2 频谱仪原理与使用_刘波解析
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通过C及Rb计算Eb
Eb=C/Rb 求出Eb/N0
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：相位噪声测量1
间接测量
频谱仪本振相位噪声要优于对被测信 号相位噪声的要求
调整频谱仪中心频率，使被测载波位 于屏幕中心
调整参考电平使被测载波峰值点位于
屏幕顶线
24
频率宽度约为欲测频率偏移量的10倍
中心频率和扫频宽带决定频谱仪观测频率范围
频谱仪中心频率指X轴中心点频率，与观测信号的中心频率相同
频谱仪频率宽度指X轴从最左端（低端）到最右端（高端）对应
的带宽，应略大于观测信号带宽
也可以通过设置起始频率（ Start Frequency ）和终止频率（
10
Stop Frequency ）来设置频谱仪观测频率范围
Rs为调制符号速率）
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：Eb/N0测量2
利用频谱仪直接测量 （设备验收时）
设置频谱仪功率测 量的信道带宽与被 测信道带宽相同
关闭噪声源，打开
频谱仪视频平均，
用频谱仪直接测量
23
信号功率C
关闭信号，打开噪 声源，用频谱仪直 接测量噪声功率密 度N0
对应于不同型号，扫描时间最长可为300s、1500s、乃至4000s
扫描时间越长，在0 span条件下检测电平变化的范围就越大
8
触发方式（Trigger Type）
通常有Free Run, Single, Line, Video, Offset, Delayed, External等 触发方式
选用合适的视频带宽
17
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：频谱观测 单频信号观测4
选用本振相位噪声满足要求的频谱仪
18
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：频谱观测 调制载波观测
选用合适的频率宽度和RBW、VBW及电平刻度
19
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：频谱观测 突发载波观测
中心频率的参考电平以下10dB处 定时按Peak Search，读取并记录光标所对应的功率和频率值 对测试记录作统计处理 频谱仪功率稳定度和频率稳定度应优于被测信号指标
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：Eb/N0测量1
通过测量C/N计算Eb/N0
将Display Line设为On
把光标移到参考电平（Marker to Reference Level)
Delta Marker
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：参数设置（续四）
扫迹（Trace）
频谱仪一般有2～3个扫迹，单通常情况下只用一个扫迹
实时扫描扫迹（Clear Write）
最大值保持扫迹（Max Hold）
Center Frequency =（Start Frequency + Stop Frequency）÷2
Frequency Span = Stop Frequency - Start Frequency
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：参数设置（续一）
参考电平（ Reference Level）和电平刻度（ Scale/Div）
RBW）
包络检波器的输入信号通常由对数放大器压缩信号的动态范围， 并且调整其电平范围
低通滤波器的带宽（视频带宽VBW）影响显示信号频谱的平滑度
现代频谱仪基本都采用高性能微处理器及DSP器件，使频谱仪的 测量功能得到大大提高
2006卫星通信工程师培训
二、频谱仪工作原理：主要性能指标
频率范围（Frequency Range）
（n为电平刻度数）
输入衰减（Input Attenuation)
对保护频谱仪输入级非常重要，强烈建议设置成自动调整方式
输入衰减越大，频谱仪底噪声电平越高
在确定输入信号电平足够小（全频段电平）时，把输入衰减设为0dB 可提高观察微弱信号的能力
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：参数设置（续二）
最大输入信号电平（Maximum Safe Input Level）
主要由输入衰减器、放大器决定
一般分最大连续功率和最大脉冲功率
输入信号电平超过最大输入信号电平时，会损坏频谱仪
平均显示噪声电平（Displayed Average Noise Level）
决定频谱仪能显示的最小信号电平，有时也称“灵敏度”
最小值保持扫迹（Min Hold）
14
观测突发信号时，常用最大值保持扫迹
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：频谱观测 单频信号观测1
选用合适的RBW
15
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：频谱观测 单频信号观测2
选用合适的扫描时间
16
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：频谱观测 单频信号观测3
扫描时间过短会导致观测到的信号电平降低、频率右移
扫描方式（Sweep）
连续扫描（Continus Sweep）
单次扫描（Single Sweep）
Display Line
13
便于测量一定带宽的信号电平时
光标（Marker）
寻找最大值（Peak Search）
把光标移到中心频率（Marker to CF）
用旋钮调整Display Line，使之与载波峰值相重合，并读取相应的电平值 ，该值为C＋N
继续调整Display Line，使之与底噪声相重合，并读取相应的电平值，该 值为N
从（C+N)/N计算出C/N
22
利用C/N计算Eb/N0
C/N= C0/N0 Eb=C0×Rs/Rb Eb/N0 =(C/N) ×(Rs/Rb ) （Rb为信息速率
全国广播电视卫星通信工程师培训班
频谱仪原理与使用
刘波 副教授 南京通信工程学院
2006年9月 南京 国家广播电视安全播出调度中心 南京通信工程学院
1
一、频谱仪简介：为什么要用频谱仪
卫星通信信号频率很高（数十兆赫到十几吉赫）、幅度很小（接 收信号经放大后通常仅几毫伏甚至更低）不便用示波器观测。
利用频谱仪最大值保持功能
20
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：单载波的功率和稳定度测量
单载波功率测量：
适当调整Center Frequency、Span、Reference Level和RBW，使载波的峰 值落在显示范围内
按Peak Search，读出光标的功率值PMarker 计算载波功率
6
视频带宽（Video Bandwidth － VBW）
选择较窄的视频带宽，可以得到较为平滑的谱线
本振相位噪声（LO Phase Noise）
由本振频率合成器决定
决定测量单频信号相位噪声的下限
影响能观测到的多频、窄带信号的电平范围
2006卫星通信工程师培训
二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续一）
分辨带宽（RBW）
通常由频谱仪根据频率宽度自动设置
观察调制载波时，RBW通常应小于信号带宽的十分之一
观察单频信号时，宽的RBW容易漏掉单频信号附近的低电平信号
RBW越窄，扫描时间越长
视频带宽（VBW）和视频平均
通常与RBW保持某一比例（该比例可手动改变），由频谱仪自动设置
在混频器中，输入信号与本振混频，得到中频信号
本振信号一般由频率合成器产生，可在某一范围内扫描
中频放大器及衰减器对混频器输出中频信号的电平进行调整
中频带通滤波器选出中频信号
中频放大器及滤波器常采用多级级联，中频带宽由最后一级滤波
5
器带宽决定。该带宽可以受控改变，且决定频谱仪的分辨带宽（
卫星通信频带内通常有多个不同频率的调制载波同时存在，且在 信号上叠加有相当大的噪声，示波器无法观测。
对信号的微小失真，从时域有时很难观测。
2
对卫星通信信号通常用频谱仪在频域进行观测，而不是用示波器 在时域进行观测。
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一、频谱仪简介：功能与用途
与在时域上显示电压变化的示波器不同，频谱仪可在频域上显 示功率变化
参考电平为频谱仪Y轴方向最上端对应的电平
电平刻度为频谱仪Y轴方向每格代表的电平分贝数（Y轴以对数方式 显示时）
调整参考电平时，应使观测信号最大电平不超过参考电平
调整电平刻度时，应使所关心的信号电平变化显示比较明显，或所关
心的电平范围能在频谱仪上显示出来
11
功率显示值 = Reference Level – Scale/Div * n
需要观测特定时间的信号频谱时，应选择适当的触发方式
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二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续三）
其它测试功能
调制分析
噪声系数测试
发射损耗测试
EMI测试
9
其它使用性能
频谱存储、打印、输出
编程、遥控
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三、频谱仪使用：参数设置
中心频率（Center Frequency）和频率宽度（Frequency Span ）
12
窄的VBW可减小噪声及信号的随机起伏，使显示频谱越光滑，同时扫描时 间越长
当被观测信号的信噪比较低时，窄的VBW可使故测信号显示得更明显
视频平均与很窄得视频带宽效果基本相同
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三、频谱仪使用：参数设置（续三）
扫描时间（Sweep Time）
通常由频谱仪根据频率宽度、RBW和VBW自动设置
影响三阶互调失真测量范围
扫描点数（Sweep Points）
扫描点数为显示屏在水平方向上的取样点数量
扫描点数越多，在水平轴上的显示精度就越高
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二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续二）
扫描时间（Sweep Time）
频谱仪X轴方向扫描一次所用时间
扫描时间与观测频率宽带（Span）、RBW、VBW；Span越宽、 RBW和VBW越窄、扫描时间越长。扫描时间通常由频谱仪自动 设置
PCW = PMarker + AttnCoupler + AttnSA 式中，AttnCoupler为测试端口到频谱仪输入端口之间的耦合衰减与电缆损 21 耗之和，AttnSA为频谱仪输入衰减值
单载波的功率和频率稳定度测量：
适当调整频谱仪设置，使载波的峰值落在显示范围内 按Marker→CF，Marker→Ref Lvl，以及向上按键，使载波的峰值落在
频谱仪RBW设为频率偏移量的1/10
调整频谱仪VBW，使噪声频谱比较光滑Βιβλιοθήκη 从频谱仪读出单边噪声密度L
计算该频率偏移量的相位噪声密度
相位噪声＝L＋1.7－10log（RBW）
（单位dBc/Hz)
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三、频谱仪使用：相位噪声测量2
主要由输入预选器、本振和混频器频率范围决定
决定频谱仪能观测信号的频率范围
分辨带宽（Resolution Bandwidth － RBW）
由中频滤波器或数字滤波器带宽决定
分辨带宽越宽，滤波器稳定时间越短，可提供较快的测量；分辨带 宽越窄，具有更高的频率分辨力和更低的噪声电平
频率准确度和稳定度（ Frequency Accuracy & Stability）
频谱仪的水平坐标为频率轴，垂直坐标为功率轴 频谱仪主要用于观测和记录某个指定频段内的信号频谱
通过对信号的频谱观测，可
3
以了解信号在频域的分布情况
以及信号的质量
通过对某部件输入、输出信
号频谱的测量，得到部件的技
术指标
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二、频谱仪工作原理：原理框图
4
频谱仪的原理框图如上图所示
分辨带宽越窄，平均显示噪声电平越小
频响（Frequency Response）
7
影响宽带信号测量结果
幅度准确度（Amplitude Accuracy）
二次谐波失真（Second Harmonic Distortion）
影响二次谐波失真测试范围
三阶互调失真（Third Order Intermodulation Distortion）
输入信号经由衰减器和滤波器，被送到混频器 混频器的本振频率通常为周期性的扫频信号 混频输出经过中频放大、带通滤波、对数放大、包络检波及视频滤波，被
送到显示器的Y轴 扫描信号发生器在控制本振频率扫频的同时，控制显示器X轴扫描
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二、频谱仪工作原理：工作原理
输入衰减器和滤波器（预选器）限制送给混频器的信号电平和带 宽，保证混频器正常工作
Eb=C/Rb 求出Eb/N0
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三、频谱仪使用：相位噪声测量1
间接测量
频谱仪本振相位噪声要优于对被测信 号相位噪声的要求
调整频谱仪中心频率，使被测载波位 于屏幕中心
调整参考电平使被测载波峰值点位于
屏幕顶线
24
频率宽度约为欲测频率偏移量的10倍
中心频率和扫频宽带决定频谱仪观测频率范围
频谱仪中心频率指X轴中心点频率，与观测信号的中心频率相同
频谱仪频率宽度指X轴从最左端（低端）到最右端（高端）对应
的带宽，应略大于观测信号带宽
也可以通过设置起始频率（ Start Frequency ）和终止频率（
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Stop Frequency ）来设置频谱仪观测频率范围
Rs为调制符号速率）
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三、频谱仪使用：Eb/N0测量2
利用频谱仪直接测量 （设备验收时）
设置频谱仪功率测 量的信道带宽与被 测信道带宽相同
关闭噪声源，打开
频谱仪视频平均，
用频谱仪直接测量
23
信号功率C
关闭信号，打开噪 声源，用频谱仪直 接测量噪声功率密 度N0
对应于不同型号，扫描时间最长可为300s、1500s、乃至4000s
扫描时间越长，在0 span条件下检测电平变化的范围就越大
8
触发方式（Trigger Type）
通常有Free Run, Single, Line, Video, Offset, Delayed, External等 触发方式
选用合适的视频带宽
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三、频谱仪使用：频谱观测 单频信号观测4
选用本振相位噪声满足要求的频谱仪
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三、频谱仪使用：频谱观测 调制载波观测
选用合适的频率宽度和RBW、VBW及电平刻度
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三、频谱仪使用：频谱观测 突发载波观测
中心频率的参考电平以下10dB处 定时按Peak Search，读取并记录光标所对应的功率和频率值 对测试记录作统计处理 频谱仪功率稳定度和频率稳定度应优于被测信号指标
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三、频谱仪使用：Eb/N0测量1
通过测量C/N计算Eb/N0
将Display Line设为On
把光标移到参考电平（Marker to Reference Level)
Delta Marker
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三、频谱仪使用：参数设置（续四）
扫迹（Trace）
频谱仪一般有2～3个扫迹，单通常情况下只用一个扫迹
实时扫描扫迹（Clear Write）
最大值保持扫迹（Max Hold）
Center Frequency =（Start Frequency + Stop Frequency）÷2
Frequency Span = Stop Frequency - Start Frequency
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三、频谱仪使用：参数设置（续一）
参考电平（ Reference Level）和电平刻度（ Scale/Div）
RBW）
包络检波器的输入信号通常由对数放大器压缩信号的动态范围， 并且调整其电平范围
低通滤波器的带宽（视频带宽VBW）影响显示信号频谱的平滑度
现代频谱仪基本都采用高性能微处理器及DSP器件，使频谱仪的 测量功能得到大大提高
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二、频谱仪工作原理：主要性能指标
频率范围（Frequency Range）
（n为电平刻度数）
输入衰减（Input Attenuation)
对保护频谱仪输入级非常重要，强烈建议设置成自动调整方式
输入衰减越大，频谱仪底噪声电平越高
在确定输入信号电平足够小（全频段电平）时，把输入衰减设为0dB 可提高观察微弱信号的能力
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三、频谱仪使用：参数设置（续二）
最大输入信号电平（Maximum Safe Input Level）
主要由输入衰减器、放大器决定
一般分最大连续功率和最大脉冲功率
输入信号电平超过最大输入信号电平时，会损坏频谱仪
平均显示噪声电平（Displayed Average Noise Level）
决定频谱仪能显示的最小信号电平，有时也称“灵敏度”
最小值保持扫迹（Min Hold）
14
观测突发信号时，常用最大值保持扫迹
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：频谱观测 单频信号观测1
选用合适的RBW
15
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三、频谱仪使用：频谱观测 单频信号观测2
选用合适的扫描时间
16
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三、频谱仪使用：频谱观测 单频信号观测3
扫描时间过短会导致观测到的信号电平降低、频率右移
扫描方式（Sweep）
连续扫描（Continus Sweep）
单次扫描（Single Sweep）
Display Line
13
便于测量一定带宽的信号电平时
光标（Marker）
寻找最大值（Peak Search）
把光标移到中心频率（Marker to CF）
用旋钮调整Display Line，使之与载波峰值相重合，并读取相应的电平值 ，该值为C＋N
继续调整Display Line，使之与底噪声相重合，并读取相应的电平值，该 值为N
从（C+N)/N计算出C/N
22
利用C/N计算Eb/N0
C/N= C0/N0 Eb=C0×Rs/Rb Eb/N0 =(C/N) ×(Rs/Rb ) （Rb为信息速率
全国广播电视卫星通信工程师培训班
频谱仪原理与使用
刘波 副教授 南京通信工程学院
2006年9月 南京 国家广播电视安全播出调度中心 南京通信工程学院
1
一、频谱仪简介：为什么要用频谱仪
卫星通信信号频率很高（数十兆赫到十几吉赫）、幅度很小（接 收信号经放大后通常仅几毫伏甚至更低）不便用示波器观测。
利用频谱仪最大值保持功能
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三、频谱仪使用：单载波的功率和稳定度测量
单载波功率测量：
适当调整Center Frequency、Span、Reference Level和RBW，使载波的峰 值落在显示范围内
按Peak Search，读出光标的功率值PMarker 计算载波功率
6
视频带宽（Video Bandwidth － VBW）
选择较窄的视频带宽，可以得到较为平滑的谱线
本振相位噪声（LO Phase Noise）
由本振频率合成器决定
决定测量单频信号相位噪声的下限
影响能观测到的多频、窄带信号的电平范围
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二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续一）
分辨带宽（RBW）
通常由频谱仪根据频率宽度自动设置
观察调制载波时，RBW通常应小于信号带宽的十分之一
观察单频信号时，宽的RBW容易漏掉单频信号附近的低电平信号
RBW越窄，扫描时间越长
视频带宽（VBW）和视频平均
通常与RBW保持某一比例（该比例可手动改变），由频谱仪自动设置
在混频器中，输入信号与本振混频，得到中频信号
本振信号一般由频率合成器产生，可在某一范围内扫描
中频放大器及衰减器对混频器输出中频信号的电平进行调整
中频带通滤波器选出中频信号
中频放大器及滤波器常采用多级级联，中频带宽由最后一级滤波
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器带宽决定。该带宽可以受控改变，且决定频谱仪的分辨带宽（
卫星通信频带内通常有多个不同频率的调制载波同时存在，且在 信号上叠加有相当大的噪声，示波器无法观测。
对信号的微小失真，从时域有时很难观测。
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对卫星通信信号通常用频谱仪在频域进行观测，而不是用示波器 在时域进行观测。
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一、频谱仪简介：功能与用途
与在时域上显示电压变化的示波器不同，频谱仪可在频域上显 示功率变化
参考电平为频谱仪Y轴方向最上端对应的电平
电平刻度为频谱仪Y轴方向每格代表的电平分贝数（Y轴以对数方式 显示时）
调整参考电平时，应使观测信号最大电平不超过参考电平
调整电平刻度时，应使所关心的信号电平变化显示比较明显，或所关
心的电平范围能在频谱仪上显示出来
11
功率显示值 = Reference Level – Scale/Div * n
需要观测特定时间的信号频谱时，应选择适当的触发方式
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二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续三）
其它测试功能
调制分析
噪声系数测试
发射损耗测试
EMI测试
9
其它使用性能
频谱存储、打印、输出
编程、遥控
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三、频谱仪使用：参数设置
中心频率（Center Frequency）和频率宽度（Frequency Span ）
12
窄的VBW可减小噪声及信号的随机起伏，使显示频谱越光滑，同时扫描时 间越长
当被观测信号的信噪比较低时，窄的VBW可使故测信号显示得更明显
视频平均与很窄得视频带宽效果基本相同
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三、频谱仪使用：参数设置（续三）
扫描时间（Sweep Time）
通常由频谱仪根据频率宽度、RBW和VBW自动设置
影响三阶互调失真测量范围
扫描点数（Sweep Points）
扫描点数为显示屏在水平方向上的取样点数量
扫描点数越多，在水平轴上的显示精度就越高
2006卫星通信工程师培训
二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续二）
扫描时间（Sweep Time）
频谱仪X轴方向扫描一次所用时间
扫描时间与观测频率宽带（Span）、RBW、VBW；Span越宽、 RBW和VBW越窄、扫描时间越长。扫描时间通常由频谱仪自动 设置
PCW = PMarker + AttnCoupler + AttnSA 式中，AttnCoupler为测试端口到频谱仪输入端口之间的耦合衰减与电缆损 21 耗之和，AttnSA为频谱仪输入衰减值
单载波的功率和频率稳定度测量：
适当调整频谱仪设置，使载波的峰值落在显示范围内 按Marker→CF，Marker→Ref Lvl，以及向上按键，使载波的峰值落在
频谱仪RBW设为频率偏移量的1/10
调整频谱仪VBW，使噪声频谱比较光滑Βιβλιοθήκη 从频谱仪读出单边噪声密度L
计算该频率偏移量的相位噪声密度
相位噪声＝L＋1.7－10log（RBW）
（单位dBc/Hz)
2006卫星通信工程师培训
三、频谱仪使用：相位噪声测量2
主要由输入预选器、本振和混频器频率范围决定
决定频谱仪能观测信号的频率范围
分辨带宽（Resolution Bandwidth － RBW）
由中频滤波器或数字滤波器带宽决定
分辨带宽越宽，滤波器稳定时间越短，可提供较快的测量；分辨带 宽越窄，具有更高的频率分辨力和更低的噪声电平
频率准确度和稳定度（ Frequency Accuracy & Stability）
频谱仪的水平坐标为频率轴，垂直坐标为功率轴 频谱仪主要用于观测和记录某个指定频段内的信号频谱
通过对信号的频谱观测，可
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以了解信号在频域的分布情况
以及信号的质量
通过对某部件输入、输出信
号频谱的测量，得到部件的技
术指标
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二、频谱仪工作原理：原理框图
4
频谱仪的原理框图如上图所示
分辨带宽越窄，平均显示噪声电平越小
频响（Frequency Response）
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影响宽带信号测量结果
幅度准确度（Amplitude Accuracy）
二次谐波失真（Second Harmonic Distortion）
影响二次谐波失真测试范围
三阶互调失真（Third Order Intermodulation Distortion）
输入信号经由衰减器和滤波器，被送到混频器 混频器的本振频率通常为周期性的扫频信号 混频输出经过中频放大、带通滤波、对数放大、包络检波及视频滤波，被
送到显示器的Y轴 扫描信号发生器在控制本振频率扫频的同时，控制显示器X轴扫描
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二、频谱仪工作原理：工作原理
输入衰减器和滤波器（预选器）限制送给混频器的信号电平和带 宽，保证混频器正常工作