频谱分析仪技术基础

频谱分析仪技术基础

频谱分析仪技术基础议题阐述频谱分析仪测量的主要应用介绍频谱分析仪内部结构及工作原理说明频率分辨率、灵敏度和动态范围等重要指标在分析仪测量中的重要作用针对PHS测试简述注意事项要达到的学习目标熟练应用频谱分析仪了解频谱分析仪结构原理了解频谱分析仪性能指标掌握PHS测试频谱分析仪参数设置频谱分析仪应用从事通信工程的技术人员在很多时候需要对信号进行分析针对不同观察域分别用示波器、频谱分析仪和矢量分析仪观察信号示波器只能观察信号的幅度、周期和频率但频谱分析仪还可以分析信号的频率分布信息、频率、功率、谐波、杂波、噪声、干扰和失真而矢量分析仪可以在频谱分析仪基础上分析数字调制信号调制质量频域和时域早期的信号观察主要依赖示波器在时域内观察信号傅立叶变换告诉我们：任何时域内电信号都是由一个或多个不同频率、不同幅度和不同相位的正弦波组成的但应用示波器无法观察到频域内信息只能在时域内观察应用频域测量就能以频谱的形式显示出每个正弦波的幅度随频率变化的情况下图是信号在时域和频域内观察的结果由此可以清楚看出信号在频域观察的必要性：时域得到的是信号的波形信息不能测量混合信号如果存在干扰或失真信号在时域上无法区分有用信号和无用信号在频域上可以准确地测量有用信号和无用信号的各种参数时间频谱分析仪结构及原理频谱分析仪的类型频谱分析仪主要有傅立叶频谱分析仪和超外差式频谱分析仪FFT频谱分析仪：被分析的信号通过模数转换器采样变成离散信号采样值被保存在一

个存储器中经过离散FFT变换计算计算出信号的频谱FFT频谱分析仪不足之处：FFT分析仪不适合脉冲信号的分析而且由于AD转换器速度的限制FFT分析仪仅适合测量低频信号超外差频谱分析仪这种频谱分析仪对输入信号的分析并不是从时间特性计算得来的而是由频域分析直接决定的。

对于这样的分析必须把输入频谱分成各个独立的部分。

可调带通滤波器就是为此目的而使用的超外差频谱分析仪内部结构如下图滤波器频率基准对数放大器RF输入衰减器混频器IF滤波器检波器视频滤波器本地振荡器扫频发生器IF增益输入显示原理分析信号分析过程如下：被测信号经过滤波和衰减后和LO信号进入混频器混频转换成中频信号因为LO频率可变所以输入信号都可以被转换成固定中频经放大后进入中频滤波器（中心频率固定）然后进入一个对数放大器对中频信号进行压缩然后进行包络检波所得信号即视频信号为了平滑显示在包络检波之前通过可调低通滤波器即视频滤波视频信号在阴极射线管内垂直偏转即显示出在信号的幅度同时由于显示的频率值是扫频发生器电压值的函数所以对应被测信号的频率值于是被测信号的信息显示在LCD上下面将对频谱分析仪每个独立部件的工作原理和相互之间的作用做详细说明低通滤波器低通滤波器的主要作用是抑制镜像频率。

下图是低中频频谱分析仪输入频率与镜像频率范围的关系如果输入频率范围大于IF则两频率范围会重叠,所以要求输入滤波器在不影响主信号的情况下抑制镜像抑制LOIMRFIFLO如果使用可调谐带通

滤波器以抑制镜像频率则由于较宽的调谐范围使滤波器极为复杂所以采用高的第一中频使问题简化这种配置下镜像频率位于输入频率范围之上由于两个频率范围不会重叠故可利用低通滤波器抑制镜像频率三者范围关系如下图LORFIMIF衰减器衰减器主要有三个作用保护频谱仪不受损坏：测量高电平信号时为了不烧坏频谱分析仪必须对信号进行衰减提高测试的准确性：混频器是非线性器件当混频器输入信号电平较高时输出会产生许多产物而且电平太高会干扰测试结果使无互调范围减小当输入信号电平在混频器dB压缩点以上时测试结果会不准确提高频谱仪动态范围：通过设置步进衰减器调节进入混频器的电平可以得到较大的动态范围混频器混频器的作用就是将输入高频信号转换成中频信号由于混频器是非线性器件输出会有很多频率成分：但我们需要的是混频方式有两种：基波混频和谐波混频基波混频是输入信号的基波混频而谐波混频是通过本振信号的谐波来混频谐波混频会造成相对高的转换损耗混频器对输入RF小信号而言是线性网络当输入信号幅度逐渐增大时就存在着非线性失真问题所以输入信号的幅值应低于频谱分析仪的dB压缩点中频放大器输入信号经过了前置衰减器电平降低为了恢复信号幅值补偿输入衰减器的变化在混频后对中频信号进行放大在放大有用信号的同时噪声和干扰信号也被同时放大中频滤波器中频信号经放大后然后经过中频滤波器中频滤波器是一个带通滤波器它选出需要的混频分量抑制掉其他不需要的信号。

中频滤波器的带宽决定了频谱分析仪的RBW范围根据频谱分析

仪类型不同中频滤波器有模拟滤波器、数字滤波器和FFT滤波器模拟滤波器模拟滤波器用来实现大的分辨率带宽。

一般频谱仪为级滤波电路也有级滤波电路产品这样可分别得到和的波形因子然而理想的高斯滤波器的波形因子为波形因子即带宽选择性简称选择性。

在实际测量中经常会遇到这种情形两个频率接近的信号幅度不等大信号形成的响应曲线掩盖了小信号使小信号丢失所以很多公司产品提供了滤波器dB带宽表示等幅正弦信号频率相差多少时仍能将它们区分开这样的合成响应曲线仍有两个峰值中间下沉大约dB,如下图所示有些频谱分析仪的带宽选择性定义为dB与dB带宽之比如下图也有的频谱分析仪的选择性用dB和dB带宽之比表示两等幅信号的测试数字中频滤波器通过数字滤波器可以获得很窄的带宽。

和模拟滤波器相比理想的高斯滤波器可以实现。

数字滤波器在可接受的价格内有更好的选择性。

如级电路模拟滤波器的波形因子为高斯滤波器为。

另外数字滤波器有更好的温度稳定性无需调整所以在带宽上更加精确由于数字滤波器的瞬态相应已经确定使用合适的修正系数可使数字滤波器获得比模拟滤波器在相同带宽的情况下更短的扫描时间典型选择性模拟:数字:模拟滤波器数字滤波器FFT滤波器如果单纯为了测试精度而设置非常窄的分辨率带宽则会造成无法容忍的长时间扫描因此在非常高的分辨率的情况下建议采用FFT滤波器从时域特性计算频谱见下图。

当采用FFT滤波器时频率非常高的信号不能通过AD直接采样须经过与本振混频变为中频并在时域对带通信号取样X(t)ADRAMFFT 对数放大器检波器之前有一个对数放大器对数放大器按照对数函数来压缩信号电平（对于输入电压幅度v,输出电压幅度为logv）这大大减小了由检波器所检测的信号电平变化而同时向用户提供校准成用分贝读数的对数垂直刻度在频谱分析仪中由于信号电平大幅度变化故需要采用对数刻度对数放大器的设计基于多级解调原理将许多个具有固定增益（每一级的增益通常为dB）的单元放大器级联起来。

随后将每一级放大器的输出逐个相加以提供线性输出电压有些器件提供一个表示输入信号的相对相位的限幅输出对数放大器检波器频谱分析仪一般都是用包络检波器把IF信号变换成视频。

包络检波器最简单的形式是一个二极管后面接一个并联的RC电路如下图峰值检波器由二极管和RC电路组成其输出要跟随IF信号的包络而变化它必然也具有一定的响应时间这就是检波器的时间常数。

时间常数太大检波器就不能及时跟上包络变化的速度扫描速度的快慢也会对检波器输出产生影响扫描太快检波器电路来不及响应其输出幅度也就反映不出包络的变化检波方式不同的检波方式在显示屏上会有不同的数据处理频谱分析仪主要有以下检波方式：最大峰值检波最小峰值检波自动峰值检波取样检波RMS检波器平均值检波准峰值检波最大峰值检波取样检波最小峰值检波视频滤波器视频滤波器在包络检波器之后视频滤波器决定了视频带宽视频滤波器是第一