頻譜分析儀技術(shù)基礎(chǔ)

1、頻譜分析儀技術(shù)基礎(chǔ)議題v闡述頻譜分析儀測(cè)量的主要應(yīng)用v介紹頻譜分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理v說明頻率分辨率、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍等重要指標(biāo)在分析儀測(cè)量中的重要作用v針對(duì)PHS測(cè)試，簡(jiǎn)述注意事項(xiàng)8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz要達(dá)到的學(xué)習(xí)目標(biāo)v熟練應(yīng)用頻譜分析儀v了解頻譜分析儀結(jié)構(gòu)原理，了解頻譜分析儀性能指標(biāo)v掌握PHS測(cè)試頻譜分析儀參數(shù)設(shè)置1 頻譜分析儀應(yīng)用v從事通信工程的技術(shù)人員，在很多時(shí)候需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，針對(duì)不同觀察域，分別用示波器、頻譜分析儀和矢量分析儀觀察信號(hào)v示波器只能觀察信號(hào)的幅度、周期和頻率；但頻譜分析儀還可以分析信號(hào)的頻率分布信息、頻率

2、、功率、諧波、雜波、噪聲、干擾和失真，而矢量分析儀可以在頻譜分析儀基礎(chǔ)上分析數(shù)字調(diào)制信號(hào)調(diào)制質(zhì)量頻域和時(shí)域頻域和時(shí)域v早期的信號(hào)觀察，主要依賴示波器在時(shí)域內(nèi)觀察信號(hào)；傅立葉變換告訴我們：任何時(shí)域內(nèi)電信號(hào)都是由一個(gè)或多個(gè)不同頻率、不同幅度和不同相位的正弦波組成的，但應(yīng)用示波器無法觀察到頻域內(nèi)信息，只能在時(shí)域內(nèi)觀察；應(yīng)用頻域測(cè)量，就能以頻譜的形式顯示出每個(gè)正弦波的幅度隨頻率變化的情況v下圖是信號(hào)在時(shí)域和頻域內(nèi)觀察的結(jié)果，由此可以清楚看出信號(hào)在頻域觀察的必要性：時(shí)域得到的是信號(hào)的波形信息，不能測(cè)量混合信號(hào)，如果存在干擾或失真信號(hào)，在時(shí)域上無法區(qū)分有用信號(hào)和無用信號(hào)v在頻域上可以準(zhǔn)確地測(cè)量有用信號(hào)和無

3、用信號(hào)的各種參數(shù)幅度(功率)頻率時(shí)域測(cè)量頻域測(cè)量時(shí)間2 頻譜分析儀結(jié)構(gòu)及原理v頻譜分析儀的類型v頻譜分析儀主要有傅立葉頻譜分析儀和超外差式頻譜分析儀vFFT頻譜分析儀：被分析的信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，變成離散信號(hào)，采樣值被保存在一個(gè)存儲(chǔ)器中，經(jīng)過離散FFT變換計(jì)算，計(jì)算出信號(hào)的頻譜vFFT頻譜分析儀不足之處：FFT分析儀不適合脈沖信號(hào)的分析，而且由于A/D轉(zhuǎn)換器速度的限制，F(xiàn)FT分析儀僅適合測(cè)量低頻信號(hào)超外差頻譜分析儀v這種頻譜分析儀對(duì)輸入信號(hào)的分析，并不是從時(shí)間特性計(jì)算得來的，而是由頻域分析直接決定的。對(duì)于這樣的分析，必須把輸入頻譜分成各個(gè)獨(dú)立的部分。可調(diào)帶通濾波器就是為此目的而使用的v超外

4、差頻譜分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖濾波器頻率基準(zhǔn)對(duì)數(shù)放大器RF 輸入衰減器混頻器IF 濾波器檢波器視頻濾波器本地振蕩器掃頻發(fā)生器IF 增益輸入顯示原理分析v信號(hào)分析過程如下：被測(cè)信號(hào)經(jīng)過濾波和衰減后，和LO信號(hào)進(jìn)入混頻器混頻轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，因?yàn)長(zhǎng)O頻率可變，所以輸入信號(hào)都可以被轉(zhuǎn)換成固定中頻，經(jīng)放大后進(jìn)入中頻濾波器（中心頻率固定），然后進(jìn)入一個(gè)對(duì)數(shù)放大器，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行壓縮，然后進(jìn)行包絡(luò)檢波，所得信號(hào)即視頻信號(hào)，為了平滑顯示，在包絡(luò)檢波之前通過可調(diào)低通濾波器，即視頻濾波；視頻信號(hào)在陰極射線管內(nèi)垂直偏轉(zhuǎn)，即顯示出在信號(hào)的幅度，同時(shí)，由于顯示的頻率值是掃頻發(fā)生器電壓值的函數(shù)，所以對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)的頻率值，于是

5、，被測(cè)信號(hào)的信息顯示在LCD上v下面將對(duì)頻譜分析儀每個(gè)獨(dú)立部件的工作原理和相互之間的作用做詳細(xì)說明LOIMRF低通濾波器v低通濾波器的主要作用是抑制鏡像頻率。下圖是低中頻頻譜分析儀輸入頻率與鏡像頻率范圍的關(guān)系，如果輸入頻率范圍大于2IF，則兩頻率范圍會(huì)重疊,所以要求輸入濾波器在不影響主信號(hào)的情況下抑制鏡像抑制IFLOv如果使用可調(diào)諧帶通濾波器以抑制鏡像頻率，則由于較寬的調(diào)諧范圍使濾波器極為復(fù)雜，所以采用高的第一中頻使問題簡(jiǎn)化v這種配置下，鏡像頻率位于輸入頻率范圍之上，由于兩個(gè)頻率范圍不會(huì)重疊，故可利用低通濾波器抑制鏡像頻率，三者范圍關(guān)系如下圖LORFIMIF衰減器v衰減器主要有三個(gè)作用v保護(hù)頻

6、譜儀不受損壞：測(cè)量高電平信號(hào)時(shí)，為了不燒壞頻譜分析儀，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減；v提高測(cè)試的準(zhǔn)確性：混頻器是非線性器件，當(dāng)混頻器輸入信號(hào)電平較高時(shí)，輸出會(huì)產(chǎn)生許多產(chǎn)物，而且電平太高會(huì)干擾測(cè)試結(jié)果，使無互調(diào)范圍減??；當(dāng)輸入信號(hào)電平在混頻器1dB壓縮點(diǎn)以上時(shí)，測(cè)試結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確v提高頻譜儀動(dòng)態(tài)范圍：通過設(shè)置步進(jìn)衰減器調(diào)節(jié)進(jìn)入混頻器的電平，可以得到較大的動(dòng)態(tài)范圍混頻器v混頻器的作用就是將輸入高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)，由于混頻器是非線性器件，輸出會(huì)有很多頻率成分 ： 但我們需要的是v混頻方式有兩種：基波混頻和諧波混頻，基波混頻是輸入信號(hào)的基波混頻，而諧波混頻是通過本振信號(hào)的諧波來混頻v諧波混頻會(huì)造成相對(duì)高的轉(zhuǎn)換

7、損耗v混頻器對(duì)輸入RF小信號(hào)而言是線性網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)輸入信號(hào)幅度逐漸增大時(shí)，就存在著非線性失真問題，所以輸入信號(hào)的幅值應(yīng)低于頻譜分析儀的1dB壓縮點(diǎn)fmfLORFnffRFLORFLOIF中頻放大器v輸入信號(hào)經(jīng)過了前置衰減器，電平降低，為了恢復(fù)信號(hào)幅值，補(bǔ)償輸入衰減器的變化，在混頻后對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行放大v在放大有用信號(hào)的同時(shí)，噪聲和干擾信號(hào)也被同時(shí)放大中頻濾波器v中頻信號(hào)經(jīng)放大后，然后經(jīng)過中頻濾波器，中頻濾波器是一個(gè)帶通濾波器，它選出需要的混頻分量，抑制掉其他不需要的信號(hào)。中頻濾波器的帶寬決定了頻譜分析儀的RBW范圍v根據(jù)頻譜分析儀類型不同，中頻濾波器有模擬濾波器、數(shù)字濾波器和FFT濾波器模擬濾波器v

8、模擬濾波器用來實(shí)現(xiàn)大的分辨率帶寬。一般頻譜儀為4級(jí)濾波電路，也有5級(jí)濾波電路產(chǎn)品，這樣可分別得到14和10的波形因子，然而理想的高斯濾波器的波形因子為4.6v波形因子即帶寬選擇性，簡(jiǎn)稱選擇性。在實(shí)際測(cè)量中，經(jīng)常會(huì)遇到這種情形，兩個(gè)頻率接近的信號(hào)幅度不等，大信號(hào)形成的響應(yīng)曲線掩蓋了小信號(hào)，使小信號(hào)丟失，所以很多公司產(chǎn)品提供了濾波器3dB帶寬，表示等幅正弦信號(hào)頻率相差多少時(shí)仍能將它們區(qū)分開，這樣的合成響應(yīng)曲線仍有兩個(gè)峰值，中間下沉大約3dB,如下圖所示v有些頻譜分析儀的帶寬選擇性定義為60dB與30dB帶寬之比，如下圖，也有的頻譜分析儀的選擇性用60dB和6dB帶寬之比表示3 dB60 dB60

9、dB BW3 dB BW3 dB BW 選擇性選擇性 =v兩等幅信號(hào)的測(cè)試3 dB10 kHz10 kHz RBW數(shù)字中頻濾波器v通過數(shù)字濾波器可以獲得很窄的帶寬。和模擬濾波器相比，理想的高斯濾波器可以實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波器在可接受的價(jià)格內(nèi)有更好的選擇性。如5級(jí)電路模擬濾波器的波形因子為10，高斯濾波器為4.6。另外，數(shù)字濾波器有更好的溫度穩(wěn)定性，無需調(diào)整，所以在帶寬上更加精確v由于數(shù)字濾波器的瞬態(tài)相應(yīng)已經(jīng)確定，使用合適的修正系數(shù)可使數(shù)字濾波器獲得比模擬濾波器在相同帶寬的情況下更短的掃描時(shí)間典型選擇性 模擬 15:1 數(shù)字 5:1模擬濾波器數(shù)字濾波器FFT濾波器v如果單純?yōu)榱藴y(cè)試精度而設(shè)置非常窄的分

10、辨率帶寬，則會(huì)造成無法容忍的長(zhǎng)時(shí)間掃描，因此在非常高的分辨率的情況下建議采用FFT濾波器，從時(shí)域特性計(jì)算頻譜，見下圖。當(dāng)采用FFT濾波器時(shí)，頻率非常高的信號(hào)不能通過A/D直接采樣，須經(jīng)過與本振混頻變?yōu)橹蓄l并在時(shí)域?qū)ㄐ盘?hào)取樣X(t)A/DRAMFFT對(duì)數(shù)放大器v檢波器之前有一個(gè)對(duì)數(shù)放大器，對(duì)數(shù)放大器按照對(duì)數(shù)函數(shù)來壓縮信號(hào)電平（對(duì)于輸入電壓幅度v,輸出電壓幅度為logv），這大大減小了由檢波器所檢測(cè)的信號(hào)電平變化，而同時(shí)向用戶提供校準(zhǔn)成用分貝讀數(shù)的對(duì)數(shù)垂直刻度，在頻譜分析儀中，由于信號(hào)電平大幅度變化，故需要采用對(duì)數(shù)刻度 v對(duì)數(shù)放大器的設(shè)計(jì)基于多級(jí)解調(diào)原理，將許多個(gè)具有固定增益（每一級(jí)的增益通常

11、為10dB）的單元放大器級(jí)聯(lián)起來。隨后，將每一級(jí)放大器的輸出逐個(gè)相加以提供線性輸出電壓，有些器件提供一個(gè)表示輸入信號(hào)的相對(duì)相位的限幅輸出對(duì)數(shù)放大器對(duì)數(shù)放大器檢波器v頻譜分析儀一般都是用包絡(luò)檢波器把IF信號(hào)變換成視頻。包絡(luò)檢波器最簡(jiǎn)單的形式是一個(gè)二極管后面接一個(gè)并聯(lián)的RC電路，如下圖v峰值檢波器由二極管和RC電路組成，其輸出要跟隨IF信號(hào)的包絡(luò)而變化，它必然也具有一定的響應(yīng)時(shí)間，這就是檢波器的時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)太大，檢波器就不能及時(shí)跟上包絡(luò)變化的速度；掃描速度的快慢也會(huì)對(duì)檢波器輸出產(chǎn)生影響，掃描太快，檢波器電路來不及響應(yīng)，其輸出幅度也就反映不出包絡(luò)的變化檢波方式v不同的檢波方式在顯示屏上會(huì)有不同

12、的數(shù)據(jù)處理，頻譜分析儀主要有以下檢波方式：v最大峰值檢波v最小峰值檢波v自動(dòng)峰值檢波v取樣檢波vRMS檢波器v平均值檢波v準(zhǔn)峰值檢波 最大峰值檢波取樣檢波最小峰值檢波視頻濾波器v視頻濾波器在包絡(luò)檢波器之后，視頻濾波器決定了視頻帶寬，視頻濾波器是第一級(jí)低通設(shè)置，用于從視頻信號(hào)中濾除噪聲，平滑軌跡，從而使顯示結(jié)果穩(wěn)定。和分辨率帶寬類似，視頻帶寬也會(huì)限制最大允許掃描速度，要達(dá)到最小的掃描時(shí)間需要增大視頻帶寬vS/N比較低時(shí)，可以通過減小VBW來穩(wěn)定顯示，弱信號(hào)會(huì)在頻譜中突現(xiàn)出來并且穩(wěn)定可再現(xiàn)。在測(cè)量正弦波信號(hào)時(shí)，減小VBW，對(duì)電平無影響未經(jīng)視頻濾波經(jīng)過視頻濾波鋸齒波發(fā)生器、本振和顯示v鋸齒波發(fā)生器既

13、控制顯示器上曲線的位置，又控制LO的頻率，所以就可以通過校準(zhǔn)，用顯示器的水平軸來表示輸入信號(hào)頻率v任何振蕩器都不是絕對(duì)穩(wěn)定的，而是在一定程度上被隨機(jī)噪聲調(diào)頻或調(diào)相的。LO的不穩(wěn)定性會(huì)直接影響由LO和輸入信號(hào)混頻后的中頻，因此，LO的相位噪聲調(diào)制邊帶也會(huì)在顯示器上任何譜分量的兩邊出現(xiàn)，LO越穩(wěn)定，相位噪聲越低vYIG振蕩器經(jīng)常被用作本振，也由一些頻譜儀采用壓控振蕩器作為本振，其調(diào)節(jié)范圍較小，但較YIG調(diào)整起來更快；為了增加頻譜儀的頻率精度，本振信號(hào)可以是合成信號(hào)，也就是說，本振經(jīng)鎖相環(huán)鎖定在參考信號(hào)上。參考信號(hào)通常由一個(gè)溫控晶振產(chǎn)生，為了增加頻率精度與長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，大多數(shù)頻譜儀廣泛采用恒溫控制晶

14、振3 頻譜分析儀性能指標(biāo)頻譜分析儀有以下主要性能指標(biāo)：v濾波器特性v相位噪聲v接收機(jī)的固有噪聲v系統(tǒng)非線性v1dB壓縮點(diǎn)v動(dòng)態(tài)范圍v測(cè)量精度下面就這些指標(biāo)分別討論分辯濾波器特性v中頻濾波器需要矩形濾波器，但對(duì)頻譜分析儀而言，矩形濾波器的瞬態(tài)響應(yīng)是不合適的。由于這樣的濾波器與較長(zhǎng)的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間，輸入信號(hào)的頻譜應(yīng)通過十分緩慢的本振調(diào)諧變到中頻儀避免幅度誤差。使用優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)的高斯濾波器可以獲得較短的測(cè)試時(shí)間v濾波器的特性常以波形系數(shù)來定義：SFBW（60dB）/BW(3dB)失真產(chǎn)物相位噪聲v相位噪聲是振蕩器短時(shí)間穩(wěn)定度的度量參數(shù),盡管我們看不到頻譜分析儀LO系統(tǒng)的實(shí)際頻率抖動(dòng)，但LO頻率或相位不

15、穩(wěn)定的表現(xiàn)是可以觀察到的，這就是相位噪聲v相位噪聲通常是以一個(gè)單載波的幅度為參考，并偏移一定的頻率下的單邊帶相位噪聲。這個(gè)數(shù)值是指在1Hz帶寬下的相對(duì)噪聲電平，故其單位為dBc(1Hz)或 dBc/Hz,c表示載波，由于相位噪聲電平比載波電平低，所以定義為負(fù)值v相位噪聲主要影響頻譜分析儀的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍噪聲邊帶分析儀的固有噪聲v固有噪聲可以理解為頻譜分析儀的熱噪聲。固有噪聲會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)信噪比的惡化。所以固有噪聲是頻譜分析儀靈敏度的度量指標(biāo)，決定了頻譜分析儀的最小可檢測(cè)電平v指標(biāo)中的顯示噪聲平均電平必須對(duì)應(yīng)相應(yīng)的分辨率帶寬和衰減器設(shè)置，因?yàn)檫@兩個(gè)指標(biāo)對(duì)顯示的噪聲電平都有影響。典型情況下是設(shè)置

16、衰減器為0dB和最小分辨率帶寬vRF衰減器設(shè)置和RBW對(duì)設(shè)置對(duì)顯示噪聲本底影響見下圖減小帶寬 = 降低噪聲10 dB10 kHz RBW1 kHz RBW10 dB100 kHz RBWIF濾波器帶寬對(duì)噪聲電平的影響10 dB信號(hào)電平RF輸入衰減對(duì)噪聲電平的影響10dB衰減20dB衰減接收機(jī)的非線性特性v由于頻譜分析儀中含有半導(dǎo)體器件，所以存在非線性。然而頻譜分析儀要求無失真顯示被測(cè)輸入信號(hào)，所以線性特性是頻譜分析儀必須的性能參量，對(duì)于單正弦波信號(hào)輸入的情況，由于存在非線性，會(huì)產(chǎn)生各次諧波，對(duì)于輸入信號(hào)是兩個(gè)幅度相等的正弦波信號(hào)的情況，除了產(chǎn)生諧波之外，同時(shí)也有互調(diào)產(chǎn)物，互調(diào)產(chǎn)物的階數(shù)是所含頻

17、率各次項(xiàng)之和v頻譜儀的線性主要由混頻器和中頻放大器決定，而輸入射頻衰減器實(shí)際上對(duì)線性是沒有影響的。如果由射頻衰減器改變混頻器的輸入電平，頻譜儀產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物電平將依其階數(shù)變化，而DUT產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物電平保持不變。所以調(diào)節(jié)衰減器可以判斷頻譜儀顯示的互調(diào)產(chǎn)物的來源：如果增加RF衰減，而諧波和互調(diào)產(chǎn)物的相對(duì)電平保持不變，說明失真來自DUT，測(cè)量結(jié)果正確；如果諧波和互調(diào)產(chǎn)物的相對(duì)電平有變化，則說明有部分失真來自頻譜分析儀內(nèi)部，測(cè)量結(jié)果不正確v頻譜儀常用截止點(diǎn)（T.O.I）和1dB壓縮點(diǎn)來表征分析儀的非線性特性動(dòng)態(tài)范圍v動(dòng)態(tài)范圍是頻譜分析儀同時(shí)處理不同電平信號(hào)的能力。動(dòng)態(tài)范圍的限值依賴于實(shí)際所要進(jìn)行的測(cè)

18、量，動(dòng)態(tài)范圍下限是由自然噪聲或相位噪聲決定的，動(dòng)態(tài)范圍的上限是由1dB壓縮點(diǎn)或由頻譜儀過載而造成的失真決定的v最大動(dòng)態(tài)范圍通常是在最小分辨率帶寬情況下，顯示的噪聲做為下限，1dB壓縮點(diǎn)作為上限。如果達(dá)到第一級(jí)混頻器的輸入電平高出1dB壓縮點(diǎn)，那么將產(chǎn)生混頻器的非線性失真，使用較小的RBW時(shí)，失真產(chǎn)物就會(huì)明顯地顯示出來（他們不會(huì)被噪聲淹沒），此時(shí)的頻譜測(cè)量就不能明確反映被測(cè)設(shè)備的真實(shí)頻譜測(cè)量精度v頻譜儀測(cè)量精度分為頻率測(cè)試精度和幅度測(cè)量精度v頻率精度：頻譜儀的本振通過鎖相環(huán)同步到一個(gè)穩(wěn)定的參考振蕩器上，頻譜分析儀的頻率精度也就是參考源的精度，并且受參考源的溫度和長(zhǎng)期穩(wěn)定度的影響。參考源通常采用溫

19、度補(bǔ)償晶體振蕩器和箱控晶體振蕩器，產(chǎn)生的參考頻率收到環(huán)境溫度和操作期間老化的影響v幅度測(cè)量精度：其誤差來源主要有頻率響應(yīng)，衰減器誤差，中頻增益誤差，線性誤差，帶寬切換誤差和失配誤差4 PHS的頻譜分析儀應(yīng)用v針對(duì)PHS測(cè)試中對(duì)頻譜分析儀的應(yīng)用，作以下說明，由于頻譜分析儀的應(yīng)用大多用于雜散測(cè)試，所以主要針對(duì)雜散測(cè)試時(shí)儀器設(shè)置作說明RBWv通常情況下RBW等于被測(cè)頻譜帶寬，但為了提高測(cè)量精確性、靈敏度和效率，RBW也可以不同于頻譜帶寬。當(dāng)RBW太大時(shí)，就會(huì)淹沒雜散信號(hào)，RBW太小則掃描時(shí)間太長(zhǎng)vPHS載波OBW為300k,則測(cè)試頻譜和雜散時(shí)RBW設(shè)置成300kHz顯示RBWVBWvVBW反映的是頻譜分析儀接收機(jī)中位于包絡(luò)檢波器之后的視頻濾波器的帶寬。視頻帶寬至少與分辯帶寬相同，改變VBW的設(shè)置，可以減小噪聲峰峰值的變化量，提高較低信噪比信號(hào)測(cè)量的分辨率和復(fù)現(xiàn)率，易于發(fā)現(xiàn)隱藏在噪聲中的小信號(hào)；在其他設(shè)置不改變的情v況下，減小VBW，掃描時(shí)間會(huì)增加，平滑效果更加明顯v測(cè)試時(shí)VBW=RBW=300kHz未經(jīng)視頻濾波經(jīng)過視頻濾波Attenuationv為了保證精度和保護(hù)儀器免受損壞，測(cè)量大信號(hào)時(shí)要設(shè)置衰減,防止混頻器過載，但由于儀器內(nèi)部噪聲不受衰減器影響，而在后面的中頻放大時(shí)會(huì)被放大，而輸入信號(hào)幅值不變，所以會(huì)降低信噪比。RF衰減為0時(shí)，靈敏度最高