現代電子測量-頻譜分析儀

現代電子測量-頻譜分析儀第一頁，共89頁。頻域測量頻域測量的儀器主要用于測量信號的頻譜、功率譜、相位噪聲功率譜等參數，典型的儀器有頻譜分析儀、信號分析儀等。

第二頁，共89頁。頻域測量頻譜分析儀第三頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜測量的概念

以頻譜形式顯示出所測信號分解的每個正弦波的幅度隨頻率變化的情況就是頻域測量。

第四頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的用途

信號的頻譜分析；信號的基本參數測量；頻率穩(wěn)定度的測試；配接天線后用作場強儀，用于EMC測量；網絡測量；第五頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的用途

低頻頻譜分析儀廣泛應用于聲頻、振動與沖擊、機械工程、建筑、醫(yī)學等領域；以FFT為核心的頻譜儀能提供包括相位譜在內的各種頻譜，可用于信號的時域、領域、幅值域的各種分析；多通道的FFT分析儀可對系統(tǒng)的輸人輸出信號或其它多個測量點信號作同相位的數據采集和分析計算；

第六頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的發(fā)展

早期的頻譜分析儀只是一個具有幾個檔級濾波器式的頻譜監(jiān)視器；現代高頻頻譜儀已變?yōu)閽叩谝槐菊?，掃頻寬度大大提高，稱為全景頻譜分析儀。80年代出現了模塊化頻譜分析儀，有些機型還具有EMC、CATV、GSM900的測量功能；在低頻端還有實時頻譜分析儀一大類，而且全面走向了數字化。第七頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的種類模擬式、數字式、模擬數字混合式；實時型、非實時型；恒帶寬分析、恒百分比帶寬分析；單通道型、多通道型；高頻、低頻。

第八頁，共89頁。頻譜分析儀實時頻譜分析儀和非實時頻譜分析儀所謂實時分析，是指在長度為T的時間內完成了頻率分辨率達到1／THz的譜分析；第九頁，共89頁。頻譜分析儀恒帶寬分析與恒百分比帶寬分析恒帶寬分析為線性頻率刻度，適用于周期信號的分析和波形失真分析；恒百分比帶寬分析所得頻譜的頻率軸采用對數刻度，具有較寬的頻率覆蓋，能兼顧低頻與高頻頻段的頻率分辨率，適用于噪聲類隨機信號的連續(xù)形式的譜密度分析。

第十頁，共89頁。頻譜分析儀恒帶寬分析與恒百分比帶寬分析第十一頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的工作原理目前微波或高頻頻譜分析儀普遍采用的是掃頻超外差的測試原理,簡化原理框圖如右圖所示

第十二頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的工作原理頻譜分析的過程如右圖所示

第十三頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的工作原理包絡檢波器：頻譜儀顯示的是經包絡檢波器后的視頻信號，檢波器應跟隨IF信號的包絡而變化，而不是隨IF正弦波本身的瞬時值而變。

第十四頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的工作原理如果在IF濾波器帶寬內的是一個調幅波信號所有譜線，則在頻譜儀的顯示器上將顯示出該調幅波的包絡。

即頻譜分析儀有時域功能可用，此時掃頻寬度設置成零掃。

第十五頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的工作原理采用數字中頻的技術的頻譜分析儀

第十六頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的工作原理采用多級混頻的頻譜分析儀第十七頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的顯示樣式第十八頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率頻率分辨率是頻譜分析儀區(qū)分兩個相鄰輸入正弦信號的能力。影響頻譜儀頻率分辨率的因素有中頻濾波器帶寬、本振的剩余調頻和本振的相位噪聲，中頻濾波器帶寬是起主要作用的因素。

第十九頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率如果某個混頻信掃頻通過IF，則帶通濾波器的特性曲線就會被描繪到顯示屏上。若兩個信號的頻率非常接近，則它們所生成的特性曲線就會形成一個響應峰，就像一個響應一樣，這時就不能將兩個信號區(qū)分開了。

第二十頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率中頻濾波器的參數

中頻濾波器的參數主要有：半功率帶寬及有效噪聲寬波形因子

第二十一頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率濾波器的半功率帶寬及有效噪聲帶寬半功率帶寬即為3dB帶寬；當理想的矩形濾波器在矩形曲線下的面積與實際濾波器特性曲線下的面積相等時，矩形的寬度即為實際濾波器有效噪聲帶寬；常用3dB帶寬來代替有效噪聲帶寬。

第二十二頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率濾波器的半功率帶寬及有效噪聲帶寬濾波器的帶寬反映了它能區(qū)分兩個同樣幅值的不同頻率信號的能力；當兩個頻率間隔等于濾波器帶寬的等幅信號同時輸人頻譜儀時，頻譜儀“正好”能將它們分開，譜圖上出現兩個峰，峰谷點之間差3dB

第二十三頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率濾波器的波形因子波形因于定義為濾波器特性曲線兩側衰減達60dB的帶寬B60與3dB帶寬B3之比；模擬濾波器的波形因子一般為15:1，數字濾波器的波形因子可以做到5:1

第二十四頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率濾波器的選擇性帶寬能反映相差60dB的兩個信號f1與f2之間的最小頻率間隔即為濾波器的選擇性帶寬；濾波器的波形因子指標反映了頻譜儀能區(qū)分幅度相差很大的(60dB)兩個頻率分量的能力。第二十五頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率本振剩余調頻頻譜儀LO的穩(wěn)定性也是影響頻譜分析儀的分辨率的一個因素；在頻譜分析儀上所看到的最小分辨帶寬，在一定程度上是由LO的穩(wěn)定性決定的。第二十六頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率本振相位噪聲

LO的相位噪聲調制邊帶也會在顯示器上任何譜分量的兩邊出現；顯示的譜分量與相位噪聲的幅度之差是LO穩(wěn)定性的函數，LO越穩(wěn)定，相位噪聲就越低。該幅度之差還和分辨帶寬有關，分辨帶寬縮小10倍，則相位噪聲電平減少10dB。

第二十七頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率本振相位噪聲

相位噪聲是限制頻譜分析儀分辨不等幅信號的因素之一；分辨兩個頻率接近的不等幅信號的但前提條件是：相位噪聲不能掩蓋小信號。

第二十八頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率掃描時間指掃描一次整個頻率量程并完成測量所需要的時間，也稱分析時間;為了保證測量的準確性，掃描時間不可能任意地縮短。也就是說，由于其他因素的限制，掃描時間必須適當。

第二十九頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率掃描時間IF濾波器是帶寬有限的電路，它需要有一定的時間來充電和放電。如果混頻后的信號分量掃描太快，則顯示出來的幅度就會減少，頻率也會發(fā)生偏移

第三十頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的頻率分辨率掃描時間掃描時間（ST）與掃頻范圍（span）、分辨率帶寬（RBW）的關系為：

對于平頂（接近矩形）濾波器，10≤k≤20，對于同步調諧模擬濾波器，k=2～5。對于利用數字信號處理的頻譜分析儀，k≤1。第三十一頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的動態(tài)范圍頻譜分析儀能已給定的精度測量分析輸入端同時出現的兩個信號之間的最大功率比（用dB表示）。頻譜分析儀的動態(tài)范圍主要受輸入混頻器的失真特性、系統(tǒng)的寬帶噪聲門限（靈敏度）和本地震蕩器的相位噪聲三個主要因素制約。

第三十二頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的動態(tài)范圍顯示范圍頻譜分析儀的顯示范圍（顯示動態(tài)范圍）是指經過校準后CRT顯示的幅度范圍；注意：在大多數情況下頻譜儀最下面的刻度是未經校準的，最下面的刻線代表信號幅度為0，所以最下面的分度覆蓋了相對于參考電平（頂線）-100dB到-∞的范圍（對于100dB顯示范圍的頻譜儀）。

第三十三頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜分析儀的動態(tài)范圍測量范圍測量范圍是在任何環(huán)境下可以測量的最大信號與最小信號的比值；可以測量的信號的上限由最大安全輸入電平決定，大多數為30dBm（1W）；可以測量信號的下限由靈敏度決定，并與最小分辨帶寬有關，一般為-115dBm到-135dBm，因此測量范圍為145dB到165dB；但在輸入有+30dBm的信號時，是不可能同時看到-135dBm的信號的。

第三十四頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示平滑技術頻譜分析儀顯示的是信號加內部噪聲。第三十五頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示平滑技術為了減少噪聲對所顯示信號幅度的影響，需要對顯示結果進行平滑或平均處理。第三十六頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示平滑技術

—視頻濾波

頻譜分析儀視頻濾波器用來實現平滑；平均或平滑的程度和視頻帶寬與分辨帶寬之比有關，比值少于0.01時，平滑的效果非常明顯，比值較大時效果不明顯。

第三十七頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示平滑技術

—視頻濾波

當視頻帶寬等于或小于分辨帶寬時，掃描時間變?yōu)椋篠T＝K·span／（RBW·VBW）式中，VBW為視頻濾波器的帶寬。第三十八頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示平滑技術

—視頻平均在這種方式下，要掃描兩次或更多次后才能完成逐點的平均過程，在每個掃描點上，將目前的測量值平均后再加到先前已經平均的數據上，從而得到新的平均值，即：Aavg＝〔（n-1）／n〕An-1十（l／n）An式中，Aavg為新的平均值，An-1為前次掃描的平均值，An為目前掃描的測量值，n為目前的掃描次數。

第三十九頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示平滑技術

—視頻平均第四十頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示平滑技術對于噪聲或非常接近噪聲的低電平正弦信號，用視頻濾波和視頻平均的效果是一樣的；視頻濾波所完成的平均是實時的；對于特定的信號，兩種平均方法可能得到完全不同的結果。

第四十一頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示平滑技術對于一個信號的頻譜隨時間而變，用視頻平均則每次顯示的均不同，而用視頻平均方式則能夠得到更接近真實的結果。

第四十二頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示平滑技術第四十三頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示方式對于利用數字式顯示的頻譜儀，不管在CRT上用多少個數據點來表示曲線，每個點也只能代表某個頻率的數值。第四十四頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示方式第四十五頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示方式利用數字式顯示的頻譜儀，顯示方式主要有瞬時采樣方式和正峰值采樣方式兩種；第四十六頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示方式—瞬時采樣方式采樣的點數越多，顯示效果越好，但點數是有限制的；采樣方式是顯示隨機噪聲很好的方法。第四十七頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示方式—瞬時采樣方式在分析正弦信號時就可能出現問題；右圖顯示的是實際上等幅梳狀信號。

第四十八頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示方式—瞬時采樣方式當分辨帶寬比采樣間隔小時，采樣方式會丟失信號，造成錯誤的結果。

第四十九頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示方式—正峰值采樣正峰值采樣方式顯示在每個單元中出現的最大值；正峰值采樣顯示方式確保不管分辨帶寬和采樣單元的寬度之比是多少，都不會丟失譜線；正峰值采樣顯示方式不適合隨機噪聲，因為這種方式只捕捉噪聲的峰值。

第五十頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示方式—正峰值采樣第五十一頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的顯示技術顯示方式頻譜分析儀一般都以正峰值作為其主要顯示方式，而把采樣方式作為輔助顯示方式。

第五十二頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的輸入耦合頻譜分析儀的輸入耦合同樣有DC和AC兩種方式。注意：在DC耦合方式下輸入沒有隔直電容，如果輸入信號含有直流分量，很容易損壞頻譜儀的混頻器。

第五十三頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀使用中的問題第一級混頻器過載造成的失真當輸入信號的幅度超過了混頻電路的最大線性范圍時，其輸出的幅度就會比正常值低，并且由于交調或諧波失真而產生出許多不需要的信號；對于一般的頻譜分析儀，加到第一級混頻器上的最佳信號幅度約為+17dBmV；第五十四頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀使用中的問題第一級混頻器過載造成的失真加到第一級混頻器上的信號幅度（前置放大器關斷時）等于輸入信號的幅度減去RF衰減量；在頻譜分析儀的輸入端只有少數幾個信號的情況下，應把其中幅度最大的信號設定在屏幕最上面的刻度線（基準電平）上；

第五十五頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀使用中的問題第一級混頻器過載造成的失真避免鄰近頻道的大信號的造成第一級混頻器過載的方法之一第五十六頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀使用中的問題第一級混頻器過載造成的失真在頻譜分析儀的輸入端有很多信號的情況下，盡管每個信號的幅度都較低，也有可能使第1級混頻器過激勵。假定共有N個信號，每個信號的幅度為U1，總的信號幅度為U，則：U2=NU12或用dBmV為單位來表示：U／dBmV=U1／dBmV＋10lgN

第五十七頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀使用中的問題第一級混頻器過載造成的失真判斷某些雜散信號或差拍是不是頻譜分析儀內部產生的簡單方法：

把RF衰減量增加幾個dB，不改變基準電平，內部生成的失真產物的幅度會隨著RF衰減量增加而變小，而來自頻譜儀外部的信號幅度將保持不變。

第五十八頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀使用中的問題信號比頻譜儀的噪聲門限低頻譜分析儀本身產生的內部噪聲稱為頻譜分析儀的噪聲門限，它限制了可測的最小信號，即使是沒有信號，在顯示器上也能看到類似于“毛草”似的水平曲線。

第五十九頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀使用中的問題信號比頻譜儀的噪聲門限低判斷一個信號或系統(tǒng)噪聲是否比頻譜分析儀的噪聲門限低的方法：

從頻譜分析儀的RF輸入端斷開信號電纜，再重新接上。如果在信號電纜被重新接上時，顯示器上電平較低的部分向上抬高，就說明信號或系統(tǒng)噪聲比頻譜分析儀的噪聲門限高。

第六十頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀使用中的問題信號比頻譜儀的噪聲門限低使低于頻譜分析儀噪聲門限的低電平信號升高的方法：去掉所有的內部RF衰減；去掉所有的外部RF衰減；減少分辨帶寬和（或）視頻濾波器的帶寬。采用視頻平均技術，其特點是不需要減少帶寬；打開頻譜分析儀內部的前置放大器；

第六十一頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀使用中的問題信號低于系統(tǒng)噪聲如果被測的信號幅度低于系統(tǒng)噪聲，這時減少衰減量或者增加放大量都不能使信號幅度變大，但可采取如下措施：減少分辨帶寬和視頻濾波器的帶寬；采用視頻平均技術也能把噪聲“平均掉”；

第六十二頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀使用中的問題信號幅度和噪聲電平非常接近當一個信號的幅度和周圍的噪聲電平接近時，測出的信號幅度可能高出其準確值幾個dB之多；信號的幅度很大時，比周圍的噪聲電平高出10dB以上，噪聲的貢獻可以忽略不計，這時測出的信號幅度就很接近于它的真實值；第六十三頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀使用中的問題信號幅度和噪聲電平非常接近時

信號比噪聲大10dB以下時的幅度修正第六十四頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀使用中的問題不正確的分辨帶寬要想分析出被測信號中的細節(jié)，分辨濾波器的帶寬必須足夠窄；要想使峰值功率讀數正確，分辨濾波器的帶寬應該等于或大于被測信號的帶寬。如果分辨濾波器的帶寬太寬，就有可能把與被測信號鄰近的其他信號也包括進去，從而使功率讀數偏高幾個dB；脈沖信號的帶寬和脈沖寬度的倒數成正比例。

第六十五頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何測量鄰近且相對弱小的信號如果兩信號的間隔大于或等于所選用分辨率帶寬濾波器的3db帶寬，兩個等幅信號就可以分辨出來。第六十六頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何測量鄰近且相對弱小的信號測量兩個不等幅的鄰近信號時，小信號有可能掩埋在大信號的裙邊中。第六十七頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何測量鄰近且相對弱小的信號設定中頻濾波器對應60dB的帶寬小于信號頻帶的間隔，則小信號就很容易被觀察到第六十八頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何測量鄰近且相對弱小的信號相位噪聲也可能掩蓋近端（靠近載波）低電平信號。

第六十九頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何測量鄰近且相對弱小的信號當掃描時間太快時，頻譜分析儀的分辨帶寬濾波器不能夠充分響應，即幅度下降、頻率向上移，同樣影響小信號的觀察。

第七十頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何測量鄰近且相對弱小的信號測量低電平信號時雜波的影響比較嚴重，分辨率帶寬較窄，允許雜波通過量較少，顯示器上的雜波層下降。分辨率帶寬變化2倍，將導致雜波電平變化3dB。雜波電平的下降，可使原先被雜波掩蓋的較小信號也能測量到。第七十一頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何測量鄰近且相對弱小的信號如果通過調分辨率帶寬之后，信號依然接近噪聲（雜波），則可用調節(jié)衰減和視頻帶寬（VBW）來改進信號的可視度；總之，適當窄的分辨帶寬，適當小的輸入衰減，適當的視頻帶寬（視頻帶寬≤0.1—0.01分辨帶寬）是用頻譜分析儀測量兩個十分鄰近或相對弱小的信號，減少測量誤差應掌握的基本方法。第七十二頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何利用頻譜儀測量相位噪聲將被測信號加到相應頻帶的頻譜分析儀的輸入端。第七十三頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何利用頻譜儀測量相位噪聲顯示出該信號的頻譜，找出信號的中心頻率的功率幅度；適當選擇掃頻寬度，使能顯現出所需寬度的兩個或一個噪聲邊帶；分辨帶寬的視頻帶寬宜盡量取小，以減小載波譜線寬度和邊帶中噪聲的高度而又不感到載波譜線有明顯晃動；縱軸采用對數刻度并調參考電平將譜線頂端調到刻度的頂部基線。

第七十四頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何利用頻譜儀測量相位噪聲利用可移動的光標讀出譜線頂端電平C（dBm）和一個邊帶中指定偏移頻率fm處噪聲的平均高度的電平N（dBm）求出其差值（N-C）dB；再加上必要的修正。

第七十五頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何利用頻譜儀測量相位噪聲第一個修正項：這里讀出的噪聲電平N是等效帶寬B內通過的總噪聲電平；折合成每1Hz帶寬應加修正項（-10logB）；

第七十六頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何利用頻譜儀測量相位噪聲第二個修正項：頻譜儀的縱細刻度讀數是按測正弦信號校準的，測噪聲時頻譜儀的峰值檢波器和對數放大器將使噪聲電壓有效值和功率電平讀數偏低約2.5dB；應加“頻譜儀效應”修正項（＋2.5dB）；第七十七頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例如何利用頻譜儀測量相位噪聲相位噪聲為：ζ(fm)=（N—C）dB-10lgB＋2.5dBC／Hz第七十八頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例利用頻譜儀測量相位噪聲的幾點限制此方法不能從相位噪聲中排除調幅噪聲，故調幅噪聲必須小于ζ(fm)l0dB以上，才能正確應用；能測量（C-N）的范圍受頻譜儀動態(tài)范圍限制，即頻譜儀本振的噪聲電平必須比被測信號源的噪聲低得多；測量近載頻噪聲受頻譜儀帶寬限制。

此法最適于測量漂移較小但相應噪聲相對較高的信號源。

第七十九頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例載噪比的測量載噪比(C/N)通常用載波功率峰值與平均噪聲功率相差的dB數來表示；測量載噪比也就是測量平均噪聲功率與載波功率之間相差的dB數；噪聲功率一般是指1Hz帶寬下的測量值，通常是用dBm/Hz或W/Hz為單位來表示。

第八十頁，共89頁。頻譜分析儀頻譜儀的應用示例載噪比的測量C/N測量辦法是先測出載波的幅度，然后關斷載波，測出噪聲功率，最后用載波幅度的dB數減去噪