频谱仪原理简介一

频谱分析仪，简称频谱仪，是在频域上分析信号特征的工具，如信号的频率分布、频率、功率谐波、杂波噪声、干扰失真等。 一、 频谱 频谱是一组正弦波，经过适当组合后，形成被考察的时域信号。 上图显示了一个复合信号的波形，假定我们希望看到的是正弦波，但显然图示信号不是纯粹的正弦波，而仅靠观察又很难确认其中的原因。而对应到下图，同时在时域和频域显示了这个复合信号。频域图形描绘了频谱中每个正弦波的幅度随频率的变化情况。 常见的频谱分析测试包括频率和功率、调制、失真和噪声测量。 频谱分析仪分为超外差式频谱分析仪和非超外差式频谱分析仪（傅里叶频谱分析仪）。傅里叶频谱分析仪常用于40MHz以下的基带信号分析。 二、频谱仪分析原理结构 图2-1：超外差式频谱分析仪结构 “外差”是指混频，即对频率进行转换，“超”则是指超音频频率或高于音频的频率范围。从图中我们看到，输入信号先经过一个衰减器，再经低通滤波器 (稍后会看到为何在此处放置滤波器) 到达混频器，然后与来自本振 (LO) 的信号相混频。由于混频器是非线性器件，其输出除了包含两个原始信号之外，还包含它们的谐波以及原始信号与其谐波的和信号与差信号。若任何一个混频信号落在中频 (IF) 滤波器的通带内，它都会被进一步处理 (被放大可能还有按对数压缩)。重要的处理过程有包络检波、数字化以及显示。斜坡发生器在屏幕上产生从左到右的水平移动，同时它还对本振进行调谐，使本振频率的变化与斜坡电压成正比。 2.1 射频输入衰减器 分析仪的第一部分是射频输入衰减器。它的作用是保证信号在输入混频器时处在合适的电平上，从而防止发生过载、增益压缩和失真。由于衰减器是频谱仪的一种保护电路，所以它通常是基于参考电平值而自动设置，不过也能以 10 dB、5 dB、2 dB 甚至 1 dB 的步进来手动选择衰减值。 ◆机械的或电子的 ◆保护频谱仪不受高电平信号损坏 ◆改善仪器端口的匹配特性 ◆提高测试的准确性 ◆提高频谱仪动态范围 注意的是这里的衰减器衰减值加大时，仪器的本底噪声也会被抬高。 2.2 低通滤波器或预选器 低通滤波器的作用是阻止高频信号到达混频器。这样防止带外信号与本振相混频在中频产生多余的频率响应。微波频谱分析仪用预选器代替了低通滤波器，预选器是一种可调滤波器，能够滤掉我们所关心的频率以外的其它频率上的信号。 2.3 本地振荡器与与混频器 调谐取决于中频滤波器的中心频率、本振的频率范围和允许外界到达混频器 (允许通过低通滤波器) 的频率范围。从混频器输出的所有信号分量中，有两个具有最大幅度的信号是我们最想得到的，它们是由本振与输入信号之和以及本振与输入信号之差所产生的信号分量。如果我们能使想观察的信号比本振频率高或低一个中频，则所希望的混频分量就会落入中频滤波器的通带之内，随后会被检波并在屏幕上产生幅度响应。 为了使分析仪调谐至所需的频谱范围，我们需要选择合适的本振频率和中频。假定要求的调谐范围是 0 ~ 3 GHz，接下来需要选择中频频率。如果选择中频为 1 GHz，这个频率处在所需的调谐范围内。我们假设有一个 1 GHz 的输入信号，又由于混频器的输出包含原始输入信号，那么来自于混频器的 1 GHz 的输入信号将在中频处有恒定的输出。所以不管本振如何调谐，1 GHz 的信号都将通过系统，并在屏幕上给出恒定的幅度响应。其结果是在频率调谐范围内形成一个无法进行测量的空白区域，因为在这一区域的信号幅度响应独立于本振频率。所以不能选择1GHz 的中频。也就是说，中频频率不能处于所考察的频段内。 因此我们在比调谐频段更高的频率上选择中频。假设调谐至3GHz 的频谱分析仪，所选的中频频率约为 3.9 GHz。现在我们想从0 Hz (由于这种结构的仪器不能观察到 0 Hz 信号，故实际上是从某个低频) 调谐到3 GHz。选择本振频率从中频开始 (LO- IF = 0 Hz) 并向上调谐至高于中频 3 GHz，则 LO-IF 的混频分量就能够覆盖所要求的调谐范围。运用这个原理，可以建立如下调谐方程: f s i g = f L O − f I F f_{sig}=f_{LO}-f_{IF} fsig​=fLO​−fIF​ 式中， f s i g f_{sig} fsig​ = 信号频率， f L O f_{LO} fLO​ = 本振频率， f I F f_{IF} fIF​= 中频 (IF)。 如果想要确定分析仪调谐到低频、中频或高频信号 (比如1kHz、1.5GHz 或 3GHz) 所需的本振频率，首先要变换调谐方程得到 f L O = f s i g + f I F f_{LO}=f_{sig}+f_{IF} fLO​=fsig​+fIF​ 然后代入信号和中频频率 : f L O f_{LO} fLO​=1kHz+3.9GHz=3.900001GHz f L O f_{LO} fLO​=1.5GHz+3.9GHz=5.4GHz f L O f_{LO} fLO​=3GHz+3.9GHz=6.9GHz 可以认为对于单频段射频频谱分析仪，选择的中频频率应高于调谐范围的最高频率，使本振可以从中频调谐至调谐范围的上限频率，同时在混频器前端放置低通滤波器来滤除 中频以上频率。 2.4 中频增益 放大器 图2-1 结构框图的下一个部分是一个可变增益放大器。它用来调节信号在显示器上的垂直位置而不会影响信号在混频器输入端的电平。当中频增益改变时，参考电平值会相应的变化以保持所显示信号指示值的正确性。通常，我们希望在调节输入衰减时参考电平保持不变，所以射频输入衰减器和中频增益是联动的。在输入衰减改变时中频增益会自动调整来抵消输入衰减变化所产生的影响，从而使信号在显示器上的位置保持不变。 2.5 中频滤波器 中频增益放大器之后，就是由模拟和/或数字分辨率带宽 (RBW) 滤波器组成的中频部分。 2.5.1 模拟滤波器 频率分辨率是频谱分析仪明确分离出两个正弦输入信号响应的能力。傅立叶理论告诉我们正弦信号只在单点频率处有能量，好像我们不应该有什么分辨率问题。两个信号无论在频率上多么接近，似乎都应在显示器上表现为两条线。但是超外差接收机的显示器上所呈现的信号响应是具有一定宽度的。混频器的输出包括两个原始信号 (输入信号和本振) 以及它们的和与差。中频由带通滤波器决定，此带通滤波器会选出所需的混频分量并抑制所有其它信号。由于输入信号是固定的，而本振是扫频的，故混频器的输出也是扫频的。若某个混频分量恰好扫过中频，带通滤波器的特性曲线就会在显示器上被描绘出来，如图 2-6 所示。 频率分辨率是频谱分析仪明确分离出两个正弦输入信号响应的能力。傅立叶理论告诉我们正弦信号只在单点频率处有能量，好像我们不应该有什么分辨率问题。两个信号无论在频率上多么接近，似乎都应在显示器上表现为两条线。但是超外差接收机的显示器上所呈现的信号响应是具有一定宽度的。混频器的输出包括两个原始信号 (输入信号和本振) 以及它们的和与差。中频由带通滤波器决定，此带通滤波器会选出所需的混频分量并抑制所有其它信号。由于输入信号是固定的，而本振是扫频的，故混频器的输出也是扫频的。若某个混频分量恰好扫过中频，带通滤波器的特性曲线就会在显示器上被描绘出来，如图 2-6 所示。 在这里插入图片描述 因此，两个输入信号频率必须间隔足够远，否则它们所形成的迹线会在顶部重叠，看起来像是只有一个响应。所幸的是，频谱分析仪中的分辨率 (IF) 滤波器可调，所以通常能找到一个带宽足够窄的滤波器来分离频率间隔很近的信号。 安捷伦频谱仪的技术指标使用可用的IF 滤波器的3dB 带宽来描述频谱仪分辨信号的能力。这些数据告诉我们两个等幅正弦波相距多近时还能依然被分辨。这时由信号产生的两个响应曲线的峰值处有3dB 的凹陷，如图2-7 所示，两个信号可以被分辨。当然这两个信号还可以再近一些直到它们的迹线完全重叠，但通常以 3dB 带宽作为分辨两个等幅信号的经验值。 图2-7 间距等于所选IF滤波器3dB带宽的两个等幅正弦信号能够被分辨

我们碰到更多的情况是不等幅正弦波。有可能较小的正弦波被较大信号响应曲线的边带所淹没。这种现象如图 2-8 所示。顶部的轨迹线看起来是一个信号，但实际上它包含两个: 一个频率为300 MHz (0 dBm)，另一个频率为 300.005 MHz (-30 dBm)。在去除 300 MHz 的信号后，较小的信号才会显示出来。 图2-8 低电平信号被淹没在较大信号响应曲线的边带里

分辨率滤波器的另一个技术指标是带宽选择性 (也称选择性或形状因子)。带宽选择性决定了频谱仪分辨不等幅正弦信号的能力。安捷伦频谱分析仪的带宽选择性通常指定为 60dB 带宽与 3dB 带宽之比，如图2-9 所示。安捷伦分析仪中的模拟滤波器具有4个极点，采用同频调谐式设计，其特性曲线形状类似高斯分布4。这种滤波器的带宽选择性约为 12.7:1。 图 2-9 带宽选择性:60dB 带宽与 3dB 带宽之比

2.5.2 数字滤波器 一些频谱分析仪使用数字技术实现分辨率带宽滤波器。数字滤波器有很多优点，例如它能极大地改善滤波器的带宽选择性。安捷伦公司的PSA系列和 X 系列分析仪实现了分辨率带宽滤波器的全部数字化。另外像安捷伦ESA-E系列频谱仪，采用的是混合结构，带宽较大时采用模拟滤波器，带宽小于等于 300 Hz 时采用数字滤波器。 2.5.3 扫描时间 模拟分辨率滤波器 如果把分辨率作为评价频谱仪的唯一标准，似乎将频谱仪的分辨率 (IF) 滤波器设计得尽可能窄就可以了。然而，分辨率会影响扫描时间，而我们又非常注重扫描时间。因为它直接影响完成一次测量所需的时间。 考虑分辨率的原因是由于中频滤波器是带限电路，需要有限的时间来充电和放电。如果混频分量扫过滤波器的速度过快，便会造成如图 2-14 所示的显示幅度的丢失 (关于处理中频响应时间的其它方法，见本章后面所述的“包络检波器”)。如果我们考虑混频分量停留在中频滤波器通带内的时间，则这个时间与带宽成正比，与单位时间内的扫描 (Hz)成反比，即： 通带内的时间= R B W S p a n / S T = R B W ∗ S T S p a n \frac{RBW}{Span/ST}=\frac{RBW*ST}{Span} Span/STRBW​=SpanRBW∗ST​ 其中，RBW = 分辨率带 ST = 扫描时间 图 2-10 扫描过快引起显示幅度的下降和所指定频率的偏移

另一方面，滤波器的上升时间又与其带宽成反比，如果我们引入比例常数 k，则有: 上升时间= k R B W \frac{k}{RBW} RBWk​ 若使前面讨论的这两个时间相等，并求解扫描时间，得到 k R B W = R B W ∗ S T S p a n \frac{k}{RBW}=\frac{RBW*ST}{Span} RBWk​=SpanRBW∗ST​ S T = k ∗ S p a n R B W ∗ R B W ST=\frac{k*Span}{RBW*RBW} ST=RBW∗RBWk∗Span​ 安捷伦许多频谱仪中所采用的同步调谐式准高斯滤波器的 k 值在 2 ~ 3 之间。我们得出的重要结论是: 分辨率的变化对扫描时间有重大影响。大多数安捷伦频谱仪都能按 1、3、10 的规律或大致等于 10 的平方根的比率提供步进值。所以，当分辨率每改变一档，扫描时间会受到10 倍的影响。许多安捷伦频谱分析仪提供的带宽间隔可达 10%，以实现扫宽、分辨率和扫描时间三者更好的折衷。 数字分辨率滤波器 安捷伦频谱分析仪中所使用的数字分辨率滤波器对扫描时间的影响与之前所述的模拟滤波器不同。对于扫描分析，利用数字技术实现的滤波器的扫描速度提高至原来的 2 ~ 4 倍，而基于 FFT 算法的数字滤波器则表现出比这更好的性能。产生这种改进的原因是信号会在多个频域块上同时被处理。例如，如果频率范围为 1 kHz，那么当我们选择10Hz 的分辨率带宽时，分析仪实际上是在1kHz 单元中通过100 个相邻的10 Hz 滤波器同时处理数据。如果数字处理的速度能达到瞬时，那么可以预期扫描时间将缩短 100 倍。实际上缩减的程度要小些，但仍然非常有意义。