頻譜儀原理與使用

頻譜儀原理與使用劉波副教授南京通信工程學(xué)院1一、頻譜儀簡介：為什么要用頻譜儀衛(wèi)星通信信號頻率很高（數(shù)十兆赫到十幾吉赫）、幅度很小（接收信號經(jīng)放大后通常僅幾毫伏甚至更低）不便用示波器觀測。衛(wèi)星通信頻帶內(nèi)通常有多個(gè)不同頻率的調(diào)制載波同時(shí)存在，且在信號上疊加有相當(dāng)大的噪聲，示波器無法觀測。對信號的微小失真，從時(shí)域有時(shí)很難觀測。對衛(wèi)星通信信號通常用頻譜儀在頻域進(jìn)行觀測，而不是用示波器在時(shí)域進(jìn)行觀測。2一、頻譜儀簡介：功能與用途與在時(shí)域上顯示電壓變化的示波器不同，頻譜儀可在頻域上顯示功率變化頻譜儀的水平坐標(biāo)為頻率軸，垂直坐標(biāo)為功率軸頻譜儀主要用于觀測和記錄某個(gè)指定頻段內(nèi)的信號頻譜通過對信號的頻譜觀測，可以了解信號在頻域的分布情況以及信號的質(zhì)量通過對某部件輸入、輸出信號頻譜的測量，得到部件的技術(shù)指標(biāo)3二、頻譜儀工作原理：原理框圖頻譜儀的原理框圖如上圖所示輸入信號經(jīng)由衰減器和濾波器，被送到混頻器混頻器的本振頻率通常為周期性的掃頻信號混頻輸出經(jīng)過中頻放大、帶通濾波、對數(shù)放大、包絡(luò)檢波及視頻濾波，被送到顯示器的Y軸掃描信號發(fā)生器在控制本振頻率掃頻的同時(shí)，控制顯示器X軸掃描4二、頻譜儀工作原理：工作原理輸入衰減器和濾波器（預(yù)選器）限制送給混頻器的信號電平和帶寬，保證混頻器正常工作在混頻器中，輸入信號與本振混頻，得到中頻信號本振信號一般由頻率合成器產(chǎn)生，可在某一范圍內(nèi)掃描中頻放大器及衰減器對混頻器輸出中頻信號的電平進(jìn)行調(diào)整中頻帶通濾波器選出中頻信號中頻放大器及濾波器常采用多級級聯(lián)，中頻帶寬由最后一級濾波器帶寬決定。該帶寬可以受控改變，且決定頻譜儀的分辨帶寬（RBW）包絡(luò)檢波器的輸入信號通常由對數(shù)放大器壓縮信號的動態(tài)范圍，并且調(diào)整其電平范圍低通濾波器的帶寬（視頻帶寬VBW）影響顯示信號頻譜的平滑度現(xiàn)代頻譜儀基本都采用高性能微處理器及DSP器件，使頻譜儀的測量功能得到大大提高5二、頻譜儀工作原理：主要性能指標(biāo)頻率范圍（FrequencyRange）主要由輸入預(yù)選器、本振和混頻器頻率范圍決定決定頻譜儀能觀測信號的頻率范圍分辨帶寬（ResolutionBandwidth－RBW）由中頻濾波器或數(shù)字濾波器帶寬決定分辨帶寬越寬，濾波器穩(wěn)定時(shí)間越短，可提供較快的測量；分辨帶寬越窄，具有更高的頻率分辨力和更低的噪聲電平頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度（FrequencyAccuracy&Stability）視頻帶寬（Video

Bandwidth－VBW）選擇較窄的視頻帶寬，可以得到較為平滑的譜線本振相位噪聲（LOPhaseNoise）由本振頻率合成器決定決定測量單頻信號相位噪聲的下限影響能觀測到的多頻、窄帶信號的電平范圍6二、頻譜儀工作原理：主要性能指標(biāo)（續(xù)一）最大輸入信號電平（MaximumSafeInputLevel）主要由輸入衰減器、放大器決定一般分最大連續(xù)功率和最大脈沖功率輸入信號電平超過最大輸入信號電平時(shí)，會損壞頻譜儀平均顯示噪聲電平（DisplayedAverageNoiseLevel）決定頻譜儀能顯示的最小信號電平，有時(shí)也稱“靈敏度”分辨帶寬越窄，平均顯示噪聲電平越小頻響（FrequencyResponse）影響寬帶信號測量結(jié)果幅度準(zhǔn)確度（AmplitudeAccuracy）二次諧波失真（SecondHarmonicDistortion）影響二次諧波失真測試范圍三階互調(diào)失真（ThirdOrderIntermodulationDistortion）影響三階互調(diào)失真測量范圍掃描點(diǎn)數(shù)（SweepPoints）掃描點(diǎn)數(shù)為顯示屏在水平方向上的取樣點(diǎn)數(shù)量掃描點(diǎn)數(shù)越多，在水平軸上的顯示精度就越高7掃描時(shí)間（SweepTime）頻譜儀X軸方向掃描一次所用時(shí)間掃描時(shí)間與觀測頻率寬帶（Span）、RBW、VBW；Span越寬、RBW和VBW越窄、掃描時(shí)間越長。掃描時(shí)間通常由頻譜儀自動設(shè)置對應(yīng)于不同型號，掃描時(shí)間最長可為300s、1500s、乃至4000s掃描時(shí)間越長，在0span條件下檢測電平變化的范圍就越大觸發(fā)方式（TriggerType）通常有FreeRun,Single,Line,Video,Offset,Delayed,External等觸發(fā)方式需要觀測特定時(shí)間的信號頻譜時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)挠|發(fā)方式二、頻譜儀工作原理：主要性能指標(biāo)（續(xù)二）8其它測試功能調(diào)制分析噪聲系數(shù)測試發(fā)射損耗測試EMI測試其它使用性能頻譜存儲、打印、輸出編程、遙控二、頻譜儀工作原理：主要性能指標(biāo)（續(xù)三）9中心頻率（CenterFrequency）和頻率寬度（FrequencySpan）中心頻率和掃頻寬帶決定頻譜儀觀測頻率范圍頻譜儀中心頻率指X軸中心點(diǎn)頻率，與觀測信號的中心頻率相同頻譜儀頻率寬度指X軸從最左端（低端）到最右端（高端）對應(yīng)的帶寬，應(yīng)略大于觀測信號帶寬也可以通過設(shè)置起始頻率（StartFrequency）和終止頻率（StopFrequency）來設(shè)置頻譜儀觀測頻率范圍CenterFrequency=（StartFrequency+StopFrequency）÷2FrequencySpan=StopFrequency-StartFrequency三、頻譜儀使用：參數(shù)設(shè)置10參考電平（ReferenceLevel）和電平刻度（Scale/Div）參考電平為頻譜儀Y軸方向最上端對應(yīng)的電平電平刻度為頻譜儀Y軸方向每格代表的電平分貝數(shù)（Y軸以對數(shù)方式顯示時(shí)）調(diào)整參考電平時(shí)，應(yīng)使觀測信號最大電平不超過參考電平調(diào)整電平刻度時(shí)，應(yīng)使所關(guān)心的信號電平變化顯示比較明顯，或所關(guān)心的電平范圍能在頻譜儀上顯示出來功率顯示值=ReferenceLevel–Scale/Div*n

（n為電平刻度數(shù)）輸入衰減（InputAttenuation)對保護(hù)頻譜儀輸入級非常重要，強(qiáng)烈建議設(shè)置成自動調(diào)整方式輸入衰減越大，頻譜儀底噪聲電平越高在確定輸入信號電平足夠小（全頻段電平）時(shí)，把輸入衰減設(shè)為0dB可提高觀察微弱信號的能力三、頻譜儀使用：參數(shù)設(shè)置（續(xù)一）11分辨帶寬（RBW）通常由頻譜儀根據(jù)頻率寬度自動設(shè)置觀察調(diào)制載波時(shí)，RBW通常應(yīng)小于信號帶寬的十分之一觀察單頻信號時(shí)，寬的RBW容易漏掉單頻信號附近的低電平信號RBW越窄，掃描時(shí)間越長視頻帶寬（VBW）和視頻平均通常與RBW保持某一比例（該比例可手動改變），由頻譜儀自動設(shè)置窄的VBW可減小噪聲及信號的隨機(jī)起伏，使顯示頻譜越光滑，同時(shí)掃描時(shí)間越長當(dāng)被觀測信號的信噪比較低時(shí)，窄的VBW可使故測信號顯示得更明顯視頻平均與很窄得視頻帶寬效果基本相同三、頻譜儀使用：參數(shù)設(shè)置（續(xù)二）12掃描時(shí)間（SweepTime）通常由頻譜儀根據(jù)頻率寬度、RBW和VBW自動設(shè)置掃描時(shí)間過短會導(dǎo)致觀測到的信號電平降低、頻率右移掃描方式（Sweep）連續(xù)掃描（ContinusSweep）單次掃描（SingleSweep）DisplayLine便于測量一定帶寬的信號電平時(shí)光標(biāo)（Marker）尋找最大值（PeakSearch）把光標(biāo)移到中心頻率（MarkertoCF）把光標(biāo)移到參考電平（MarkertoReferenceLevel)DeltaMarker三、頻譜儀使用：參數(shù)設(shè)置（續(xù)三）13掃跡（Trace）頻譜儀一般有2～3個(gè)掃跡，單通常情況下只用一個(gè)掃跡實(shí)時(shí)掃描掃跡（ClearWrite）最大值保持掃跡（MaxHold）最小值保持掃跡（MinHold）觀測突發(fā)信號時(shí)，常用最大值保持掃跡三、頻譜儀使用：參數(shù)設(shè)置（續(xù)四）14單頻信號觀測1選用合適的RBW三、頻譜儀使用：頻譜觀測15三、頻譜儀使用：頻譜觀測單頻信號觀測2選用合適的掃描時(shí)間16三、頻譜儀使用：頻譜觀測單頻信號觀測3選用合適的視頻帶寬17三、頻譜儀使用：頻譜觀測單頻信號觀測4選用本振相位噪聲滿足要求的頻譜儀18三、頻譜儀使用：頻譜觀測調(diào)制載波觀測選用合適的頻率寬度和RBW、VBW及電平刻度19突發(fā)載波觀測利用頻譜儀最大值保持功能三、頻譜儀使用：頻譜觀測20單載波功率測量：適當(dāng)調(diào)整CenterFrequency、Span、ReferenceLevel和RBW，使載波的峰值落在顯示范圍內(nèi)按PeakSearch，讀出光標(biāo)的功率值PMarker計(jì)算載波功率

PCW=PMarker+AttnCoupler+AttnSA

式中，AttnCoupler為測試端口到頻譜儀輸入端口之間的耦合衰減與電纜損耗之和，AttnSA為頻譜儀輸入衰減值單載波的功率和頻率穩(wěn)定度測量：適當(dāng)調(diào)整頻譜儀設(shè)置，使載波的峰值落在顯示范圍內(nèi)按Marker→CF，Marker→RefLvl，以及向上按鍵，使載波的峰值落在中心頻率的參考電平以下10dB處定時(shí)按PeakSearch，讀取并記錄光標(biāo)所對應(yīng)的功率和頻率值對測試記錄作統(tǒng)計(jì)處理頻譜儀功率穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于被測信號指標(biāo)三、頻譜儀使用：單載波的功率和穩(wěn)定度測量21通過測量C/N計(jì)算Eb/N0將DisplayLine設(shè)為On用旋鈕調(diào)整DisplayLine，使之與載波峰值相重合，并讀取相應(yīng)的電平值，該值為C＋N繼續(xù)調(diào)整DisplayLine，使之與底噪聲相重合，并讀取相應(yīng)的電平值，該值為N從（C+N)/N計(jì)算出C/N利用C/N計(jì)算Eb/N0 C/N=C0/N0Eb=C0×Rs/Rb Eb/N0=(C/N)×(Rs/Rb)（Rb為信息速率

Rs為調(diào)制符號速率）

三、頻譜儀使用：Eb/N0測量122利用頻譜儀直接測量（設(shè)備驗(yàn)收時(shí)）設(shè)置頻譜儀功率測量的信道帶寬與被測信道帶寬相同關(guān)閉噪聲源，打開頻譜儀視頻平均，用頻譜儀直接測量信號功率C關(guān)閉信號，打開噪聲源，用頻譜儀直接測量噪聲功率密度N0通過C及Rb計(jì)算Eb Eb=C/Rb求出Eb/N0三、頻譜儀使用：Eb/N0測量223間接測量頻譜儀本振相位噪聲要優(yōu)于對被測信號相位噪聲的要求調(diào)整頻譜儀中心頻率，使被測載波位于屏幕中心調(diào)整參考電平使被測載波峰值點(diǎn)位于屏幕頂線頻率寬度約為欲測頻率偏移量的10倍頻譜儀RBW設(shè)為頻率偏移量的1/10調(diào)整頻譜儀VBW，使噪聲頻譜比較光滑從頻譜儀讀出單邊噪聲密度L計(jì)算該頻率偏移量的相位噪聲密度相位噪聲＝L＋1.7－10log（RBW）（單位dBc/Hz)三、頻譜儀使用：相位噪聲測量124直接用頻譜儀測量頻譜儀要安裝有相應(yīng)的硬件與軟件三、頻譜儀使用：相位噪聲測量225三階載波互調(diào)比（C/IM)測試在非線性放大器帶寬范圍內(nèi)的兩個(gè)等幅單載波、與它們所產(chǎn)生的三階互調(diào)產(chǎn)物之間的電平差值定義為C/IM調(diào)整頻譜儀，使兩個(gè)單載波與兩個(gè)三階互調(diào)產(chǎn)物的峰值、以及噪聲底都能落在顯示范圍內(nèi)按PeakSearch，使光標(biāo)落在較高的一個(gè)單載波上按MarkerDelta，并調(diào)整光標(biāo)，使光標(biāo)落在較高的一個(gè)三階互調(diào)產(chǎn)物上兩個(gè)光標(biāo)之間的電平差值（dB數(shù)）即為互調(diào)比C/IM三、頻譜儀使用：互調(diào)失真測試C/IM26測試方法測試信號通常為衛(wèi)星信標(biāo)地面天線的自動跟蹤性能測量用手控方式調(diào)整方位角和俯仰角，使天線偏離衛(wèi)星啟動天線自動跟蹤功能衛(wèi)星信標(biāo)的電平變化反映了自動跟蹤天線的對星狀態(tài)和精度“動中通”天線的跟蹤性能測量“動中通”為能在行進(jìn)中自動對星的車載天線跟蹤性能測試應(yīng)在特定的路況和駕駛條件下進(jìn)行正極化的衛(wèi)星信標(biāo)電平主要隨天線的指向角而變反極化的衛(wèi)星信標(biāo)電平隨天線的指向角和極化角而變通過測試、記錄并且比較正反極化衛(wèi)星信標(biāo)的電平變化，可以驗(yàn)證車載天線在行進(jìn)中的跟蹤性能和極化失準(zhǔn)情況三、頻譜儀使用：天線跟蹤性能測量27三