频谱仪原理与使用介绍

2008年4月频谱仪原理与使用介绍主讲：李家杰2008年4月z频谱测量的意义z频谱仪的工作原理z频谱仪各主要组件的功能z频谱仪的正确使用z频谱仪的各项参数设置介绍z频谱仪的校准z利用频谱仪进行测量的一些技巧2008年4月频谱测量的意义•频谱分析仪对于信号分析来说是不可少的。它是利用频率域对信号进行分析、研究，同时也应用于诸多领域，如通讯发射机以及干扰信号的测量，频谱的监测，器件的特性分析等等，各行各业、各个部门对频谱分析仪应用的侧重点也不尽相同。2008年4月频谱测量的意义•科学发展到今天，我们可以用许多方法测量一个信号，不管它是什么信号。通常所用的最基本的仪器是示波器---观察信号的波形、频率、幅度等，但信号的变化非常复杂，许多信息是用示波器检测不出来的，如果我们要恢复一个非正弦波信号F，从理论上来说，它是由频率F1、电压V1与频率为F2、电压为V2信号的矢量迭加。2008年4月频谱测量的意义•从分析手段来说，示波器横轴表示时间，纵轴为电压幅度，曲线是表示随时间变化的电压幅度，这是时域的测量方法。•如果要观察其频率的组成，要用频域法，其横坐标为频率，纵轴为功率幅度。这样，我们就可以看到在不同频率点上功率幅度的分布，就可以了解这两个（或是多个）信号的频谱分布。Atf时域频域2008年4月频谱测量的意义•所以说有了这些单个信号的频谱，我们就能把复杂信号再现、复制出来。这一点在我们要对复杂信号进行频率测量和分析时，是非常重要的，是时域分析所无法实现的。2008年4月频谱仪的工作原理•从技术实现来说，目前有两种方法对信号频率进行分析。•其一是对信号进行时域的采集，然后对其进行傅里叶变换，将其转换成频域信号。我们把这种方法叫作动态信号的分析方法。特点是比较快，有较高的采样速率，较高的分辨率。即使是两个信号间隔非常近，用傅立叶变换也可将它们分辨出来。2008年4月频谱仪的工作原理•但由于其分析是用数字采样，所能分析信号的最高频率受其采样速率的影响，限制了对高频的分析。目前来说，最高的分析频率只是在10MHz或是几十MHz，也就是说其测量范围是从直流到几十MHz。是矢量分析。•这种分析方法一般用于低频信号的分析，如声音，振动等。2008年4月频谱仪的工作原理•另一方法原理则不同。它是靠电路的硬件去实现的，而不是通过数学变换。它通过直接接收，称为超外差接收直接扫描调谐分析仪。我们叫它为扫描调谐分析仪。•在工作中通常所用的HP-859X系列频谱仪都是此类的分析仪。其特点是扫描调谐分析法受器件的影响，只要我们把器件频率做得很高，其分析能力就会很强。目前的工艺水平，器件可达到100GHz，最高甚至可做到325GHz。其频率范围要比前一种分析方法大很多。只是在达到较高分辨率时，其分析测量的时间会有所增加。2008年4月频谱仪的工作原理•下面我们着重介绍一下扫描调谐分析仪的基本原理•从图中，我们不难看出，它是用超外差接收机的方式来实现频谱分析的LO检波器扫描显示器RF输入本振滤波器2008年4月频谱仪的工作原理•最基本的核心部分是它的混频器。基本功能是将被测信号下变至中频21.4MHz，然后在中频上进行处理，得到幅度。在下变频的过程中，是由本振来实现下变频的。本振信号是扫描的，本振扫描的范围覆盖了所要分析信号的频率范围。所以调谐是在本振中进行的。全部要分析的信号都下变频到中频进行分析并得到谱频。2008年4月频谱仪的工作原理•当然，频谱仪在输入信号时并没有直接将其接入混频器，而是首先接入一个衰减器。这不会影响最终的测量结果，完全是为了仪表内部的协调，如匹配、最佳工作点等等。它的衰减值是步进的，为0dB、5dB、10dB，最大为60dB。•还有的频谱仪是不能输入直流的，否则也会损坏器件。另外，还应注意不能有静电，因为静电的瞬时电压很高，容易把有源器件击穿。日常工作中把仪表接地就会有很好的效果，当然要有保护接地会更好。2008年4月频谱仪的工作原理•在中频，所有信号的功率幅度值与输入信号的功率是线性关系。输入信号功率增大，它也增大，反之相同。所以我们检测中频信号是可行的。另外，为了有效检测，要有一个内部中频信号放大。混频器本身有差落衰减，本频和射频混频之后它并不是只有一个单一中频出来，它的中频信号非常丰富，所有这些信号都会从混频器中输出。在众多的谐波分量中，只对一个中频感兴趣。也就是前面所说的21.4MHz。这是在仪器器件中做好的，用一个带通滤波器把中心频率设在21.4MHz，滤除其它信号，提取21.4MHz的中频信号。通过中频滤波器输出的信号，才是我们所要检测的信号。2008年4月频谱仪的工作原理•滤波器在工作中有几个因素：中心频率是21.4MHz，固定不变，其30dB带宽可以改变。比如对广播信号来说，其带宽一般是几十kHz，若信号带宽是25kHz，中频的带宽一定要大于25kHz。这样，才能使所有的信号全部进来。如果太宽，就会混入其它信号；如果太窄，信号才进来一部分，或是低频成份，或是高频成份。这样信号是解调不出来的。•中频带宽设置根据实际工作的需要来决定的。当然它会影响其它很多因素，如底噪声、信号解调的失真度等。•经过中频滤波器的中频信号功率就是反应了输入信号的功率。检测的方法就是用一个检波器，将它变为电压输出，体现在纵轴的幅度。当然还要经过D/A转换和一些数据处理，加一些修正和一些对数、线性变换。这足以给我们带来信号分析上的许多方便。2008年4月频谱仪的工作原理•频谱分析是要分析频域的。一个信号要分析两个参数，一是幅度，二是频率。幅度已经得出，而频率和幅度要对应起来，在某一频率是什么幅度。下面介绍一下频率是如何测量的，如何与幅度对应起来。•它是通过本振与扫描电压对应起来的。本振是一个压流振荡器。本振信号是个扫描信号。扫描控制是由扫描控制器来完成的。它同时控制显示器的横坐标。从左到右当扫描电压在0V时，在显示器上是0点，对本振信号来说是F1点，即起始频率点。当扫描电压到10V时，在显示器上是终止频率点，本振电压就是在终止频率点，中间是线性的。通过这样的方法，使得显示器坐标的每一点与本振F1、F2的每一点对应起来：射频信号是本振信号减去中频信号21.4MHz。当我们操作频谱仪进行分析时，实际是在改变本振信号的频率。2008年4月频谱仪各主要组件的功能•在了解了频谱仪的基本工作原理后，我们将更进一步深入了解频谱仪的结构及各主要组件的功能。•下面我们将以惠普公司生产的HP8596频谱仪来进行介绍与分析。2008年4月频谱仪各主要组件的功能•HP8596系列频谱仪的简化原理框图FRF输入衰减器YTF低通滤波第一变频第二变频第三变频低通滤波带通滤波第一本振扫描斜波发生器带通滤波步进放大器LOG对数放大器检波器显示器MIX1MIX22008年4月频谱仪各主要组件的功能•如图，微波信号经输入衰减器后被分成两路，分别输入到高、低两个波段。•在低波段，频率为9kHz～2．95GHz的信号被切换到第一变频器中的基波混频器部分（MXR1），得到第一中频F1IF（3．9214MHz），F1IF经过第二变频器得到第二中频F2IF（321．4MHz）。高波段，频率为2．75GHz～22GHz的信号被切换到预选器（YTF），预选后的信号输入到第一变频器中的谐波混频器部分（MXR2），得到第二中频F2IF。F2IF经第三变频器变换得到第三中频F3IF（21．4MHz）。2008年4月频谱仪各主要组件的功能•在该中频上，对信号进行处理，使信号经不同带宽滤波器的选择，再经过线性及对数放大、检波、数字量化和显示。调谐方程如下：•低波段：F1LO-FRF=F1IFF1IF-F2LO=F2IF•高波段：N*F1LO-FRF=F2IF•式中：N为谐波混频次数，F1LO为第一本振频率，F2LO为第二本振频率，FRF为输入信号频率。2008年4月频谱仪各主要组件的功能•输入衰减器是0～70dB；以10dB步进的程控衰减器，主要用途是扩大频谱仪的幅度测量范围，使幅度测量上限扩展到＋30dBm。它不但用于保护第一变频器过载，并且用于优化混频器电平以实现最大的测量动态范围。该衰减器的默认状态设置是10dB，用于改善频谱仪和被测源之间的匹配。2008年4月频谱仪各主要组件的功能•第一本振采用YIG调谐振荡器（YTO），它具有主线圈和副线圈两个控制端口，改变流过线圈中的电流的大小就可以改变输出频率。•扫频是利用一个斜波信号加在YTO驱动电路上来实现的。它提供的频率范围为3～6.8GHz，用于驱动第一变频器。•扫描斜波发生器产生－10V～＋10V的扫描电压，变换成斜波电流后，用于驱动YTO的扫频。•通常利用跟踪锁频技术或频率合成技术，将本振锁定在参考源上，以提高本振的调谐准确度和稳定度。2008年4月频谱仪各主要组件的功能•通常利用跟踪锁频技术或频率合成技术，将本振锁定在参考源上，以提高本振的调谐准确度和稳定度。•变频器的作用就是将微波信号变换成低频，对于频率范围为9kHz～22GHz的宽带频谱仪，它的第一变频器中包含有两个混频器，一个是用于低波段的基波混频器，另一个是用于高波段的谐波混频器。•变频器中还包括6dB衰减器、单刀双掷开关及匹配网络等。它们分别在石英和陶瓷衬底上，是采用微带技术与集总元件相结合来实现的。因此，第一变频器是宽带频谱仪中最关键的微波部件之一。2008年4月频谱仪各主要组件的功能•第二变频器主要完成第一中频到第二中频的变换。本振频率是3．6GHz，它由600MHz倍频获得。•第三变频器将第二中频变换到第三中频，其本振为300MHz。•步进增益放大器对第三中频信号进行放大，主要用于参考电平和衰减器变化时整机增益的调整。•带宽滤波器可以提供3MHz～30Hz以1、3、5为步进的多种不同的分辨率带宽。2008年4月频谱仪各主要组件的功能•调谐滤波器（YTF），用于预选信号，该器件是宽带微波器件，具有30kHz的滤波带宽，设计上总是被第一本振所调谐，并有一个固定的频差（F2IF）。•对数放大器是将信号作对数处理，扩大测量显示动态范围。交流信号由检波器转化为视频信号，再进行数字量化。经过各种运算得到的测量结果输出在显示器上。2008年4月频谱仪的正确使用•由于频谱仪是一种比较贵重的综合性仪器，一般每台价格都在二十万元以上，一旦损坏，相应的维修费用比较高，且维修周期比较长，因此使用时应格外小心。•首先，对于频谱仪来说电源是非常重要的，在给频谱仪加电之前，一定要确保电源接法正确，保证地线可靠接地。频谱仪配置的是三芯电源线，开机之前，必须将电源线插头插入标准的三相插座中，千万不要使用没有保护地的电源线，以防止可能造成的人身伤害。2008年4月频谱仪的正确使用•其次，在对信号进行精确测量前，开机后应预热三十分钟，当测试环境温度改变3—5度时，频谱仪应重新进行校准。•第三，任何频谱仪在输入端口都有一个允许输入的最大安全功率，称为最大输入电平•如频谱分析仪HP8596就要求连续波输入信号的最大功率不能超过＋30dBmW(1W)，且不允许直流输入。若输入信号值超出了频谱仪所允许的最大输入电平值，则会造成仪器损坏；2008年4月频谱仪的正确使用•若输入信号值超出了频谱仪所允许的最大输入电平值，则会造成仪器损坏；•对于不允许直流输入的频谱仪，若输入信号中含有直流成份，则也会对频谱仪造成损伤。记住这点非常重要，一般频谱仪的最大输入电平值通常在前面板靠近输入连接口的地方标出2008年4月频谱仪的正确使用•如果频谱仪不允许信号中含有直流电压，当测量带有直流分量的信号时，应外接一个恰当数值的电容器用于隔直流。RFINPUT频谱分析仪RF信号50Ω50Ω1μF隔直电路2008年4月频谱仪的正确使用•当对所测信号的性质不太了解时，我们可采用以下的办法来保证频谱仪的安全使用：1.如果有RF功率计，可以用它来先测一下信号电平；2.如果没有功率计，则在信号电缆与频谱仪的输入端之间应接上一个一定量值的外部衰减器，频谱仪应选择最大的射频衰减和可能的最大基准电平，并且使用最宽的频率扫宽(SPAN)，保证可能偏出屏幕的信