口上，把本振信号放在另一个端口上。

有定义我们可以知道，变频器是一个非线性的设备，它的输出有着与输入不同的频率的信号。

输出的信号频率有原始信号的频率，本振信号频率，本振信号加减原始信号频率。

频谱仪感兴趣的正是这些新产生的频率。

我们把这个信号称为中频信号（IF signal）。

八：中频滤波器（IF filter）中频滤波器（IF filter）是一个带通滤波器，用来作为检测信号的一个窗口。

它的带宽又称为频谱仪的分辨率带宽（RBW），它的值可以通过频谱仪前面的操作面板改变。

通过提供一个大范围的RBW的设置空间，使得分析仪可以优化扫描和信号条件，使得测试人员可以选择一个合适的频率范围，信噪比（SNR）和测试速度。

图5：频率选择性与RBW从上图可以看出，当RBW变窄时，频率选择性变高。

这样也常常会提高信噪比。

然而，扫描速度和跟踪更新速率会随着RBW的变窄而变慢。

最佳的RBW设定值很大程度上决定于系统所感兴趣的信号的情况。

九：检波器频谱仪会把中频信号转化为基频或者低频信号，从而使得信号可以被数字化，进而在频谱仪的显示屏上显示出来。

这一步是通过一个包络检波器完成的，而且它的输出被一个模数转换器（ADC）数字化。

数模转换器（ADC）的数字化输出被显示在显示屏上的Y轴，也即信号的幅度。

当今有着几种检波方式，使得屏幕上显示的信号不大相同。

视频检波方式：正峰值检波，负峰值检波，抽样检波和ROSENFELL检波。

在正峰值检波模式中，我们只取最大值；然而在负峰值检波中，我们只取最小值。

正峰值检波常常用在正弦波信号上，而对于噪音信号则不大适用，这是因为它不能显示出噪声的随机性。

在抽样检波中，每一次抽样都会得到这个时刻的信号绝对值。

它非常适用于噪声信号和类噪声信号。

对于一个突发或者窄频信号，抽样检波不大适用，这是因为它会丢失所感兴趣的信号。

当同时显示噪声与有用信号时，最好的检波方式是ROSENFELL检波模式。

这个模式会根据输入信号的不同而做出改变。

比如，这个信号在一个抽样间隔内既有上升也有下降，它就假定这是噪声并且用正峰值检波和负峰值检波来检测。

如果信号持续上升，则他就是用正峰值检波方式。

补充：抽样检波方式是在每个进程中的固定时刻对信号的瞬时值进行数字化，他很好的表现出了噪音信号的随机性。

当一个频率的步进大于分辨率带宽时，通过带宽的信号不一定恰好被采集到，由于扫描的重复性，显示信号会表现为幅度的上下跳动，或丢失信号。

所以，抽样检波方式适用于噪声而不适用于连续波信号。

峰值检波可以避免上述问题，它可以将一个进程中的最大或最小值显示。

它运用了峰值保持电路，一个进程后对峰值保持电路进行复位，以便下一个进程进行有效的工作。

只保持最大值的叫做正峰值检波，只保持最小值的叫做负峰值检波。

峰值检波是大多数频谱仪所提供的标准的或者必备的显示方式，它的显著特点是不丢失信号。

然而在噪声测量方面，他只能检测到噪声的峰值，不能很好地表现出噪音的随机性。

为了尽量达到抽样检波方式那样对随机噪声提供的测量以及显示效果，又要像峰值检波方式那样不丢失信号，应采用ROSENFELL检波模式。

它同时借助于正峰值检波方式和负峰值检波方式的测量结果，运用一定的算法，用正峰值或者负峰值得到的数据作为检测结果。

ROSENFELL检波方法可能会引起所要显示的峰值右移一个进程，不过这种频差较小。

ROSENFELL检波方式继承了峰值检波方式不丢失信号的特点，又能较好地描述噪声信号的随机性。

十：视频滤波器视频滤波器是一个低通滤波器，它位于包络检波器后，在模数转换器前。

视频滤波器决定了视频放大器的带宽，它的作用就是来平均和平滑屏幕上显示的曲线。

频谱仪显示的是信号+噪声的形式，所以信号的形状类似与噪声，噪声功率越大，信号越难以读取。

通过改变可视带宽的值，我们可以减少噪声峰峰值的变化。

这种对信号加以平滑的方式可以帮助我们发现信号，否则信号可能被噪声所遮蔽。

十一：其他主要组件（1）本振：本振（LO）一般是一个压控振荡器。

扫描斜波发生器就是通过输入的斜波电压来调节本振的频率输出。

ADC产生的抽样脉冲也要与扫描谐波发生器同步，用来建立频域的X轴。

由于本振与输入信号的关系是确定的，所以显示屏上的横轴可以根据输入信号的频率来校准。

射频输入衰减器（RF input attenuator）位于输入连接器和第一个变频器之间。