频谱分析仪 想了解频谱分析仪？读完这篇足矣

频谱分析是观察和测量信号幅度和信号失真的一种快速方法，其显示结果可以直接反映输入信号傅里叶变换的幅度。信号频域分析的测量范围极其广泛，超过140分贝，使频谱分析仪成为一种适用于现代通信和微波领域的多用途仪器。频谱分析本质上是研究给定信号源、天线或信号分配系统的幅度和频率之间的关系。这种分析可以给出关于信号的重要信息，例如稳定性、失真、幅度以及调制类型和质量。有了这些信息，可以对电路或系统进行调试，以提高效率或验证所需的信息传输和不必要的信号传输是否符合各种新兴的规则和规定。

从研发到制造和现场维护，现代频谱分析仪得到了全面利用。新的频谱分析仪已更名为信号分析仪，成为重要的实验室仪器。它能够快速观察到大的频谱宽度，然后快速靠近放大器以观察信号细节，这一点受到了工程师的高度重视。在制造领域，测量速度与通过计算机访问数据的能力相结合，可以快速、准确、重复地完成一些极其复杂的测量。

完成信号频域测量的技术方法有两种(统称为频谱分析)。

1.FFT分析仪采用数值计算方法处理一定时间段的信号，可以提供频率；振幅和相位信息。该仪器还可以分析周期性和非周期性信号。FFT的特点是速度快；精度较高，但其分析频率带宽受ADC采样率限制，适合分析窄带宽信号。

2.扫频频谱分析仪能分析稳定的周期性信号，并能提供信号幅度和频率信息，适用于宽带快速扫描测试。

图1信号频域分析技术

快速傅里叶变换频谱分析仪

快速傅里叶变换可以用来确定时域信号的频谱。信号必须在时域内数字化，然后执行快速傅立叶变换算法来找到频谱。一般来说，FFT分析仪的结构是这样的:输入信号先经过可变衰减器提供不同的测量范围，再经过低通滤波器去除仪器频率范围外不需要的高频成分，然后对波形进行采样，即转换成数字形式，再由微处理器(或FPGA、DSP等其他数字电路)接收采样的波形，通过FFT计算出波形的频谱，记录结果并显示在屏幕上。

快速傅立叶变换分析仪可以执行与多通道滤波器相同的功能，但不需要使用许多带通滤波器。它使用数字信号处理来实现几个独立滤波器的等效功能。从概念上讲，FFT方法简单明了:将信号数字化，然后计算频谱。事实上，为了使测量有意义，需要考虑许多因素。

FFT的本质是基带变换。换句话说，FFT的频率范围总是从0Hz开始，延伸到某个最高频率。这可能是在窄频带(不是从DC开始)分析测量的主要限制。比如FFT分析仪有采样频率，FFT的频率范围是0Hz到128KHz。如果N=1024，频率分辨率将为0，因此间隔小于250Hz的谱线无法分辨。

提高频率分辨率的一种方法是增加时间记录中的采样点数n，这也增加了FFT输出的节点数。但问题是这样会增加FFT要处理的数组长度，从而增加计算时间。快速傅立叶变换算法的计算时间往往限制了仪器的性能(如屏幕刷新率)，因此增加快速傅立叶变换的长度总是可取的。

另一种方法是使用数字下变频器，可以降低采样率，提高频率分辨率。ADC的输出乘以数字正弦波，通过数字混频降低数字正弦波的频率。然后用数字滤波器滤波。数字滤波器通过使用适当的抽取因子形成适当的频率间隔。这个带宽可以做得很窄，可以形成窄至1Hz的频率间隔和频率分辨率。

图2在快速傅立叶变换分析仪中使用数字混频器可以为频率变化分析提供频带选择

扫频频谱分析仪的工作原理

频谱分析仪利用扫频原理完成信号的频域测试。

频谱分析仪的功能是区分输入信号中的每个频率分量，测量每个频率分量的频率和功率。为了实现上述功能，在扫描调谐频谱分析中采用超外差方法，该方法可以提供较宽的频率覆盖，并允许在中频进行信号处理。图3是超外差扫频频谱分析仪的结构框图。

进入光谱仪后，输入信号与本机振荡器(LO)混频。当混频产物等于中频(IF)时，信号送到检波器，检波器输出的视频信号经过放大、采样、数字化，确定CRT显示信号的垂直电平。扫描振荡器控制CRT显示器的水平频率轴与本机振荡器的调谐同步，驱动水平CRT偏转，同时调谐LO。

频谱分析仪依靠中频滤波器区分各个频率分量，检波器测量信号功率，通过本振与显示横坐标的对应关系获得信号频率值。

这种扫描调谐分析仪的工作原理就像你家的调幅(AM)接收机一样，只不过AM接收机的本机振荡器不是扫描的，而是用刻度旋钮手动调谐的；另外，代替用显示器显示信息，使用扬声器。

图3扫频超外差频谱分析仪的简化框图

基于扫描工作原理，当输入信号为单点频率信号时，需要将信号与扫描本振信号混合，这样中频信号也是随频率变化的扫频信号，扫频信号经过中频滤波器和检波器后的输出波形就是中频滤波器的频率响应形状。

图4扫频频谱分析仪测量过程

输入衰减器

输入衰减器是频谱分析仪信号处理的第一阶段。频谱分析仪输入衰减器的功能包括以下几个方面:

1.保证光谱仪在较宽的频率范围内保持良好的匹配特性；

2.保护混频和其他中频处理电路。以防止组件损坏和过度的非线性失真。

通用频谱分析仪衰减器的衰减范围为0 ~ 65dB可以5dB步长改变。当输入衰减器设置改变时，信号电平将受到影响。如果衰减值从10dB变为20dB，信号幅度会人为降低10dB，相应的检测输出也会降低。为了补偿这种变化，光谱仪内部将使用放大器来补偿衰减效应。因此，当衰减器设置改变时，光谱仪上输入信号的显示不会改变。

仪器自动设置衰减装置的原则是保证:

输入信号电平-衰减器设置

你可以注意仪器的这些参数值是否满足上面公式的关系。

因此，当仪器输入衰减器的设置发生变化时，其内部衰减器和中频放大器也会发生变化。中频放大器决定信号在屏幕上的显示位置。

光谱仪工作时，中频放大器的增益和衰减器的设定值共同作用。当输入衰减器的设置改变时，输入信号的显示电平不会改变。

搅拌器

混频器完成信号的频谱偏移，将不同频率的输入信号转换成相应的频率。在混合过程中，会出现图像相位干扰的问题。

镜像相位干涉示例:

输入信号频率:800MHz本振信号频率:780MHz

中频信号频率:800-780 = 20 MHz；

图像干扰信号的频率为780-20 = 760兆赫兹，

760兆赫兹信号是800兆赫兹信号的镜像干扰。

由此带来的测量问题是光谱仪的一个中频信号显示器无法判断是760MHz信号的响应还是800MHz信号的响应。

光谱仪需要采用相应的方法来解决这个问题。频谱分析仪使用两种方法来解决这个问题。

1.在低频范围(

2.在高频范围(>:3GHz)，使用带通跟踪滤波器抑制干扰。

图5典型频谱分析仪变频过程

分辨率带宽

中频滤波器是频谱分析仪的关键部件，主要依靠它来区分不同频率的信号。频谱分析仪的许多关键指标(测量分辨率、测量灵敏度、测量速度、测量精度等。)与中频滤波器的带宽和形状有关。

中频滤波器通常由液晶滤波器、晶体滤波器或数字滤波器组合而成。形状因子和过滤器类型是解释这些过滤器特性的重要因素。形状因子是衡量如何选择滤波器的尺度，通常定义为3dB/60Dbk宽度的比值，该比值表示在3dB带宽内的大信号附件中，如何区分小100万倍(-60dB)的信号。这种滤波器对频谱分析仪的性能影响很大。虽然有些滤波器类型，如巴特沃兹滤波器或切比雪夫滤波器，有很好的选择性(信号分离能力)，高斯滤波器和同步调谐滤波器有更好的时域性能(更好的扫描幅度精度)，但最终哪个滤波器最好会起到重要作用。出色的外形性能为靠近的信号提供更好的分辨率。更好的时域性能(无过冲)提供了更快的扫描速度和更好的幅度精度。

对数放大器

对数放大器以对数方式处理输入信号，允许测量大小同步，易于显示和区分。实现这种压缩的一种方法是建立一个增益随信号幅度变化的放大器。在低电平信号下，增益可能为10dB，但在较大幅度下，增益降至0。为了获得所需的对数范围，必须级联几个这样的放大器。对数放大器通常具有大约70dB到超过100dB的范围。除了对数范围之外，保真度(对数压缩与对数曲线的贴近程度)是一个需要考虑的重要因素，这个误差会直接反映测量的幅度误差。

探测器

检测器将输入信号功率转换成对应于输入信号功率的输出视频电压。

对于不同特性的输入信号(正弦信号、噪声信号、随机调制信号等)。)，需要不同的检测方法来精确测量信号的功率。

现代光谱仪通常采用数字技术，支持所有检测方法，以确保准确测量各种测量信号的功率参数。

视频滤波器

视频滤波器对探测器输出的视频信号进行低通滤波，减小视频带宽可以平滑频谱显示中的噪声抖动，从而减小显示噪声的抖动范围。这有利于光谱仪发现淹没在噪声中的低功率CW信号，也可以提高测量的重复性。

扫描本地振荡器

扫描本振是整个频谱分析仪的关键部件之一，扫描本振的稳定性和频谱纯度是很多性能指标的限制因素。本振的稳定性影响最小分辨率带宽，但即使使用频率稳定的本振，仍然存在残余不稳定性，称为相位噪声或相位噪声边带。相位噪声影响相邻信号的观测，但如果只考虑带宽和形状因素，观测起来并不难。现代频谱分析仪的应用之一是直接测量其他设备的相位噪声，这就要求本机振荡器有很高的相位噪声。

频谱分析仪的主要性能指标

作为分析仪器，频谱分析仪的基本性能要求包括:

1.频率指示器:

测量频率范围:反映光谱仪测量信号范围的能力；

频率分辨率:反映光谱仪区分两个频率区间信号的能力。

2． 幅方面度指标：

灵敏度:光谱仪发现小信号的能力；

内部失真:反映光谱仪测量大信号的能力；

动态范围:光谱仪同时分析大信号和小信号的能力。

3.此外，光谱仪的性能还包括其分析精度和测量速度。

测量谐波失真或搜索信号要求频率范围从基波以下扩展到多个谐波以上。为了测量互调失真，需要较窄的扫描宽度，以便观察相邻的互调失真产物。因此，第一步是选择足够频率和宽扫描范围的频谱分析仪。第二个要求是什么样的频率分辨率？双音互调的测量需要严格的分辨率。

频谱分析仪的测量频率范围由其本振范围决定。利用本振的谐波可以扩展频谱分析仪的分析频率范围，分析频率范围可以扩展到更高的水平(75GHz110GHz325GHz等。).

频率分解

这个例子反映了频谱分析仪的测量分辨率对测试结果的影响。输入物理信号是具有两个频率间隔的信号。只有当频谱分析仪的分辨率足够高时，信号的特性才能正确地反映在屏幕上。

许多信号测试应用要求频谱分析仪具有尽可能高的频率分辨率。

图6频率分辨率

频谱分析仪的频率分辨率与其内部中频滤波器和本振性能有关。

其中，中频滤波器的影响因素包括:

过滤器类型；带宽；形状因素。

确定有用分辨率时，本地振荡器的残余调频和噪声边带也是应考虑的因素。

依次分析每一项。首先要注意的一点是，理想的CW信号不能在光谱仪上显示为无限细线，它有一定的宽度。调谐通过信号时，其形状是频谱分析仪本身的分辨率带宽(中频滤波器)形状的显示。因此，如果滤波器的带宽改变，显示响应的宽度也改变。技术规范数据表规定了3 dB带宽，其他应用(EMC)将滤波器带宽定义为6dB带宽。

本机振荡器性能对分辨率有影响，因为中频信号来自输入信号和本机振荡器信号的混合，两个信号中的噪声是功率相加的。

输入信号相位噪声性能为10kHz偏移-110 DBC/Hz；；

混频本振相位噪声性能为10kHz偏移-110dBc/Hz。

那么混合输出中频信号的相位噪声性能为10kHz偏移-107dBc/Hz。

单点频率信号的频谱测试表明，结果是中频滤波器的频率响应形状。

滤波器形状由其带宽(3dB或6dB)和矩形系数定义。这两个参数会影响频谱分析仪的频率分辨率。

图7中频滤波器带宽和形状因子的定义(矩形系数)

在双音测试中，当两个信号相隔10kHz，RBW=10KHz时，仪器测试可以显示两个信号峰值。显然，用10kHz滤波器分辨同幅双音信号是没有问题的。

频谱分析仪的RBW是它区分等幅信号的能力。

上述分析得出结论:

频谱分析仪的RBW越小，其频率分辨率越高。

中频滤波器的3dB带宽告诉我们等幅信号彼此有多接近，并且仍然可以彼此分离(根据3dB下降)。一般来说，如果两个信号之间的间隔大于或等于所选分辨率带宽滤波器的3dB带宽，就可以区分两个幅度相等的信号。双音测试中的两个信号表示这个意思。当两个信号相隔10千赫时，可以很容易地相隔10千赫的分辨率带宽。然而，如果使用宽分辨率带宽，两个信号显示为一个。

注:当两个信号出现在分辨率带宽内时，由于两个信号之间的相互作用，可以通过使用比分辨率带宽小10倍左右的视频带宽来平滑响应。

通常我们需要测量不等幅信号。因为在我们的例子中，两个信号描述了滤波器的形状，所以小信号可能被隐藏在大信号滤波器的滤波器裙中。对于幅度相差60dB的两个信号，间隔至少是60dB带宽的一半(减少约3dB)。因此，形状因子(滤波器60dB与3dB带宽之比)是决定不等幅信号分辨率的关键。

用频率分析仪分辨不等幅信号一例:

10kHz间隔下振幅下降50dB的失真产品测试。

如果3kHz滤波器的形状因子为15:1，那么下降60dB的滤波器带宽为45kHz，失真产物将隐藏在测试信号响应的裙边之下。如果切换到另一个窄带滤波器(如1kHz滤波器)，60dB带宽为15kHz时容易观察到失真积(因为60dB带宽的一半是7.5kHz，小于边带间隔)。因此，该测量所需的分辨率带宽应不超过1khz(

过滤器形状系数的范围:

模拟滤波器:15:1或11:1

数字滤波器:5:1

以上分析的结论是:

频谱分析仪的矩形系数越小，频谱分析仪的频率分辨率越高。

相位噪声

影响分辨率的另一个因素是频谱分析仪本地振荡器的频率稳定性。

残余频率调制模糊了显示的信号，因此无法区分指定残余频率调制内的两个信号。频谱分析仪的分辨率带宽不能窄到可以观察到其自身的不稳定性。如果它能做到这一点，我们将无法区分频谱分析仪和输入信号的残余调频。

这意味着频谱分析仪的剩余调频决定了最小允许分辨率带宽。同样，它确定等幅信号的最小间隔。该测量所需的剩余频率调制不超过1khz(

锁相本振作为参考源，可以提高残余调频指数，降低最小允许分辨率带宽。高性能频谱分析仪价格昂贵，因为它采用高性能锁相本振，残余调频更低，最小分辨率带宽更小。

由于信号频谱显示的噪声侧由于本地振荡而带来频率不稳定，这种噪声可能会掩盖近端(近载波)低电平信号。换句话说，只考虑带宽和外形因素，我们可能会看到。但是频谱分析仪中本机振荡器的相位噪声会叠加在输入信号上，这些噪声边带影响近端低电平信号的分辨率。

测量示例:

待测信号:

噪声边带功率

图8本机振荡器相位噪声对频谱分析仪测量的影响

敏感

无信号加入时，频谱分析仪会显示噪声电平，频谱分析仪产生的噪声大部分来自中频放大器的第一级。

频谱分析仪的灵敏度被定义为平均噪声水平(DANL)，它与仪器检测微弱信号的能力有关。如果信号水平等于显示的平均噪声水平，它将以大约3dB的投影显示在平均噪声水平之上。该信号被认为是最小的可测量信号电平，但是如果不使用视频滤波器来平均噪声，则永远看不到这种现象。

频谱分析仪的灵敏度定义为在一定分辨率带宽下显示的平均噪声水平。“平均”是指噪声信号的幅度随时间和频率随机变化，只有定量测量噪声功率才能得到平均值。

光谱分析仪的灵敏度是仪器的重要指标，

频谱分析仪的灵敏度及其RBW；:VBW；衰减器设置值。

图9测试频谱分析仪的灵敏度

频谱分析仪内部噪声对测试的影响可以从不同方面反映出来。

1.当输入信号功率电平小于仪器噪声电平时，信号将不显示，仪器没有测试小信号的能力。

2.当输入信号的幅度大于仪器噪声时，仪器噪声会叠加在输入信号上，这意味着最终的显示信号电平是输入信号电平和仪器噪声的功率和。

当被测信号功率比仪器内部噪声功率高10~20dB时，频谱分析仪内部噪声的影响可以忽略不计。

之前已经明确了光谱仪产生噪声的原因以及噪声对仪器测试的影响，下面分析以下仪器设置影响噪声水平的因素。

影响频谱分析仪噪声水平的因素1:输入衰减设置。

衰减器衰减每增加10dB，光谱仪显示的噪声水平就会增加10dB。

衰减器设置对光谱仪灵敏度的影响分析:

输入信号的电平并不随着衰减的增加而降低，因为当衰减降低施加到检测器的信号电平时，中间放大器(IF)的增益同时增加10dB以补偿这种损失，结果，仪器显示的信号幅度保持不变。而噪声信号只受放大器影响较大，电平放大，增加10dB。

由于内部噪声主要由放大器的第一级产生，因此输入衰减器不会影响内部噪声水平。然而，输入衰减器会影响混频器的信号电平，并降低信噪比。

提高光谱仪器灵敏度的方法1:

使用尽可能小的输入衰减来获得最佳灵敏度。

仪器内部产生的噪声是宽带白噪声。也就是说，它在整个频率范围内的电平是平坦的随机噪声，与分辨率带宽滤波器相比，它的频带很宽。因此，分辨率带宽滤波器仅将一小部分噪声能量传递给包络检波器。如果分辨率带宽增加(或减少)10倍，则增加(或减少)10倍的噪声能量将到达检测器，并且显示的平均噪声水平将增加(或减少)10dB。

显示的噪声水平和分辨率带宽RBW之间的关系是:

噪声电平变化(分贝)=10log(分辨率带宽2/分辨率带宽1)

RBW从100千赫(分辨率带宽(旧))变为10千赫(分辨率带宽(新))，噪声水平变化如下

噪声水平变化=对数(10千赫/100千赫)= 10dB。

光谱仪的中频滤波器可以抑制中间放大器产生的宽带白噪声，因此RBW越小，通过中频滤波器的噪声能量越小，检测后的噪声水平越低。

频谱分析仪的噪声是在一定分辨率带宽下定义的。

频谱分析仪的最低噪声水平(和最慢扫描时间)是在最小分辨率带宽下获得的。

提高光谱仪器灵敏度的方法2；

以尽可能小的RBW设置获得最佳灵敏度。

图10 rbw设置对仪器灵敏度的影响

频谱分析仪显示信号加噪声，因此当信号接近噪声水平时，附加噪声叠加在扫描线上，使信号读取更加困难。

视频滤波器是检测后的低通滤波器。由于声信号的振幅随时间和频率随机波动，所以它通过检测处理作为交流信号输出。这些交流信号作为轨迹的抖动反映在显示器上。通过视频滤波器的低通处理，噪声波动平滑。虽然不能提高灵敏度，但可以提高低信噪比下测量的分辨力和重复性。

降低VBW不会影响CW信号的显示频谱，因为CW信号的检测输出是DC信号，DC信号经过低通滤波处理时不会受到滤波器带宽的影响。

应该注意的是，降低VBW可以平滑噪声信号，但是它不能获得噪声信号的平均功率。

总结提高光谱仪测试灵敏度的技术方法；

1、最窄分辨率带宽；

2.最小输入衰减；

3.充分利用视频过滤器(视频带宽

4.前置放大器(内置或外置)。内部前置放大器需要一个选项，工作频率范围一般< 3GH。前置放大器开关由[放大器]内部放大器:开/关控制。

用外部放大器提高频谱分析仪的灵敏度=放大装置的增益-放大器的噪声系数。

上述提高灵敏度的设置可能与其他测量要求相冲突:

1.分辨率带宽小会大大增加测量时间；

2.0dB输入衰减会增加输入驻波比，降低测量精度。

3.增加前置放大器会影响光谱仪的动态范围指标。

华强聚丰主要有三大业务:电子发烧友(百万电子工程师社区平台:www.elecfans.com)、华强PCB(多层电路板制造专家:www.hqpcb.com)、华强核心城(电子元器件及SMT在线商城:www . hqpcb . com)。用互联网信息技术提升传统制造业，打通电子产业链上下游，形成服务整个电子产业链的一站式服务平台，为客户降低成本、提高质量、加快流程。