频谱分析仪技术基础.docx

1、频谱分析仪技术基础频谱分析仪技术基础 频谱分析仪技术基础议题阐述频谱分析仪测量的主要应用介绍频谱分析仪内部结构及工作原理说明频率分辨率、灵敏度和动态范围等重要指标在分析仪测量中的重要作用针对PHS测试简述注意事项要达到的学习目标熟练应用频谱分析仪了解频谱分析仪结构原理了解频谱分析仪性能指标掌握PHS测试频谱分析仪参数设置频谱分析仪应用从事通信工程的技术人员在很多时候需要对信号进行分析针对不同观察域分别用示波器、频谱分析仪和矢量分析仪观察信号示波器只能观察信号的幅度、周期和频率但频谱分析仪还可以分析信号的频率分布信息、频率、功率、谐波、杂波、噪声、干扰和失真而矢量分析仪可以在频谱分析仪基础上分析

2、数字调制信号调制质量频域和时域早期的信号观察主要依赖示波器在时域内观察信号傅立叶变换告诉我们：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应用频域测量就能以频谱的形式显示出每个正弦波的幅度随频率变化的情况下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频域观察的必要性：时域得到的是信号的波形信息不能测量混合信号如果存在干扰或失真信号在时域上无法区分有用信号和无用信号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时间频谱分析仪结构及原理频谱分析仪的类型频谱分析仪主要有傅立叶频谱分析仪和超外差式频谱分析仪FF

3、T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频谱分析仪不足之处：FFT分析仪不适合脉冲信号的分析而且由于AD转换器速度的限制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对输入信号的分析并不是从时间特性计算得来的而是由频域分析直接决定的。 对于这样的分析必须把输入频谱分成各个独立的部分。 可调带通滤波器就是为此目的而使用的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增益输入显示原理分析信号分析过程如下：被测信号经过滤波和

4、衰减后和LO信号进入混频器混频转换成中频信号因为LO频率可变所以输入信号都可以被转换成固定中频经放大后进入中频滤波器（中心频率固定）然后进入一个对数放大器对中频信号进行压缩然后进行包络检波所得信号即视频信号为了平滑显示在包络检波之前通过可调低通滤波器即视频滤波视频信号在阴极射线管内垂直偏转即显示出在信号的幅度同时由于显示的频率值是扫频发生器电压值的函数所以对应被测信号的频率值于是被测信号的信息显示在LCD上下面将对频谱分析仪每个独立部件的工作原理和相互之间的作用做详细说明低通滤波器低通滤波器的主要作用是抑制镜像频率。 下图是低中频频谱分析仪输入频率与镜像频率范围的关系如果输入频率范围大于IF则

5、两频率范围会重叠,所以要求输入滤波器在不影响主信号的情况下抑制镜像抑制LOIMRFIFLO如果使用可调谐带通滤波器以抑制镜像频率则由于较宽的调谐范围使滤波器极为复杂所以采用高的第一中频使问题简化这种配置下镜像频率位于输入频率范围之上由于两个频率范围不会重叠故可利用低通滤波器抑制镜像频率三者范围关系如下图LORFIMIF衰减器衰减器主要有三个作用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会产生许多产物而且电平太高会干扰测试结果使无互调范围减小当输入信号电平在混频器dB压缩点以上时测试结果会不准确提高

6、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：基波混频和谐波混频基波混频是输入信号的基波混频而谐波混频是通过本振信号的谐波来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的dB压缩点中频放大器输入信号经过了前置衰减器电平降低为了恢复信号幅值补偿输入衰减器的变化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中频滤波器

7、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。 一般频谱仪为级滤波电路也有级滤波电路产品这样可分别得到和的波形因子然而理想的高斯滤波器的波形因子为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dB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

8、有两个峰值中间下沉大约dB,如下图所示有些频谱分析仪的带宽选择性定义为dB与dB带宽之比如下图也有的频谱分析仪的选择性用dB和dB带宽之比表示两等幅信号的测试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。 如级电路模拟滤波器的波形因子为高斯滤波器为。 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:数字:模拟滤波器数字滤波器FFT滤波器如果单纯为了测试精度而设置非常窄

9、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AD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)ADRAMFFT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的设计基于多级解调原理将许多个具有固定增益（每一级的增益通常为dB）的单元放大器级联起来。

10、 随后将每一级放大器的输出逐个相加以提供线性输出电压有些器件提供一个表示输入信号的相对相位的限幅输出对数放大器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自

11、动峰值检波取样检波RMS检波器平均值检波准峰值检波最大峰值检波取样检波最小峰值检波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SN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锯齿波发生器、本振和显示锯齿波发生器既控制显示器上曲线的位置又控制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

12、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dB压缩点动态范围测量精度下面就这些指标分别讨论分

13、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：SFBW（dB）BW(dB)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Hz带宽下的相对噪声电平故其单位为dBc(Hz)或dBcHz,

14、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分析仪的固有噪声固有噪声可以理解为频谱分析仪的热噪声。 固有噪声会导致输入信号信噪比的恶化。 所以固有噪声是频谱分析仪灵敏度的度量指标决定了频谱分析仪的最小可检测电平指标中的显示噪声平均电平必须对应相应的分辨率带宽和衰减器设置因为这两个指标对显示的噪声电平都有影响。 典型情况下是设置衰减器为dB和最小分辨率带宽RF衰减器设置和RBW对设置对显示噪声本底影响见下图减小带宽=降低噪声dBkHzRBWkHzRBWdBkHzRBWIF滤波器带宽对噪声电平的影响RF输入衰减对噪声电平的影响dB衰减dB

15、衰减接收机的非线性特性由于频谱分析仪中含有半导体器件所以存在非线性。 然而频谱分析仪要求无失真显示被测输入信号所以线性特性是频谱分析仪必须的性能参量对于单正弦波信号输入的情况由于存在非线性会产生各次谐波对于输入信号是两个幅度相等的正弦波信号的情况除了产生谐波之外同时也有互调产物互调产物的阶数是所含频率各次项之和频谱仪的线性主要由混频器和中频放大器决定而输入射频衰减器实际上对线性是没有影响的。 如果由射频衰减器改变混频器的输入电平频谱仪产生的互调产物电平将依其阶数变化而DUT产生的互调产物电平保持不变。 所以调节衰减器可以判断频谱仪显示的互调产物的来源：如果增加RF衰减而谐波和互调产物的相对电平

16、保持不变说明失真来自DUT测量结果正确如果谐波和互调产物的相对电平有变化则说明有部分失真来自频谱分析仪内部测量结果不正确频谱仪常用截止点（TOI）和dB压缩点来表征分析仪的非线性特性动态范围动态范围是频谱分析仪同时处理不同电平信号的能力。 动态范围的限值依赖于实际所要进行的测量动态范围下限是由自然噪声或相位噪声决定的动态范围的上限是由dB压缩点或由频谱仪过载而造成的失真决定的最大动态范围通常是在最小分辨率带宽情况下显示的噪声做为下限dB压缩点作为上限。 如果达到第一级混频器的输入电平高出dB压缩点那么将产生混频器的非线性失真使用较小的RBW时失真产物就会明显地显示出来（他们不会被噪声淹没）此时

17、的频谱测量就不能明确反映被测设备的真实频谱测量精度频谱仪测量精度分为频率测试精度和幅度测量精度频率精度：频谱仪的本振通过锁相环同步到一个稳定的参考振荡器上频谱分析仪的频率精度也就是参考源的精度并且受参考源的温度和长期稳定度的影响。 参考源通常采用温度补偿晶体振荡器和箱控晶体振荡器产生的参考频率收到环境温度和操作期间老化的影响幅度测量精度：其误差来源主要有频率响应衰减器误差中频增益误差线性误差带宽切换误差和失配误差PHS的频谱分析仪应用针对PHS测试中对频谱分析仪的应用作以下说明由于频谱分析仪的应用大多用于杂散测试所以主要针对杂散测试时仪器设置作说明RBW通常情况下RBW等于被测频谱带宽但为了提

18、高测量精确性、灵敏度和效率RBW也可以不同于频谱带宽。 当RBW太大时就会淹没杂散信号RBW太小则扫描时间太长PHS载波OBW为k,则测试频谱和杂散时RBW设置成kHz显示RBWVBWVBW反映的是频谱分析仪接收机中位于包络检波器之后的视频滤波器的带宽。 视频带宽至少与分辩带宽相同改变VBW的设置可以减小噪声峰峰值的变化量提高较低信噪比信号测量的分辨率和复现率易于发现隐藏在噪声中的小信号在其他设置不改变的情况下减小VBW扫描时间会增加平滑效果更加明显测试时VBW=RBW=kHz未经视频滤波经过视频滤波Attenuation为了保证精度和保护仪器免受损坏测量大信号时要设置衰减,防止混频器过载但由

19、于仪器内部噪声不受衰减器影响而在后面的中频放大时会被放大而输入信号幅值不变所以会降低信噪比。 RF衰减为时灵敏度最高。 每增加dB的衰减量显示的噪声电平将提高dB,所以在保证精度和仪器安全的情况下尽量不要衰减过大Sweeptime频谱分析仪的扫描时间是扫描一次整个频率量程并完成测量所需要的时间也称分析时间我们一般都希望测量速度越快越好因此希望扫描时间越短越好和扫描时间有关联的主要有：span、RBW和VBW而且检波器的时间常数对扫描时间也有影响当VBW小于或等于RBW时STkspanRBWVBWK为滤波器比例系数扫描范围越大扫描时间越长。 RBW越小精度提高但每次扫描的带宽变窄总的扫描时间会增

20、加VBW也同理。 如果检波器时间常数太大检波器就不能及时地跟上包络变化的速度测试时间也必须增加下图是扫描时间太短的结果示意图：频率升高幅值下降PHS频谱测试时sweeptime设为s也可设置Auto扫频过快Display由于在视频滤波前的对数放大器有压缩特性所以在测量范围内幅值越大精确度越高所以在显示器的范围内测量最合适测试时被测频谱置于频谱分析仪显示屏的范围内detectormode频谱分析仪一般都以正峰值作为其主要检波方式而把采样方式作为辅助检波方式。 建议在测试杂散时采用正峰值检波方式即peak方式因为不管分辩带宽和视频带宽之比是多少都不会丢失有用信号和杂散的信息。 如果采用其他方式检波如果仪器其他参数设置不合理就会丢失有用信息参考资料频谱分析仪技术基础RS射频通信电路陈邦媛科学出版社PHS空中接口纵横谈