频谱仪基础.docx

1、频谱仪基础 一：我们最常见的频谱分析仪的测量是：调制信号，失真和噪声。 调制信号测量质量对于判断你的系统是否合理的工作，你要传送的信息是否正确的传递具有重要的意义。了解频谱内容是非常重要的，尤其是对通信中的带宽非常窄的信号。传递过程中消耗的功率（比如说：无线系统中信道的衰减大小）的大小对于通信系统来说是另一个重要的因素。还有很多常见的需要测量的因素：调制程度，边带幅值，调制质量和占用带宽。 在通信系统中，失真的测量无论对于发射机还是对于接收机都是至关重要的。发射机输出端的过多的谐波失真干扰其他通信信道。接收机的前置放大电路必须过滤掉交调失真，以免信号产生串扰。举个例子：有线电视信号产生互调后，

2、会减少电缆所能承载的信道数，并且会干扰这个电缆上的其他信道。常见的失真测量包括：交调，谐波和杂散辐射。 噪声是经常需要测量的。任何有源电路或者设备都会产生噪声。诸如噪音频谱图和信噪比这些测量对于表征设备的性能是非常重要的，并且可以得到这个设备的噪声对整个系统噪声的贡献度。 二： 传统上，如果你想观察一个电信号，你通常会选择示波器来看它的时域信号。这是非常重要的信息，但这却不能告诉你信号的所有内容。为了了解你这个系统的性能，你还需要去知道信号的频域信息。这是一个信号幅度随着频率变化的图形。频谱仪是用来从频域上分析信号的，而示波器是从时域上分析信号的。（需要指出的是，如果把频谱仪的SPAN设置为0

3、，那么频谱仪也可以像示波器一样从时域上分析信号。） 图1：信号时域与频域分析图上图显示了信号的时域与频域信息。在时域，所有频率成分的信号加起来再显示。在频域，复杂信号（不止一个频率组成的信号）根据他们的频率成分被分开。并在各自的频率点上显示出来。频域测量有几个独特的优势。比如，我们说你在示波器上看到的仅仅是一个正弦波而已。一个纯粹的正弦波没有谐波失真。如果你从频谱仪上观察这个信号，你会发现，实际上这个信号是由几个频率的正弦波组成的。在示波器上无法明显展示的信息能从频谱仪上清楚地看出来。一些系统必须从频域上才能进行分析。比如一些滇西系统使用了频分多址（FDMA）和频分复用（FDM）技术。在这些系

4、统中，不同的用户被分配了不同的频带来传送和接收信号，比如蜂窝电话。广播电台也使用了频分复用技术，每一个电台在给定的地理区域内占用一个特定的频带。为了确保没有一个信道的信号干扰了临近信道上的电台或者用户，这些系统必须从频域上加以分析。稍后我们会看到，如何应用频谱仪见效测量贷款的这个能力来大量的减少噪声。通过频谱仪，我们可以轻松地对频带，能量，谐波含量，调制，毛刺，噪声加以测量。鉴于频谱仪测量这些成分的能力，我们可以看到谐波失真，占用带宽，信号稳定度，输出功率，互调失真，信噪比和其他主要的因素的测量。三：既然我们已经知道了频谱仪的重要性，让我们看一下拥有测量射频信号能力的不同种类的频谱仪吧。这是根

5、据我们进行频谱测量的两种方法来区分的：傅里叶转换和扫频调谐。图2：傅里叶频谱仪傅里叶频谱仪是先对一个时域信号进行数字化，然后通过数学公式把它转化为频域的形式，最后显示在频谱仪上。这就像这个分析仪通过同时进行平行滤波器从整个频率范围内观察这个信号。它实际上捕获了包含所有信号频域信息的时域信息。借助于实时的信号分析能力，傅里叶频谱仪可以测量周期的、随机的和瞬态的事件。它的速度比传统的扫频式频谱仪有了很大的提升，而且它不但可以检测出相位，还可以测量相位的大小。然而，它确实还有自己的一些局限性：尤其是在频率范围，灵敏度和动态范围上。我们会在以后的章节中讲到这些因素是什么，它们为什么这么重要。随着数模转

6、化器和数字信号处理技术的提升，傅里叶频谱仪越来越普遍。一旦所需要的定制的，非常耗电的硬件电路被商业现成的DSP芯片（这些芯片一年比一年小，一年比一年快）所控制，傅里叶频谱仪就会更加的普遍。这种频谱仪在性能上比传统的频谱仪要高得多，但是价格也偏贵。四：最普遍的频谱仪还是扫频调谐的。它是被广泛接受的，频域测量的通用工具。这项被广泛应用的技术就是超外差（superheterodyne）。外差（Heterodyne）也就是混合，也就是说转换为频率。超（super）是指超音速频率。非常基础地，这些频谱仪扫描过它所感兴趣的频率范围，然后展示出来。下一节我们可以看到这样的工作是怎样完成的。这扫频调谐频谱仪非

7、常像家里的调幅（AM）收音机，只是用数字控制调节代替手动控制，用显示屏代替扩仪音器。图3：扫频调谐频谱仪这种扫频调谐频谱仪使在一个大的动态范围内，一个很宽的频带内的测量变为可能，因此它也为无数个应用的频域信号的分析作出了巨大的贡献，尤其是对微波通信链路，雷达，电信设备，有线电视系统和广播设备，移动通信系统，电磁干扰诊断测试，组件测试以及信号监视有着不可估量的贡献。在接下来的章节里，我们所指的频谱仪就是扫频调谐式频谱仪。这就是我们要详尽的学习的一款频谱仪。五：在以上的内容介绍中，有可能你会想象到这个分析仪由一个能扫描它所感兴趣的频段的带通滤波器组成。如果输入信号的带宽是1MHz，那么这个频谱仪就

8、会扫描过这1MHz，然后把它显示出来。尽管这个理论是成立的，但是去扫描过一个很宽的频带是非常困难而且造价很高的。一个更加容易而且造价更低的方案就是保持带通滤波器不变，而用一个频率可调的本振来调节频率。当我们知道了更多内容时，我们会了解这一点是怎样做到的。我们把输入信号被这个固定的带通滤波器扫描，在信号被扫描过去的同时，信号就被显示在屏幕上。如果现在你感到比较困惑，请不要不要担心，当我们用框图来解释时，一切会变得比较清楚。下面我们进一步解释频谱仪是怎样工作的。六：主要的组件频谱分析仪的主要组成部分就是：射频衰减器（RF input attenuator），变频器（mixer），中频增益（IF g

9、ain），中频滤波器（IF filter），检波器（detector），视频滤波器（video filter），本振（local oscillator），扫描斜波发生器（sweep generator）和LCD显示屏（LCD display）。在我们知道这些组件是如何一起工作之前，我们先要单独的了解一下各个组件。七：变频器（mixer）我们先从变频器（mixer）开始。变频器是一个三口的设备，它将信号的频率改变为另一个频率。图4：扫频调谐频谱仪的内部结构图我们把输入信号放在一个端口上，把本振信号放在另一个端口上。有定义我们可以知道，变频器是一个非线性的设备，它的输出有着与输入不同的频率的信号。

10、输出的信号频率有原始信号的频率，本振信号频率，本振信号加减原始信号频率。频谱仪感兴趣的正是这些新产生的频率。我们把这个信号称为中频信号（IF signal）。八：中频滤波器（IF filter）中频滤波器（IF filter）是一个带通滤波器，用来作为检测信号的一个窗口。它的带宽又称为频谱仪的分辨率带宽（RBW），它的值可以通过频谱仪前面的操作面板改变。通过提供一个大范围的RBW的设置空间，使得分析仪可以优化扫描和信号条件，使得测试人员可以选择一个合适的频率范围，信噪比（SNR）和测试速度。图5：频率选择性与RBW从上图可以看出，当RBW变窄时，频率选择性变高。这样也常常会提高信噪比。然而，扫

11、描速度和跟踪更新速率会随着RBW的变窄而变慢。最佳的RBW设定值很大程度上决定于系统所感兴趣的信号的情况。九：检波器频谱仪会把中频信号转化为基频或者低频信号，从而使得信号可以被数字化，进而在频谱仪的显示屏上显示出来。这一步是通过一个包络检波器完成的，而且它的输出被一个模数转换器（ADC）数字化。数模转换器（ADC）的数字化输出被显示在显示屏上的Y轴，也即信号的幅度。当今有着几种检波方式，使得屏幕上显示的信号不大相同。视频检波方式：正峰值检波，负峰值检波，抽样检波和ROSENFELL检波。在正峰值检波模式中，我们只取最大值；然而在负峰值检波中，我们只取最小值。正峰值检波常常用在正弦波信号上，而对

12、于噪音信号则不大适用，这是因为它不能显示出噪声的随机性。在抽样检波中，每一次抽样都会得到这个时刻的信号绝对值。它非常适用于噪声信号和类噪声信号。对于一个突发或者窄频信号，抽样检波不大适用，这是因为它会丢失所感兴趣的信号。当同时显示噪声与有用信号时，最好的检波方式是ROSENFELL检波模式。这个模式会根据输入信号的不同而做出改变。比如，这个信号在一个抽样间隔内既有上升也有下降，它就假定这是噪声并且用正峰值检波和负峰值检波来检测。如果信号持续上升，则他就是用正峰值检波方式。补充：抽样检波方式是在每个进程中的固定时刻对信号的瞬时值进行数字化，他很好的表现出了噪音信号的随机性。当一个频率的步进大于分

13、辨率带宽时，通过带宽的信号不一定恰好被采集到，由于扫描的重复性，显示信号会表现为幅度的上下跳动，或丢失信号。所以，抽样检波方式适用于噪声而不适用于连续波信号。峰值检波可以避免上述问题，它可以将一个进程中的最大或最小值显示。它运用了峰值保持电路，一个进程后对峰值保持电路进行复位，以便下一个进程进行有效的工作。只保持最大值的叫做正峰值检波，只保持最小值的叫做负峰值检波。峰值检波是大多数频谱仪所提供的标准的或者必备的显示方式，它的显著特点是不丢失信号。然而在噪声测量方面，他只能检测到噪声的峰值，不能很好地表现出噪音的随机性。为了尽量达到抽样检波方式那样对随机噪声提供的测量以及显示效果，又要像峰值检波

14、方式那样不丢失信号，应采用ROSENFELL检波模式。它同时借助于正峰值检波方式和负峰值检波方式的测量结果，运用一定的算法，用正峰值或者负峰值得到的数据作为检测结果。ROSENFELL检波方法可能会引起所要显示的峰值右移一个进程，不过这种频差较小。ROSENFELL检波方式继承了峰值检波方式不丢失信号的特点，又能较好地描述噪声信号的随机性。十：视频滤波器视频滤波器是一个低通滤波器，它位于包络检波器后，在模数转换器前。视频滤波器决定了视频放大器的带宽，它的作用就是来平均和平滑屏幕上显示的曲线。频谱仪显示的是信号+噪声的形式，所以信号的形状类似与噪声，噪声功率越大，信号越难以读取。通过改变可视带宽

15、的值，我们可以减少噪声峰峰值的变化。这种对信号加以平滑的方式可以帮助我们发现信号，否则信号可能被噪声所遮蔽。十一：其他主要组件（1）本振：本振（LO）一般是一个压控振荡器。扫描斜波发生器就是通过输入的斜波电压来调节本振的频率输出。ADC产生的抽样脉冲也要与扫描谐波发生器同步，用来建立频域的X轴。由于本振与输入信号的关系是确定的，所以显示屏上的横轴可以根据输入信号的频率来校准。射频输入衰减器（RF input attenuator）位于输入连接器和第一个变频器之间。它也被称为射频衰减器。它被用来在变频器之前调整信号的幅度。这对于防止变频器的增益压缩和由于高电平和宽带信号而产生的失真是非常重要的。

16、中频增益位于变频器之后，中频滤波器之前。这是用来调整显示屏上的信号的幅度，而不用干扰输入变频器信号的幅度。当信号幅度变化后，参考电压也会随之变化。由于我们不想参考电压在输入衰减器之后有变化，我们就把这两个组件连在一起使用。这个中频增益的器件会补偿输入衰减器给信号带来的变化，所以显示屏上的信号看起来是静止的，而且参考电压也没有变化。十二：频谱仪工作原理测试信号输入到分析仪的输入端。输入信号应用变频器，借助于本振信号，被转换为中频信号。这些信号随着被传往中频滤波器，它的输出随之被视频检波，这也表明了信号已经被分析仪变频了。检波器的输出电压形成了显示屏上的Y轴。扫描斜波发生器提供了本振信号与显示屏X

17、轴的同步。最终的显示结果是电压与输入信号频率之间的关系。十三：操作图六：频谱仪控制面板在我们继续之前，我们应该了解一下我们如何通过频谱仪面板上的按键来控制频谱仪的。频谱仪上三个重要的硬键：频率，幅度和带宽。很显然，我们需要设置频谱仪以满足我们特定的实验条件。频率和幅度无需赘述。带宽告诉频谱仪我们关心的是那一段频率。其他重要的控制功能包括设置分辨率带宽，扫描时间，输入衰减和视频带宽。现在的频谱仪既有硬键也有软键。软键可以帮助我们对硬键下面的一些选项，继续进行操作。比如说吧，当你按下“BW”这个硬键时，至于你选择的是“RBW”还是“VBW”就看你按哪个软键啦。大部分的分析仪允许你输入值：一种方法是

18、直接通过数字按键输入；另一种方法是使用前面板按钮。十四：理解了频谱仪的能力和限制对于理解频谱分析有着重要的作用。现在的频谱仪有着大量的特性和非常高级别的性能。读它的说明文件是非常令人头疼的。那么，你是如何知道哪些规格对你的应用是重要的呢？为什么呢？频谱仪的规格是设备制造厂家用来表达他们生产的设备的性能级别的。理解了这些规格的含义有助于你预测在特定的测量条件下，这个分析仪的表现。下面我们来介绍一下需要理解的重要的规格。十五：为了确保你选择的频谱仪能充分完成你的测量，你需要知道些什么呢？非常基本的，我们需要知道：（1）：频率范围是多少？（2）：幅度范围是多少（允许的最大输入电平和灵敏度）？（3）：

19、区分两个信号的能理解别是多少，不仅是幅度（动态范围）还有频率（分辨率）？（4）：我们测量的精确度是多少？尽管我们不是按照以上的顺序进行描述，但是我们会对这些规格进行详细的描述：它们分别是啥意思？为什么是重要的？十六：频率范围当然，我们最先知道的就是频谱仪的频率范围。我们不仅要考虑到你的应用的基本频率，还应想到高频率的谐波和杂散信号，和低频的基频和中频信号。例如，在无线通信中，我们就应该使用大频率范围的频谱仪。一些蜂窝移动通信标准规定需要测量系统十倍谐波的频率的能量。如果你的工作信道是在900MHz，那么也就说明，你需要测量9GHz的谐波能量。而且，虽然我们称之为射频分析仪，但是我们还需要测量基

20、频和中频信号的能量。十七：精度第二块需要讲解的是精度，精度就是我们的测量的幅度和频率值的精度。当我们谈论测量精度时，区分开绝对精度和相对精度是非常重要的。绝对测量是通过一个信号测量器测量的。例如，一个载波失真的频率和功率等级测量是绝对测量。相对测量是通过一个相对的，增量测量仪测量的。比如调制频率，信道宽度，脉冲重复频率和相对于载波的频移。相对测量臂绝对测量更加精确。我们从频率精度开始吧。十八：频率精度频率精度一般会在频率读出精度规范（Frequency Readout Accuracy specification）中列出，它表征着几种错误的总和，其中包括：频率参考不确定度，span误差，分辨率

21、带宽中心频率误差。频率参考不确定度是频谱仪本身的结构引起的。仪表内部的时钟也是一个因素，然而，许多频谱仪都是用高性能的，烘式石英振荡器作为一个标准的或者可选的器件，所以这一项的误差对总体的频率误差影响比较小。现在的频谱仪有两种设计理念：集成的和独立的。在集成的频谱仪中，一些或者所有的晶振都有锁相环锁相到一个单一的，可溯源的，参考振荡器。这些频谱仪的频率精度大约在几百赫兹。这种设计思路设计出的产品的性能与产品的复杂性和成本相关。独立的频谱仪的设计更加简单，并且在一个更加经济的价格上提供了一个适中的频率精度。独立频谱仪的频率精度大约在几MHz。在许多情况下，这并不是一个问题。比如说吧，我们大多是测

22、量一个独立的信号或者只需要足够的精度从一些信号中鉴别出你感兴趣的那个信号。Sapn误差分为两种规格，这是根据：许多频谱仪在使用小的Span时是高度集成的，但对于大的Span则是开环调谐的。RBW误差在很多频谱一种是可以预测的，尤其是对大的RBW设置时。但在大多数情况下，这个误差比Span误差小得多。十九：Frequency Readout Accuracy Example我们用原始的方程来注释一下你如何计算你测量工作中的误差。你测量信号在2GHz，Span=400KHz，RBW=3KHz。那么，我们应如下计算我们的频率精度。频率参考精度是通过把所有展现出来的精度加起来来计算的：频率参考精度=1

23、.0 x 10-7 (aging) + 0.1 x 10-7 (temp stability) + 0.1 x 10-7 (setability)+ 0.1 x 10-7 (15 warm-up) = 1.3 x 10-7/yr. ref error；频率精度=(2 x 109 Hz) x (1.3 x 10-7/yr) = 260 Hz1% of 400 kHz span = 4000 Hz15% of 3 kHz RBW = 450 Hz10 Hz residual error = 10 HzTotal = 4720 Hz 二十： 相对幅度精度大多数频谱仪被指定了相对和绝对的幅度精度。既然

24、频谱仪的相对性能影响着这两种精度，那么我们就先从相对精度开始吧。当我们对输入信号进行测量时，我们会使用这个信号的一部分作为参考。例如，当我们测量二次谐波时，我们会用这个信号本身作为参考。绝对的测量值不会有这样的效果，因为我们只想看一下二次谐波值与一次谐波的幅度的区别。图七：相对幅度误差从上图可以看出相对幅度精度的组成因素。显示保真度（Display fidelity）和频率响应（frequency response）会直接影响幅度精度值。另一方面，剩下的这四条因素，由于它们在测量过程中涉及到控制改变，所以只有在这些因素的值改变时才会影响到幅度精度。换句话说，只要在相对精度测量中，频率控制改变了

25、，这四个不确定因素也会降低，随之会进一步降低精度值。二十一：相对幅度精度显示保真度（Display fidelity）显示保真度包含了许多因素。其中就有对数放大器（对数特性的逼真度），检波器（线性的程度），数字化电路（线性的程度）。对于这些使用数字化技术和提供数字化测量的频谱仪来说，这个LCD显示屏本身不会成为一个因素。这是因为测量值是从跟踪寄存器中读取的，而不是从显示屏上读取的。对于幅度差别较小的信号来说，显示保真度越高。它的值从信号差别小的几十adb，到信号差别大的2db。提高幅度精度的一个技术就是用参考水平控制来把信号放在一个参考幅度的水平上，然后再用测量器取值。然后把第二个信号也放在这

26、个水平上，然后再计算差别。这是在假定参考电平不确定度小于显示保真不确定度的基础上的一个方法。二十二：相对幅度精度频率响应（frequency response）频率响应或者频谱仪曲线的平整度对相对幅度不确定度有着贡献，而且，它是由频率范围决定的。一个低频的射频分析仪会有一个0.5db的频率响应。一个可以在20GHz范围内调整的微波频谱仪也有一个超过4dB的频率响应。图八：频率响应上图假定了一个最坏的情况，频率响应在整个幅度范围内变化，也就是从1dB到-1dB。在同一频带里的两个信号的不确定度是2*（+-1dB）=+-2dB。所以在最化的情况下，幅度不确定度是每一个信号的位置上升或下降2dB。二

27、十三：相对幅度精度上图展示的四个所涉及到的四个因素，如果在测试过程中发生了变化，他们会对相对幅度精度有所贡献，但如果它们保持不变，就没有任何影响。由于射频衰减器对频谱仪的所有频率都施加了影响，而且与频率响应相似的是，影响的大小与频率的范围有关。在较低的射频频带，我们认为衰减器是非常不错的，但在20GHz的频带内，是不好的。中频增益（或者参考水平控制）对不确定度也有着贡献。他应该比衰减器更加精确因为它志工作在一个频段上。既然不同的滤波器有着不同的插入损耗，那么改变RBW的值也会对不确定度产生影响。改变显示比例，比如10dB/div或者1dB/div,也会在相对幅度精度的测量中引入不确定度。图九：

28、影响相对幅度精度的四个因素二十四：绝对幅度精度绝对幅度精度的测量实际上也是相对于一个已经知道幅度的校准器信号的测量。大多数现代的频谱仪都有一个内置的校准器。这个校准器提供了一个给定频率的特定幅度大小的信号。典型的校准器信号有着0.3dB的不确定度。在显示屏上，网格的最顶的那根线（也就是参考水平线）就是给定的绝对的校准信号幅度。显示屏上的其他点是相对于这条线来显示的。既然我们测量的未知信号的频率不同，我们需要进行频率控制。既然这些信号的幅度也不尽相同，我们也需要调整参考电平以获得最佳的幅度精度。因此，绝对幅度精度取决于校准器的精度，频率响应和参考点评不确定度（或者称为中频增益不确定度）。二十五：

29、分辨率对于两个非常接近的信号，而你又希望把他们别别开来，分辨率就是一个非常重要的因素。我们可以看出中频滤波器带宽就是分辨率带宽。这是因为中频滤波器带宽决定了信号间的可分辨性。另外对于滤波器带宽，选择性，滤波器类型和噪声边带都是决定有用分辨率需要考虑的因素。二十六：分辨率带宽我们需要声明的是一个信号是不会在频谱仪上显示出绝对的一条线的。它有一个和它本身信号相关的一个宽度。这个宽度就是中频滤波器扫描过信号时引起的。因而，当我们改变了滤波器带宽，我们会在频谱仪上看到宽度不一的信号。安捷伦说明书上指定的是3dB带宽，一些其他厂家的仪器指定的是6dB带宽。这个概念更加证实了正是中频滤波器改变了频幕上的信

30、号形状。具体请看图十。图十：分辨率带宽二十七：中频滤波器理论图十一：中频滤波器理论（1）：信号源设置信号频率在带通滤波器的中心频率上；设置信号幅度，已能够在频谱仪上清晰的显示。（2）频谱仪根据信号设置频率和显示宽度。RBW的设置从大到小。逐步减小RBW，观察一下显示屏上的波形；图12：结果显示二十八：分辨率带宽图13：分辨率带宽（1）信号源设置两个信号频率相差10KHz；设置两个信号幅度相等。（2）频谱仪根据信号设置频率范围和显示宽度；从较大的RBW的设置开始，所以你看不到两个信号-起码时所需要的RBW的两倍；减小RBW，直到您能看清两个信号。继续减小RBW，观察到信号也变得越来越窄了。结论：

31、当我们在测量一个等幅信号，我们选择的合适的RBW会告诉我们两个信号是多么的相近。通常来讲，两个等幅信号的频差大于或等于分辨率带宽时，我们可以区分开这两个信号。二十九：RBW类型和选择性RBW的选择性对于区分不等幅的信号是一个重要的特性。选择性是60dB的带宽与3dB带宽的一个比值。典型的选择性数值是：对于模拟信号15:1或者11:1；对于数字信号则是5:1.通常来讲，我们观察到的信号是不等幅的。那么有可能小信号会被大信号的滤波器尾巴所掩盖。幅度差别越大，小信号越容易被临带信号所掩盖。这是一个非常重要的因素，因为我们测量的失真信号或者调制产物，他们的源信号幅度差别还是相当大的。图14：RBW类型

32、和选择性如上图，对于两个频率相差10KHz的信号，我们用RBW为10KHz的分辨率来区分两个信号是没有问题的。但是对于失真产物，它们的幅度大约在-50dB，频率间隔远大于10KHz时，他们就被掩盖掉了。那让我们尝试一下3KHz的分辨率，并且拥有15:1的选择性。60dB带宽大约是45KHz，失真信号还是被掩盖了。如果我们选择更小的分辨率带宽（比如1kHz），60dB带宽是15KHz，失真信号可以轻易地显示出来（因为60dB带宽的一半就是7.5KHz，7.5KHz小于失真信号的频率间隔）。所以我们需要1KHz的RBW。如果对于两个不等幅信号，而且一个信号小于另一个信号60dB，我们应该用小于60dB带宽的一半的RBW才能看清楚这个小信号。二十九：寄生调频