频谱分析仪

Posted 2021-01-18 lyh523329053

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了频谱分析仪相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一、频谱分析

在通信射频等领域需要对信号进行频域分析，测量并获取信号中包含的信息。频域分析有两种实现方式：

ADC采样时域信号后通过FFT运算获取频谱

这种方式仪器架构通常是这样的，输入信号首先通过一个可变衰减器，以提供不同的测量范围；然后信号经过低通滤波器，除去ADC采样带宽之外的高频分量；接下来通过ADC对模拟信号进行量化，转换为数字形式后，用微处理器（或其他数字电路如FPGA,DSP）接收取样波形，执行FFT运算得到频谱，并将结果记录和显示在屏幕上。

FFT分析仪能够完成多通道滤波器式同样的功能，但无需使用许多带通滤波器，它使用数字信号处理来实现多个独立滤波器相当的功能。这种方法特点是精度高，但其分析频率带宽受ADC采样速率和采样长度限制，适合分析窄带宽信号。

从概念上讲，FFT方法是简单明确的：对信号进行数字化，再计算频谱。实际上，为了使测量具有意义，还需要考虑很多因素。

FFT的实质是基带变换，换句话说，FFT的频率范围总是从0Hz开始并延伸到某个最高频率处。这对需要分析较窄频带（不是从直流开始）的测量情况可能是一个重大限制。例如，ADC采样率256kS/s，则FFT的频率范围是0Hz到128KHz。若采样点数N=1024，则频谱上谱线间隔是250Hz，故不能分辨间隔小于250Hz的谱线。

提高频率分辨力的一种方法是增大时间记录中的取样点数N，这也增大频谱的谱线书。不过，问题在于，这会增加FFT所要处理的数组长度，从而增加计算时间。FFT算法的计算时间往往限制了仪器的性能（比如屏幕刷新速度），所以增加FFT的长度往往是不可取的。

另一种方法是使用数字下变频器，对于带限信号，进行数字下变频，这样等效降低了采样速率，可以提高频率分辨力。ADC的输出与数字正弦波相乘，借助数字混频使数字正弦波的频率降低。再用数字滤波器进行滤波，数字滤波器通过利用适当的抽选因子来形成适当的频率间隔，这个带宽可以做得很窄，可以形成窄到1Hz的频率间隔和频率分辨力。

扫频式频谱分析仪获取频谱

要做宽带频谱分析肯定无法通过简单的ADC采样和FFT运算直接实现，必须通过扫频的方式来实现宽范围频谱分析。

扫频式频谱分析仪通过对测量频率范围内连续的子频段按顺序分别进行扫描，依靠中频滤波器分辨各频率成份，检波器测量信号功率，得到每一个子频段内信号频谱，然后拼接起来得到整个频率测量范围的完整频谱，这就是现在频谱分析仪的主要实现方式。

这种扫描- 调谐分析仪的工作原理正如老式调幅（AM）接收机，只是调幅接收机的本振不是扫描的，而是用刻度旋钮人工进行调谐；另外不是用显示器显示信息而是用扬声器。

二、频谱分析仪基本结构

频谱分析仪就是采用扫频式原理来完成信号的频域测试。

频谱分析仪的功能是要分辨输入信号中各个频率成份并测量各频率成份的频率和功率。为完成以上功能，在扫描-调谐频谱分析中采用超外差方式，它能提供宽的频率覆盖范围，同时允许在中频（IF）进行信号处理。如图是超外差式扫频频谱分析仪的结构框图。

输入衰减器

输入信号进入频谱仪后首先经过衰减器，将信号调理到一个合适的幅度范围，保证频谱仪在宽频范围内保持良好匹配特性，同时也保护信号链路中器件不受到损坏和避免产生过大的非线性失真，一般频谱分析仪衰减器衰减范围为：0~65dB; 可按照5dB步进变化。

仪表自动设置衰减器件的原则是保证： 输入信号电平－衰减器设置<=混频器工作电平

当改变输入衰减器设置时，信号电平会受到影响。如衰减值由10dB变为20dB，信号幅度人为被减小10dB，相应检波输出也会降低。为补偿该变化，频谱仪内部会利用中频放大器补偿衰减影响。

频谱仪工作时，其中频放大器增益和衰减器设值连动工作，所以当在改变衰减器设置时，输入信号在频谱仪上的显示并不发生变化。

混频器

信号从衰减器出来后会通过一个低通滤波器（或预选器），然后进入混频器。

混频器的目的是要将输入信号在频谱上搬移到中频滤波器的通带范围内。
信号进入混频器与本振（LO）混频，混频器输出信号如果落在中频滤波器通带（IF）内则可以通过中频滤波器到达检波器，被检波器转换为输出视频信号，然后通过放大、采样、数字化后决定CRT显示信号的垂直电平显示在屏幕上。

首先频谱分析仪会选择一个合适的中频频率，比如一个可调谐值0~3.6GHz的分析仪，第一个本振频率范围是3.8~8.7GHz，选择的中频频率约为5.1GHz（选择的中频频率不能落在目标扫描频率范围内，这会有这会导致中频处一小段测量盲区）。我们想测量的信号fsig频谱范围为0~3.6GHz，因此需要调整本振频率fLO从5.1GHz扫描到5.7GHz，这样就可以让0~3.6GHz的信号以子频段的形式混频后先后落在5.1GHz中频滤波器通带内，到达输出显示端。

之所以要先通过一个低通滤波器（或预选器），是为了先滤除带外信号，避免混频器镜像干扰问题。
比如当中频为5.1GHz，本振为6GHz的时候，频谱分析仪是无法分辨900MHz和11.1GHz两个信号的，因为这两个信号通过混频器后都会落在5.1GHz中频上：
6GHz-900MHz=5.1GHz
11.1GHz-6GHz=5.1GHz
这样带来的测量问题就是频谱仪的中频信号显示不能判断是900MHz信号还是11.1GHz信号的响应，所以需要在混频器前面加上一个过渡带在3.6GHz到5.1GHz之间的低通滤波器（在一个频谱分析仪文档上看到说测试频率比较低的时候通常采用低通滤波器，频率比较高的频段则可采用预选器，也就是传说中的跟踪滤波器）。

本振馈通

实际的混频器隔离度通常不能做到理想程度，因此混频器的输出不仅包括信号与本振的差频，同时也会包括输入信号和本振。

所以我们可以知道中频频率处总是会有一个恒定的幅度响应并显示在屏幕上（LO等于中频的时候同时通过了混频器和中频滤波器，这种响应称为本振馈通）这会有这会导致中频处一小段测量盲区，所以说中频一般都会选在比调谐频段更高的频率上。

大多数射频频谱分析仪都允许本振频率和第一中频一样低，甚至更低。当本振频率等于中频时，本振信号通过混频器和中频滤波器在显示器上出现响应，就像输入了一个 0 Hz 的信号一样。它会掩盖低频信号，所以并不是所有的频谱仪的显示范围都能包含 0 Hz。这也为什么我们在频谱分析仪上看到无论怎样总是会有直流功率出现。

中频滤波器

中频滤波器是谱分析仪中关键部件，频谱分析仪主要依靠该滤波器来分辩不同频率信号，频谱仪许多关键指标（测量分辨率、测量灵敏度、测量速度、测量精度等）都和中频滤波器的带宽和形状有关。

中频滤波器通常由LC滤波器，晶体滤波器或数字滤波器的组合实现，形状因素和滤波器类型是说明这些滤波器特性的重要因素。

形状因素为滤波器是如何选择的一个测度，通常规定为3dB/60Dbk宽度之比，比值表示出如何在3dB带宽内的大信号附件分辨小1百万倍（-60dB）的信号。

不同滤波器对频谱分析仪的性能有重大影响，某些滤波器类型如Butterworth巴特沃兹滤波器或Chebychev切比雪夫滤波器具有优良的选择性（信号分离的能力），以及高斯滤波器和同步调谐滤波器具有较好的时域性能（较好的扫描幅度精度）。优良的形状因素性能对紧靠在一起的信号提供较好的分辨率。较好的时域性能（无过冲）提供了更快的扫描速度和良好的幅度精度。

对数放大器

对数放大器以对数方式处理输入信号，允许有大的待测量和小的待测量同步易显示和分辨。实现这种压缩的一种方法是构建增益随信号幅度而变化的放大器。在低电平信号下，增益可能为10dB，而在较大的幅度下，增益下降到0。为了获得所需的对数范围，必须将若干这类放大器进行级联。对数放大器通常具有约70dB到超过100dB的范围。除对数范围外，逼真度（对数压缩与对数曲线相符的接近程度）是应考虑的重要因素，这个误差将直接反映测量的幅度误差。

检波器

检波器将输入信号功率转换为输出视频电压，该电压值对应输入信号功率。所以说在频谱分析仪中主要通过中频滤波器来分辨信号频率，而信号功率则主要靠检波器来测量。

针对不同特性输入信号（正弦信号、噪音信号、随机调制信号等），需采用不同检波方式才能准确测出该信号功率。现代频谱仪一般采用数字技术，支持所有检波方式以确保准确测量各种被测信号的功率参数。

视频滤波器

视频滤波器对检波器输出视频信号进行低通滤波处理，减小视频带宽可对频谱显示中的噪声抖动进行平滑，从而减小显示噪声的抖动范围。这样有利频谱仪发现淹没在噪声中的小功率CW信号，还可提高测量的可重复性。

扫描发生器

频谱分析仪通过一个扫描发生器（扫描振荡器）控制本地振荡器产生不断改变的本振频率，和输入信号一起经过混频器混频，使得不同子频段信号依次落在中频滤波器通带内，完成一次完整的频谱扫描。由于控制本振频率的扫描发生器同时控制着CRT显示的水平频率轴，将扫描到的不同的子频段便被拼接起来了，依靠本振和显示横坐标的同步对应关系标定信号频率值，这样便得到了我们在仪器上看到的完整的频谱。

扫描发生器是整个频谱分析仪中的关键部分之一，扫描发生器的稳定度和频谱纯度对许多性能指标都是一个限制因素。本振的稳定度影响最小分辨带宽，但是，即使利用频率很稳定的本振，仍然存在残余的不稳定度，这称之为相位噪声或相位噪声边带，它影响着对邻近弱信号的观察。现代频谱分析仪的应用之一是直接测量其他设备的相位噪声，这对本振的相位噪声要求是非常高的（既然要测人家的相位噪声，那你自己的相位噪声勘定要明显的优于人家呀）。

三、频谱分辨率

输入一个单音正弦信号，在频谱分析仪上看到的不是一根谱线，而是有一定宽度的，由于输入信号是固定的，本振是扫频的，若某个混频分量恰好扫过中频，就会在显示器上将带通滤波器的特性曲线描绘出来，所以输入单音信号看到的实际上就是频谱分析仪中频滤波器的频响形状。

频谱分析仪的中频滤波器会选出混频后落在中频滤波器范围内的信号，频谱分析仪主要依靠该滤波器来分辨不同频率信号。

通过调节RBW参数来设置中频滤波器。RBW默认为自动模式，即由扫频宽度（Span）决定，当需更高分辨率的时候可进入手动模式调节。RBW影响频谱分析仪的显示噪声电平，频率分辨率和测试速度。很多测试标准和规范中都有对RBW设置的规定，因为该指标直接影响我们的测试结果。

中频滤波器有两个重要参数，带宽和矩形系数（也叫选择性或形状因子）……

RBW（分辨邻近等幅信号）

频谱仪上理想ＣＷ信号不可能显示为无限细的线，它本身有一定的宽度。当调谐通过信号时，其形状是频谱分析仪自身分辨带宽（IF滤波器）形状的显示。这样，如果改变滤波器的带宽，就改变了显示响应的宽度。

通常会将中频滤波器的3dB带宽定义为RBW，RBW越小，频率分辨率越高，频谱分析仪的RBW即为其分辨等幅信号的能力。

当两个等幅信号相邻很近时，频谱分析仪上看到两个信号之间有一个3dB的凹陷，这时两个信号被认为是可以分辨开的，即两个信号间隔大于所选分辨率带宽的3dB带宽，就可以将它们分辨出来。

记住结论：频谱分析仪RBW 越小，其频率分辨率越高。

矩形系数（分辨不等幅信号）

矩形系数被定义为(60dB BW)/(3dB BW)

在测量不等幅信号的时候，小信号很可能被淹没在打信号的边带内，对于幅度相差60dB的两个信号，其间隔至少是60dB带宽的一半（用近似3dB下降作区分），滤波器的矩形系数是决定不等幅信号分辨率的关键。

对于像个10kHz幅度下降50dB的失真产物的测试，如果RBW设为3kHz，滤波器矩形系数为15:1，则滤波器60dB的带宽为45kHz，失真产物便会被影藏在测试信号的响应边带下。如果采用1kHz的滤波器，60dB带宽为15kHz，失真产物便可以被观测到了。

在一个网页文档上看到说，通常模拟中频滤波器矩形系数在15:1到11:1，而数字中频滤波器则可以做到5:1量级（数字技术果然牛逼）。

记住结论：频谱分析仪中频滤波器矩形系数越小，其对不等幅信号的分辨率越高。

相位噪声

为何 RBW 滤波器的矩形系数定义会以 60dB 为界？如果矩形系数代表了频谱分析仪分辨不等幅正弦信号的能力，那如何约束高于底噪而低于 60dB 的不等幅信号的测量能力？这就要涉及到频谱分析仪本地振荡器的稳定程度，因为本振本身的不稳定，其相位噪声可能将靠近载波频率附近 60dB 以下的信号全部淹没，这时矩形系数已经没有测量意义了。

频谱分析仪的 LO 都是由参考源（通常是晶体振荡器， XO）倍频而来。没有哪种参考源是绝对稳定的，它们都在某种程度上受到随机噪声的频率或相位调制的影响，这个影响程度随时间在变化。时间的稳定度可以分为两类：长期稳定度和短期稳定度。长期稳定度是指时钟频率偏离绝对值的多少，一般用 ppm（百万分之一）来表示；短期稳定度是时钟相位瞬态的变化，在时域上称抖动（jitter），在频域上称相位噪声（Phase
Niose），表示为指相对于载波一定频偏处的 1Hz 带宽内的能量与载波电平的比值，相应的单位为归一化的dBc/Hz。

需要说明，在将参考源倍频得到本振的过程中，稳定度也将按倍频比例恶化，其结果是相位噪声变差。因此相位噪声的标定通常要对应特定的测量频率，例如在 500 MHz， 1 GHz 等频率点测量；典型的相位噪声曲线经常要提供多个频率点的情况，例如偏离 1 kHz， 10 kHz， 100 kHz 分别给出测量值，便于横向比较。

混频器将输入的射频信号和本振信号相乘然后滤波，得到变频后的中频信号。即使输入的射频信号是一个很纯净的正弦波，混频器也会将本振的相位噪声忠实地带入混频结果，形成一个具有相同相位噪声的中频信号。

因此，当我们对包含了本振相位噪声的中频进行“峰值检测”时，相位噪声就会体现在测量结果中。在某个 RBW 下，距离这个频率很近同时幅度又高于系统显示平均噪声电平的另一个信号，虽然可被 RBW在频率轴分辨出来，但仍会隐藏在相位噪声之下。当然，相位噪声也是一种随机噪声，它和系统的显示平均噪声电平一样，随分辨率带宽的变化规律一致，若将分辨率带宽缩小 10 倍，显示相位噪声电平将减小 10 dB。这种情况下需要使用超过实际分辨率的 RBW 来测量，代价就是增加了系统的扫描时间。

四、灵敏度

频谱分析仪的灵敏度定义为在一定的分辨率带宽下显示的平均噪声电平（DANL）。

频谱分析仪在不加任何信号的时候会显示噪声电平，它自身的噪声大部分来自中频放大器的第一级。频谱分析仪的灵敏度指标表征了它对弱信号的检测能力。

若一个信号电平等于显示的平均噪声电平，它将以近3dB凸起显示在平均噪声电平之上，这一信号电平被认为是最小可测信号电平，但是如果不用视频滤波器平均噪声，则并不能看到这一现象。

输入衰减对灵敏度影响

RBW对灵敏度影响

技术分享图片

VBW对灵敏度影响

前置放大器对灵敏度影响

检波方式对灵敏度影响

平均方式对灵敏度影响

-174dBm

一个 50 欧姆的端子连接在频谱分析仪的输入端以防止其他信号进入分析仪。这个无源端子产生少量的噪声能量kTB，其中：
k = 玻尔兹曼常数（1.38 x 10–23 joule/K）
T = 温度（K）
B = 噪声带宽（Hz）

由于总噪声功率是测量带宽的函数，数值通常归一化至 1 Hz 带宽。因此，室温下噪声功率密度是 -174 dBm/Hz。

高分辨率的实现

VBW

通过中频滤波器，信号频率便可以确定下来了，但是这时候信号的功率还不知道。所以通过一个检波器检测出信号的幅度，用来表示信号的功率。检波器后面会有一个低通滤波器，叫视频滤波器，用于减少检波器输出的噪声变化，暴露一些接近噪声电平的弱信号。

采用宽带滤波器时噪声的波动会较大，采用窄带滤波器时波动显著减少，但两者的噪声平均值一样。也就是说滤波器不会降低平均噪声电平，但能减少噪声的峰值电平或者说噪声的抖动。因而能暴露出用较宽视频滤波器不能看到的低电平信号。但在某些情况下，如分析一些特殊的噪声信号时，我们则需要较宽的视频滤波器带宽，以便观察和分析，所以我们可根据不同的情况来设置视频滤波器的带宽。

视频滤波器的带宽和分辨带宽的关系是：检波前的噪声可以通过较窄的分辨带宽来降低，从而降低检波器的噪声输出电平；检波后的噪声则通过窄带视频滤波器来平滑减少噪声波动，但不能降低噪声的平均功率电平。

有些示波器在带宽一栏中会有RBW/VBW参数，默认的自动模式为1:1，也就是说你调整了RBW或VBW中的一个，另外一个会跟着改变以保持这个比例值。