频谱分析仪讲稿

频谱分析仪主要内容•介绍频谱分析仪内部结构及工作原理•介绍频谱分析仪主要参数的设置•阐述频谱分析仪的主要测量应用•简述注意事项8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz要达到的学习目标•了解频谱分析仪结构原理•熟练应用频谱分析仪•合理设置频谱分析仪主要参数•降低测试误差频域和时域的概念时域：是信号在时间轴上显示的波形频域：是在频率轴上显示信号所包含的频率tufu频域和时域•傅立叶变换原理告诉我们：任何时域内电信号都是由一个或多个不同频率、不同幅度和不同相位的正弦波或余弦波组成的，但应用示波器无法观察到频域内信息，只能在时域内观察到信号波形；•应用频谱分析仪在频域测量，就能显示出信号所包含的所有正弦波或余弦波的频率分量；幅度(功率)时域测量频域测量tU时域f03f0f频域•上图是信号在时域和频域内观察的结果，由此可以清楚看出信号在时域得到的是信号的波形信息，不能分析频率分量。如果存在干扰或谐波失真信号，在时域上无法区分。•在频域上可以准确地测量有用信号和无用信号的各种参数。这就是频域观察的必要性。频域观察的必要性2频谱分析仪结构及原理频谱分析仪的类型1.谱分析仪主要有超外差式频谱分析仪2.快速傅立叶变换（FFT）频谱分析仪：被分析的信号通过模数转换器采样，变成离散信号，采样值被保存在一个存储器中，经过离散FFT变换计算，计算出信号的频谱。FFT分析仪仅适合测量低频信号。超外差频谱分析仪这种频谱分析仪，首先输入信号与连续扫频本振进行混频，再与固定本振混频变到中频21.4MHz，经过可变增益放大器中频滤波器，再经一个可变增益放大器（或对数放大器）经过检波视频滤波显示在显示屏上的频率轴上。超外差频谱分析仪内部结构如下图滤波器频率基准对数放大器RF输入衰减器混频器IF滤波器包络检波器视频滤波器本地振荡器扫频发生器IF增益输入显示IF增益t/f输入信号与本振混频经中频滤波显示在屏幕上f2f1f3finfloIF=flo-finIFt1/f1t2/f2t3/f3混频滤波ff屏幕显示检波t1t2t3PUVUPUVU0000000()(1cos)sin11sinsin()sin()22MMMUutUttUUtUtUtf1f2f3(f1、f2,f3)(f1,f2、f3)(f1,f2、f3)L1L2L3•（1）射频输入部分（前端）•在电信领域中应用的测量仪器的输入要求一样，频谱分析仪通常采用的输入阻抗50欧姆。为了能在输入阻抗的系统中应用，如有线电视、广播系统中，比输入阻抗应用更为广泛，在这样的系统中用频谱分析仪进行测试时，通常需要一个的阻抗变换器，否则，会由于不匹配造成的测量误差。•实现转换最简单的方法是串一个的阻抗。虽然后者的插入损耗低（大约1.8dB），但只是输入的匹配，而输出到频谱仪的射频连接却处于失配，如图（9.14）a所示。频谱仪的输入阻抗偏离了，由于多径反射会造成测量误差。为此，建议使用两端都匹配的衰减器（如或衰减器），如图（9.14）b所示，在这种情况下，会造成高的插入损耗。匹配（2）低通滤波器低通滤波器的主要作用是抑制镜像频率。LORFIF镜像为了保证接收有用信号的质量，需在射频混频器前加入滤波器来抑制镜像频率。信号带宽窄采用低中频模式比较容易处理。见下图：~本振混频低通衰减带通混频：信号镜像中频低通△fI本振finminfimminfLmin低中频模式：△fI△fIfLfimfinfI△fI△fI△fI△fI△fIfLfinfim当输入信号频带很宽时，采用低中频混频模式，镜像与信号重叠。低通滤波器不能将镜像噪声滤除，中频将叠加镜像噪声。解决这个问题的方法是采用比信号高的中频方案。见下页：低中频模式不能抑制镜像采用高中频模式将信号与镜像分开输入信号本振镜像中频fIfinminfinmaxfLminfLmaxfimmin△fI△fI△fI△fI高中频模式可以抑制镜像（3）衰减器衰减器主要有三个作用1.保护频谱仪不受损坏：测量高电平信号时，为了不烧坏频谱分析仪，必须对信号进行衰减；2.提高测试的准确性：混频器是非线性器件，当混频器输入信号电平较高时，输出信号电平超过混频器1dB压缩点电平，使无互调范围减小，输出会产生三阶五阶互调和谐波失真。测试结果会不准确。3.提高频谱仪动态范围：通过设置步进衰减器调节进入混频器的电平，可以得到较大的动态范围（3）混频器•混频器的作用就是将输入高频信号转换成中频信号，由于混频器是非线性器件，输出会有很多频率成分：但我们需要的是•混频方式有两种：本振的基波混频和谐波混频，基波混频是输入信号与本振基波混频，而谐波混频是信号与本振信号的谐波混频。•谐波混频会造成相对高的转换损耗。•混频器对输入RF小信号而言是线性网络，当输入信号幅度逐渐增大时，就存在着非线性失真问题，所以输入信号的幅值应低于频谱分析仪混频器的1dB压缩点。fmfLORFnffRFLORFLOIF×已调中频If本地振荡器LO滤波器BPF射频输出RF图4-17上变频器上变频是一个非线性过程。变频器的输入/输出特性可以用台劳级数来描述：V0（t）=a0+a1x+a2x2+a3x3+。。。。。。（1）u1=Um1cosω1t,信号u2=Um2cosω2t将x=Um1cosω1t,+Um2cosω2t代入式（1）,则可以求得V0（t）中的各频率分量表达式：ωo=|±pω1±qω2|p、q=0,1,2,…(2)式（2）表明,输出信号包含基波、谐波、基波谐波的各种不同组合。为了简单说明问题，现在我们只单独来看（1）式中的x2项。将x=Um1cosω1t,+Um2cosω2t代入x2就得到：（Um1cosω1t,+Um2cosω2t）2=（Um1cosω1t）2+2Um1cosω1tUm2cosω2t+（Um2cosω2t）2。。。。。。（3）Um1cosω1tUm2cosω2t=1/2{Um1Um2[cos（ω1t＋ω2t）＋cos（ω1t-ω2t）]}。混频器（4）增益可变中频放大器•输入信号经过了前置衰减器，混频器电平降低，为了恢复信号幅值，在混频后对中频信号进行放大。•在放大有用信号的同时，噪声和干扰信号也被同时放大•与RF衰减器捆绑在一起（5）中频滤波器•中频信号经放大后，然后经过中频滤波器，中频滤波器是一个带通滤波器，它选出需要的混频分量，抑制掉其他不需要的信号。中频滤波器的带宽决定了频谱分析仪的RBW范围•根据频谱分析仪类型不同，中频滤波器有模拟滤波器、数字滤波器和FFT滤波器滤波器的带宽通常为3MHz、1MHz、300KHz、100KHz、30KHz、10KHz、3KHz、1KHz、300Hz、100Hz、10Hz、1Hz分辨率带宽（RBW）越窄靠近的两个信号辨别越清楚RBW（6）模拟滤波器•模拟滤波器用来实现大的分辨率带宽。一般频谱仪为4级滤波电路，也有5级滤波电路产品，这样可分别得到14和10的波形因子，然而理想的高斯滤波器的波形因子为4.6•波形因子即带宽选择性，简称选择性。在实际测量中，经常会遇到这种情形，两个频率接近的信号幅度不等，大信号形成的响应曲线掩盖了小信号，使小信号丢失，所以很多公司产品提供了滤波器3dB带宽，表示等幅正弦信号频率相差多少时仍能将它们区分开，这样的合成响应曲线仍有两个峰值，中间下沉大约3dB,如下图所示•有些频谱分析仪的带宽选择性定义为60dB与3dB带宽之比，如下图，也有的频谱分析仪的选择性用60dB和6dB带宽之比表示3dB60dB60dBBW3dBBW3dBBW选择性=（7）滤波器矩形系数•两等幅信号的测试3dB10kHz10kHzRBW3dB60dBRBW=1KRBW=10K（8）数字中频滤波器通过数字滤波器可以获得很窄的带宽。和模拟滤波器相比，理想的高斯滤波器可以实现。数字滤波器在可接受的价格内有更好的选择性。如5级电路模拟滤波器的波形因子为10，高斯滤波器为4.6。另外，数字滤波器有更好的温度稳定性，无需调整，所以在带宽上更加精确由于数字滤波器的瞬态相应已经确定，使用合适的修正系数可使数字滤波器获得比模拟滤波器在相同带宽的情况下更短的扫描时间典型选择性模拟15:1数字5:1模拟滤波器数字滤波器（9）FFT滤波器如果单纯为了测试精度而设置非常窄的分辨率带宽，则会造成无法容忍的长时间扫描，因此在非常高的分辨率的情况下建议采用FFT滤波器，从时域特性计算频谱，见下图。当采用FFT滤波器时，频率非常高的信号不能通过A/D直接采样，须经过与本振混频变为中频并在时域对带通信号取样X(t)A/DRAMFFT（10）对数放大器•检波器之前有一个对数放大器，对数放大器按照对数函数来压缩信号电平（对于输入电压幅度v,输出电压幅度为logv），这大大减小了由检波器所检测的信号电平变化，而同时向用户提供校准成用分贝读数的对数垂直刻度，在频谱分析仪中，由于信号电平大幅度变化，故需要采用对数刻度对数放大器（11）检波器•频谱分析仪一般都是用包络检波器把IF信号变换成视频。包络检波器最简单的形式是一个二极管后面接一个并联的RC电路，如下图•峰值检波器由二极管和RC电路组成，其输出要跟随IF信号的包络而变化，它必然也具有一定的响应时间，这就是检波器的时间常数。时间常数太大，检波器就不能及时跟上包络变化的速度；扫描速度的快慢也会对检波器输出产生影响，扫描太快，检波器电路来不及响应，其输出幅度也就反映不出包络的变化检波方式•不同的检波方式在显示屏上会有不同的数据处理，频谱分析仪主要有以下检波方式：•最大峰值检波•最小峰值检波•取样检波•RMS检波器•平均值检波最大峰值检波取样检波最小峰值检波（12）视频滤波器•视频滤波器在包络检波器之后，视频滤波器决定了视频带宽，视频滤波器是第一级低通设置，用于从视频信号中滤除噪声，平滑轨迹，从而使显示结果稳定。和分辨率带宽类似，视频带宽也会限制最大允许扫描速度，要达到最小的扫描时间需要增大视频带宽•S/N比较低时，可以通过减小VBW来稳定显示，弱信号会在频谱中突现出来并且稳定可再现。在测量正弦波信号时，减小VBW，对电平无影响未经视频滤波经过视频滤波（13）锯齿波发生器、本振和显示•锯齿波发生器既控制显示器上X轴扫描位置，又控制LO的频率，所以就可以通过校准，用显示器的水平轴来表示输入信号频率•任何振荡器都不是绝对稳定的，而是在一定程度上被随机噪声调频或调相的。LO的不稳定性会直接影响由LO和输入信号混频后的中频，因此，LO的相位噪声调制边带也会在显示器上任何谱分量的两边出现，LO越稳定，相位噪声越低•YIG振荡器经常被用作本振，也由一些频谱仪采用压控振荡器作为本振，其调节范围较小，但较YIG调整起来更快；为了增加频谱仪的频率精度，本振信号可以是合成信号，也就是说，本振经锁相环锁定在参考信号上。参考信号通常由一个温控晶振产生，为了增加频率精度与长期的稳定性，大多数频谱仪广泛采用恒温控制晶振显示屏X轴扫描Y轴信号频谱分析仪性能指标•频谱分析仪有以下主要性能指标：•滤波器特性•相位噪声•接收机的固有噪声•系统非线性•1dB压缩点•动态范围•测量精度•下面就这些指标分别讨论（1）分辩滤波器特性•中频滤波器需要矩形滤波器，但对频谱分析仪而言，矩形滤波器的瞬态响应是不合适的。由于这样的滤波器与较长的瞬态响应时间，输入信号的频谱应通过十分缓慢的本振调谐变到中频仪避免幅度误差。使用优化瞬态响应的高斯滤波器可以获得较短的测试时间•滤波器的特性常以波形系数来定义：SF＝BW（60dB）/BW(3dB)失真产物（2）相位噪声•相位噪声是振荡器短时间稳定度的度量参数,尽管我们看不到频谱分析仪LO系统的实际频率抖动，但LO频率或相位不稳定的表现是可以观察到的，这就是相位噪声•相位噪声通常是以一个单载波的幅度为参考，并偏移一定的频率下的单边带相位噪声。这个数值是指在1Hz带宽下的相对噪声电平，故其单位为dBc(1Hz)或dBc/Hz,c表示载波，由于相位噪声电平比载波电平低，所以定义为负值•相位噪声主要影响频谱分析仪的分辨率和动态范围噪声边带（3）