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第一講頻譜分析儀基礎(chǔ)知識、性能指標及實用技巧

發(fā)布時間：2011-05-25

中心議題：

頻譜分析儀的種類與應用
頻譜分析儀的性能指標與操作要點
頻譜分析儀的使用方法
頻譜分析儀的實用技巧
頻譜分析儀常見問題Q/A

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頻譜分析儀是用來顯示頻域信號幅度的儀器，在射頻領(lǐng)域有“射頻萬用表”的美稱。在射頻領(lǐng)域，傳統(tǒng)的萬用表已經(jīng)不能有效測量信號的幅度，示波器測量頻率很高的信號也比較困難，而這正是頻譜分析儀的強項。本講從頻譜分析儀的種類與應用入手，介紹頻譜分析儀的基本性能指標、操作要點和使用方法，供初級工程師入門學習；同時深入總結(jié)頻譜分析儀的實用技巧，對頻譜分析儀的常見問題以Q/A的形式進行歸納，幫助高級射頻的工程師和愛好者進一步提高。

頻譜分析儀的種類與應用

頻譜分析儀主要用于顯示頻域輸入信號的頻譜特性，依據(jù)信號處理方式的差異分為即時頻譜分析儀和掃描調(diào)諧頻譜分析儀兩種。完成頻譜分析有掃頻式和FFT兩種方式：FFT適合于窄分析帶寬，快速測量場合；掃頻方式適合于寬頻帶分析場合。

即時頻譜分析儀可在同一時間顯示頻域的信號振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號設(shè)置相對應的濾波器與檢知器，并經(jīng)由同步多工掃瞄器將信號輸出至螢幕，優(yōu)點在于能夠顯示周期性雜散波的瞬時反應，但缺點是價格昂貴，且頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與最大多工交換時間都將對其性能表現(xiàn)造成限制。

掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀是最常用的頻譜分析儀類型，它的基本結(jié)構(gòu)與超外差式接收器類似，主要工作原理是輸入信號透過衰減器直接加入混波器中，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)由與CRT螢幕同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時間作線性變化的振蕩頻率，再將混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號放大后、濾波與檢波傳送至CRT螢幕，因此CRT螢幕的縱軸將顯示信號振幅與頻率的相對關(guān)系。

基于快速傅立葉轉(zhuǎn)換（FFT）的頻譜分析儀透過傅立葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量，進而達到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。新型的頻譜分析儀采用數(shù)位方式，直接由類比/數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）對輸入信號取樣，再經(jīng)傅立葉運算處理后而得到頻譜分布圖。

頻譜分析儀透過頻域?qū)π盘栠M行分析，廣泛應用于監(jiān)測電磁環(huán)境、無線電頻譜監(jiān)測、電子產(chǎn)品電磁兼容測量、無線電發(fā)射機發(fā)射特性、信號源輸出信號品質(zhì)等領(lǐng)域，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗的常用工具，特別針對無線通訊信號的測量更是必要工具。另外，由于頻譜儀具有圖示化射頻信號的能力，頻譜圖可以幫助我們了解信號的特性和類型，有助于最終了解信號的調(diào)制方式和發(fā)射機的類型。在軍事領(lǐng)域，頻譜儀在電子對抗和頻譜監(jiān)測中被廣泛應用。頻譜儀可以測量射頻信號的多種特征參數(shù)，包括頻率、選頻功率、帶寬、噪聲電平、鄰道功率、調(diào)制波形、場強等。

頻譜分析儀常被用來放大器增益、頻率響應與被動元件特性量測、失真度測量、通訊監(jiān)測、
有線電視影像資訊的量測，以及天線特性的量測。

關(guān)于頻譜分析儀分類與應用的詳細介紹請查看：

頻譜分析儀的種類與應用

應用頻譜分析儀進行信號分析，首先需要了解頻譜分析儀的相關(guān)性能指標。

頻譜分析儀的性能指標與操作要點

頻譜分析儀的基本性能指標如下圖所示，包括頻率、幅度以及測試精度和測試速度。

其中，影響頻譜分析儀頻率分辨率性能的因素包括RBW、本振寄生調(diào)頻、中頻濾波器矩形系數(shù)，以及本振相位噪聲。其中RBW是中頻濾波器3dB帶寬。RBW設(shè)置會影響頻譜儀測試速度，當濾波器帶寬小時，其響應時間會相應變長。

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以下是掃頻式頻率分析儀基本性能指標的影響因素及相應的操作要點：

頻率測量范圍

掃頻式頻率分析儀分析頻率范圍由本振范圍決定；

頻率分辨率

掃頻式頻率分析儀頻率分辨率與中頻率濾波器和本振有關(guān)；

測試中可通過減小RBW來提高頻率分析分辨率

頻率分析儀靈敏度

掃頻式頻率分析儀分析靈敏度與中頻率濾波器、衰減器設(shè)值、視頻濾波器和本振有關(guān)。其中頻譜儀內(nèi)部混頻器及各級放大器會產(chǎn)生噪聲，通過檢波器會反映為顯示白噪聲電平(DANL)。而頻譜儀噪聲會影響被測信號功率測試：頻譜儀顯示信號=輸入信號+內(nèi)部噪聲。衰減器設(shè)值大，噪聲電平高。噪聲電平隨RBW按10㏒規(guī)律變化。測試中可通過減小RBW；VBW，衰減器設(shè)值和前置放大來提高分析靈敏度

頻率分析儀內(nèi)部失真

掃頻式頻率分析儀分析內(nèi)部失真與混頻器工作電平，中頻放大器性能有關(guān)。各階非線性失真變化規(guī)律為高階失真信號幅度比基波信號變化速度快。由于混頻器工作電平= 輸入信號電平- 衰減器設(shè)值，為減小頻譜分析儀內(nèi)部失真，混頻器應工作在盡量低電平，應加大衰減器設(shè)值。衰減器設(shè)值小時，頻譜儀內(nèi)部失真大、噪聲電平低；衰減器設(shè)值大時，頻譜儀內(nèi)部失真小、噪聲電平高。

頻率分析儀衰減器

掃頻式頻率分析儀衰減器設(shè)置在靈敏度指標和內(nèi)部失真指標間折。通過改變衰減器設(shè)置可判斷頻譜分析儀測試結(jié)果的真實性。

頻譜儀對信號功率的測量

掃頻式頻譜儀測量功率結(jié)果與其檢波方式和平均方式有關(guān)。頻譜儀檢波方式有Peak、Negative Peak、Sample、Averaging Detectors。

Peak檢波方式：適合CW 信號及信號搜索測試

Sample檢波方式：適合于噪聲信號測試

Neg Peak檢波方式：適合于小信號測試

Averaging Detectors：適合于ACPR及通道功率指標測試

RMS檢波方式：適合于對類噪聲信號（CDMA）總功率測量

其中Averaging Detectors功率測量顯示由多個包絡(luò)電平值的平均得到，Averaging Detectors可減少顯示信號的抖動，掃描速度越高，平均效果越明顯。

平均方式包括Log,、Lin、Power。Log平均（窄VBW、trace平均）適合于低電平CW信號測試；電壓平均適合于脈沖信號上升下降時間測量；功率平均適合于信號平均功率測量。

根據(jù)頻譜分析儀的各項性能指標，可對模擬調(diào)制信號和數(shù)字調(diào)制信號進行分析。下面是頻譜分析儀的相關(guān)使用指導。

頻譜分析儀的使用

對于測量的可測與不可測與否，完全取決于頻譜分析儀的設(shè)定。這包括了對衰減器、頻率范圍與解析度頻寬的設(shè)置。頻譜分析儀的設(shè)定包括頻率范圍、解析度和動態(tài)范圍，動態(tài)范圍又涉及最大輸入功率即燒毀功率，增益壓縮使小于1W的輸入信號一旦超過線性工作區(qū)域便會出現(xiàn)誤差。此外靈敏度也是考慮頻譜分析儀對輸入信號可測與否的關(guān)鍵。

參數(shù)頻率范圍要從兩個方面觀察，一是頻率范圍的設(shè)定是否夠窄，以具有足夠的頻率分辨能力，也就是夠窄的掃頻寬度。二是頻率范圍是否有足夠的寬度，是否可以測到第二次、第三次諧波。當用頻譜分析儀測量一個放大器諧波失真的時候，若放大器為1GHz，則它的三次諧波就是3GHz，這就是要考慮頻率范圍的最大可測寬度。如果頻譜儀是1.8GHz，就不能進行量測，如果頻譜分析儀是 26.5GHz，就可以測到它的第三，第四次諧波。

解析度也是頻譜分析儀中非常重要的參數(shù)設(shè)定。解析度表示當要測量兩個頻率的功率不一樣時，必須將它們區(qū)分開來。將中頻頻寬設(shè)置成三種不同的寬度，下面所對應的就是在這一頻寬設(shè)置時所看到的曲線。中頻頻寬越窄則解析度越高，中頻頻寬越寬則解析度越低。解析度頻寬直接影響到微小信號的識別能力和測量的結(jié)果。

關(guān)于頻譜分析儀使用的詳細介紹請查看：

頻譜分析儀測量場強方法

頻譜分析儀的基本使用方法

頻譜分析儀使用攻略

在頻譜分析儀的使用中應注意什么問題呢？以下是對頻譜分析儀注意要點的經(jīng)驗歸納。

頻譜分析儀實用技巧

1) 頻譜分析儀的校準：頻譜分析儀一般都有固定幅度和頻率的校準器，使用頻譜分析儀測量信號特別絕對信號電平測量時，需要對頻譜分析儀進行校準，以保證信號測量精度；另外，通過校準信號的測量，可以檢查頻譜分析儀是否有問題。

2) 射頻輸入信號電平小于頻譜分析儀允許的安全電平：在頻譜分析儀輸入端接入射頻信號之間，一定要對輸入信號電平進行正確估算，避免頻譜分析儀射頻輸入大于頻譜分析儀允許的安全電平，否則將會燒毀頻譜分析儀輸入衰減器和混頻器。特別是在高功率信號測量中，要格外小心謹慎。例如用頻譜分析儀測量1W以上高功率放大器時，注意在頻譜分析儀輸入端接衰減器，以使頻譜分析儀的射頻輸入信號小于頻譜分析儀允許的安全電平。

3) 確定頻譜分析儀是否允許直流信號輸入：某些頻譜分析儀不允許直流信號輸入，因此注意測量信號是否包含直接成分。特別是在某些系統(tǒng)中，射頻信號和直流信號用同一根電纜傳輸，此時要特別小心，信號接入頻譜分析儀射頻輸入端口之前，一定在頻譜分析儀輸入端接隔直流器，以免損壞儀器。例如在很多衛(wèi)星通信系統(tǒng)，低噪聲放大器的直流加電線和射頻信號傳輸采用同一根電纜，測量這樣射頻信號時，特別注意在頻譜分析儀射頻輸入接隔直流器，保護頻譜分析儀的射頻輸入電路。

4) 低電平信號測量：頻譜分析儀的靈敏度是指在特定帶寬下，頻譜分析儀測量小信號的能力。因此，在測量低電平信號時，特別是測量信號接近頻譜分析儀本底噪聲時，應減小頻譜分析儀的射頻衰減和分辨帶寬，提高頻譜分析儀的靈敏度，提高低電平信號的測量精度。另外減少視頻帶寬和采用視頻平均技術(shù)，雖然不影響頻譜分析儀的靈敏度，但可以改善小信號測量精度。

5) 合理設(shè)置頻譜分析儀參數(shù)：在測試射頻信號時，合理設(shè)置頻譜分析儀的分辨帶寬、掃頻帶寬、視頻帶寬和掃描時間等，確保頻譜分析儀CRT不出現(xiàn)測量不準的信號提示。當頻譜分析儀CRT出現(xiàn)測量不準信息，此時測量無法保證測量精度。

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在頻譜分析儀的實際操作中往往會產(chǎn)生一些疑問，在這里附上頻譜分析儀的常見問題解答。

頻譜分析儀常見問題Q/A

1 頻譜分析儀在零掃寬能夠測得的最快脈沖上升時間是多少？

答：測得的上升時間一般不會超過頻譜分析儀的最佳上升時間。分析儀的上升時間由下面這個公式來確定：

Tr = 0.66/max RBW，

其中RBW為分辨率帶寬。

例如，在 PSA中，RBW最大值為8 MHz。因此，最快的上升時間為：

0.66/8 E6 = 82.5 nS。

然而，RBW過濾器帶寬誤差為± 15%，額定值（中心頻率= 3 GHz），因此上升時間范圍在71.7 nS到97 nS之間。

參見具體頻譜分析儀的技術(shù)資料或規(guī)范指南。

2 是否可以將頻譜分析儀當做網(wǎng)絡(luò)分析儀使用？

答：是的，有2種方法可將頻譜分析儀當作網(wǎng)絡(luò)分析儀使用，但是都只能進行標量測量

方法1：使用頻譜分析儀內(nèi)置的跟蹤信號源。如果要測量反射系數(shù)，則還需要一個定向耦合器去采集反射功率。

方法2：使用獨立的源。如需要可配上耦合器。前提是頻譜儀的掃描速度要快過信號源的掃描速度。但這種方式通常不被推薦，因為它的準確性較低。

對于校準，可用到的方法是歸一化的方法。這種方法把接收機和源的頻率響應移除。然而，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用更強大的誤差校準技術(shù)，還可以消除不匹配和交調(diào)帶來的的影響。這就意味著，一般來講，和頻譜分析儀方法相比較，網(wǎng)絡(luò)分析儀可以進行更準確的測量。

3 當清晰信號應用到射頻輸出端時，為什么頻譜分析儀間距中發(fā)現(xiàn)了雜散信號？

答：過度激勵分析儀的輸入混頻器可能會導致雜散信號。大多數(shù)頻譜分析儀（尤其是使用諧波混頻擴展調(diào)諧范圍的分析儀）都擁有二極管混頻器。將用于創(chuàng)建中頻信號的LO與該二極管混頻器中的輸入信號相結(jié)合時，創(chuàng)建內(nèi)部失真。為多種混頻器輸入電平規(guī)定第2個和第3個失真產(chǎn)品。針對不同的頻譜分析儀，可參閱校準指南或規(guī)范指南中的動態(tài)范圍曲線。無雜散動態(tài)范圍取決于混頻器中的輸入電平。

深入了解動態(tài)范圍圖表非常重要，但簡單測試可以確定顯示的雜散信號是否是一個內(nèi)部生成的混合產(chǎn)品還是輸入信號的一部分：修改輸入衰減。衰減器是射頻輸入和第一個混頻器間的唯一一個硬件。在雜散信號上做出標記并提高輸入衰減。如果標記值沒有改變，那么雜散信號就屬于外部信號。而如果標記值改變，信號就是內(nèi)部信號或者是內(nèi)外部信號的總和。繼續(xù)增加衰減，直到標記值不再改變，再開始測量。這一點就是優(yōu)化第一個混頻器輸入電平的最佳值，因為此時所做的測量內(nèi)部失真最低。一般來說，需要測量的動態(tài)范圍越廣，第一個混頻器的輸入電平就應該越低。

屏幕圖像下端的黃色跡線表示在輸入混頻器被過度激勵時的內(nèi)部失真。衰減為零。藍色跡線表示當衰減設(shè)置為10dB時，雜散信號所減少的電平。