频谱分析仪简介

一、概述

频谱分析仪是观察和测量信号幅度及信号失真的一种快速方法。其显示结果可以直观反映出输入信号的傅里叶变换的幅度。傅里叶变换将时域信号作为正弦和余弦的集合映射到频域内。信号频谱分析的测量范围及其宽广，超过了140dB。这些能力使频谱分析仪成为特别适于现代通讯领域的多用途仪器。频谱分析实质上是考察给定信号源、天线或信号分配系统的幅度于频率的关系。这种分析能给出有关信号的重要信息，如稳定度、失真、幅度以及调制的类型和质量。利用这种信息，可以进行电路或系统调节，以提高效率或验证在所需的信号发射和不需要的信号发射方面是否符合不断涌现的各种规章条例。

现代频谱分析仪已经得到许多综合应用，其范围从研发实验室到生产制造和现场维护。频谱分析仪已经成为具有重要价值的实验仪器。能快速观察大的频谱宽度，然后迅速移近放大来仔细考察所关心的的信号已受到研发工程师们的高度重视。在制造领域，测量速度结合通过计算机来存取数据的能力，可以快速、精确和重复地完成一些极其复杂的测量。

(1)、应用

许多因素正影响着对信号分析仪的利用和需要，例如，高速计算机的急剧增多需要宽频率范围的诊断仪器。

射频电信的快速发展导致更多的测试，以检验对传输模式的管理要求。当今对于移动无线电话的要求是相当严格的，这些要求包括测量频谱占用、功率电平、时域响应和其它杂散发射。有线电视和广播电视也为利用信号分析仪提供了机会，调制带宽、信噪比、载波电平和谐波便是例子。

射频和微波应用领域持续不断地对最终使用的设备和测试设备提出越来越高的要求。正如对每个最终用户的设备在变化一样，对相关信号分析仪的要求也在变化。因此，在选择合适的频谱分析仪之前，需要对既定应用有全面了解。随着特殊类型的测量变得更为迫切，寻找专门适合有关应用项目的信号分析仪也成为可能。由于已设计出用于特殊应用领域的信号分析仪，故它们不仅显示原始的频率和幅度测量结果，而且要将那些测量变换为更全面的解决方案。目前，频谱分析仪已经能够帮助数字设计师诊断和改进他们的高速数字系统的射频干扰性能。这些频谱分析仪的设计更加面向应用，且更容易被电磁干扰设计工程师们操作和理解。许多其它领域，如移动通信和有线电视或广播电视市场也可以举出类似的例子。

(2)、时域和频域的关系

频谱分析仪的效用可以通过对简单信号的时域分析和频域分析比较作出最佳说明。

时域图像复杂，不容易理解

在频域中，很容易看出基波和两个谐波的分量

时域与频域之间的映射图像

时域示波器显示幅度与时间的关系(如图a)，显示的垂直轴代表信号的幅度，而水平轴代表时间，从左到右增大。在频谱分析仪中，仪器显示幅度与频率的关系(如图b)，显示的垂直轴也代表信号的幅度，而水平轴是频率，从左到右增大。图c描写了这两种分析技术的关系，频谱分析仪分辨信号的频谱组成，并在宽广的幅度和频率范围内加以显示。现代频谱仪拥有频率从几Hz到远远超过100GHz和幅度范围超过100dB的分析能力，这种仪器能迅速显示并定量确定信号的完整组成。

二、频谱分析仪的原理

扫频超外差式频谱分析仪和快速傅里叶变换频谱仪是目前射频和微波工作中最常用的仪器。

(1)方块图

下图示出了扫频超外差式频谱分析仪的方块图，这里，关键在于频谱分析仪实质上是一台超外差接收机。频谱分析仪具有某些特殊之处，即频率范围比大多数接收机的宽，第一本振能被扫描，而主要差别在于中频结构方面。

扫频超外差式频谱分析仪的简化方块图

输入衰减器：衰减器的作用是限制输入信号的功率，使仪器的其余部分维持在它的正常工作范围内。大多数频谱分析仪都能承受0～10dBm功率加到输入混频器上(dBm指以1mW为参考的分贝数)。输入衰减器用于使较大的信号维持在这个阈值之下，以及使频谱分析仪的测量动态范围达到最佳。衰减器本身通常处在0.5～1W功率承受范围。这就能调节仪器在不损坏的情况下可能承受的最大输入电平。

输入滤波器：本单元是用于镜像抑制或预选的滤波器。由于混频器对和频和差频两者都起响应，故必须用一输入滤波器来抑制不希望的混频产物或者由于镜频信号而可能发生不希望的响应。在典型射频频谱分析仪中，这是用低通滤波器来实现的。在大多数现代微波频谱分析仪中，这需要利用跟踪滤波器来满足。存在着能连续调节，以对频谱分析仪的调谐频率进行跟踪的电调谐滤波器。在频率很高的毫米波段(高于50GHz)，这类滤波器难以具体实现，因此，采用了非预选式混频器。这意味着对一个输入信号将有多个响应，因为混频器对本振的和频与差频两种信号都有响应。必须小心识别要观察的那些产物。大多数信号分析仪都提供了使这个过程容易进行的所谓信号识别(ID)功能。标记或光标放在未知信号上，信号分析仪显示响应的真实频率。

中频(IF)级：中频是信号分析仪中进行实际分析的地方。主要功能是提供分辨率带宽滤波器的多种选择。这些滤波器由它们的3dB带宽描述(如下图a)。

图a表示分辨率带宽的主要指标;图b表示60dB/3dB比值及其与选择性的关系;图c表示分辨率带宽与带宽类型的差别

分辨率带宽是仪器分辨率的测度，滤波器的分辨带宽越窄，两个信号越近且仍可作为独立响应看到。分辨率带宽滤波器通常由LC滤波器、晶体滤波器和数字滤波器的组合实现。形状因数和滤波器类型是说明这些滤波器特性的重要因素。形状因数为滤波器是如何选择的一个测度，通常规定为3dB/60dB带宽之比，图b中可以看出它的影响。比值(3dB/60dB)表示出如何在3dB带宽内的大信号附近分辨率小1百万倍(-60dB)的信号，这类滤波器对频谱分析仪的性能有重大影响。虽然某些滤波器类型如巴特沃兹(Butterworth)滤波器或切比雪夫(Chebychev)滤波器具有优良的选择性(信号分离的能力)，以及高斯滤波器和同步调谐滤波器具有较好的时域性能(较好的扫描幅度精度)，但最终应用在哪类滤波器属最佳将其重大作用。优良的形状因数性能对紧靠在一起的信号提供较好的分辨率。较好的时域性能(无过冲)提供了更快的扫描速度和良好的幅度精度。图c示出不同的分辨率带宽和不同的滤波器类型会如何影响分辨率的信号。还有另一些影响分辨率的因素，它们与本振的稳定度直接相关。带有精确放大设置的步进增益放大器可用来精密调节频谱分析仪的灵敏度和测量范围，这类放大器提供仪器增益的极精密步进，通常在超过50dB的范围可以至少以1dB或更小的步距进行调节。

对数放大器：对数放大器以对数方式处理输入信号，允许有大的待测量和待比较的输入信号范围。实现这种压缩的一种方法是构建增益随信号幅度而变化的放大器。在低电平信号下，增益可能为10dB，而在较大的幅度下，增益下降到0。为了获得所需的对数范围，必须将若干级这类放大器进行级联。对数放大器通常具有约70dB到超过100dB的范围。除对数范围外，逼真度(对数压缩与对数曲线相符的接近程度)是应考虑的重要因素，这个误差将直接反映测量的幅度误差。

检波器：最基本的频谱分析仪中的检波器是与调幅无线电设备中所用检波器相似的线性包络检波器。对于已经用对数放大器压缩的信号，线性检波器能给出大的范围，而未对检波器提出大线性范围的要求。某些分析仪采取不同的方法。在这些仪器中，使用了像同步检波器那样的大范围线性检波器，检波器后接直流对数放大器，仍给出80～100dB的显示。

视频滤波器：这类滤波器能对检波输出进行某种后置滤波或取平均。除非测量需要取平均，否则，视频滤波器一般都调到与分辨率带宽相同的带宽或大于分辨带宽。在存在噪声和信号的结合时，可能需要取平均。在此，随机噪声被平均过程去除，而信号被保留下来。

模数转换器：在理想情况下，应利用工作速度大于最大分辨率带宽的多位(16位或更大)模-数转换器。由于某些情况下模-数转换器也消耗功率或者不能利用，而需要另外的电路来获得所需信息。在许多情况下，为了记录给定时刻或时段内的最大值，采用了模拟和数字峰值检波器系统。为了给出实际信号或噪声带宽的感觉，采用了峰值和最小值检波器的各种组合，以及采用各种算法来选择能显示接近实际模拟信号幅度变化的那些检波器。一种方法是检测在测量期间既上升又下降的信号，倘若如此，便交替显示峰值和最小值。

扫描本振：扫描本振是整个信号分析仪中的关键部分。扫描本振的稳定度和频谱纯度对许多性能指标可能是一个限制因素，残余调频是本振稳定度的测度，理想本振应当是完全稳定且没有频率调制。在分辨率带宽很窄的信号分析仪中，几赫兹的频率调制可能引起如下图所示的模糊图像。

图a残余调频或抖动的影响，引起信号的频率模糊;图b相位噪声的影响和对滤波器选择性设立的极限

本振的稳定度可能决定了最小分辨率带宽，这可能是有益的，由此引起的抖动并不会损害测量结果。所要求的稳定度可以用多种方法获得：鉴频环路、频率锁定环路或锁相环。这些方法的每一种都有优越性，应在适当的分辨率带宽内与仪器的其余部分一致。即使利用频率很稳定的本振，仍然存在残余的不稳定度，这称之为相位噪声或相位噪声边带。相位噪声的影响可能妨碍对邻近信号的观察，而如果我们只考虑带宽和形状因数，本来是不难观察到的，参见图b。现代信号分析仪的重要应用是直接测量其它装置的相位噪声，在这种情况下，相位噪声显然是一个重要因素。

(2)、微处理器

在任何现代仪器中，最重要的部分也许就是微处理器及相关指令。这种处理能力是仪器内的所有硬件和谐配合，确保测量的精确性。早期的频谱分析仪要求用户通过调节进行校准的分辨率带宽、扫描时间和频率间隔控制按钮来维持测量的总体性能。为了保证输入信号足够缓慢对中频滤波器扫描，以便获得完整的幅度响应，要求控制旋钮相互协调。若信号扫描太快，响应将呈现延迟、幅度降低，如下图所示。

本振扫描太快，滤波器没有达到完整幅度的时间，从而造成幅度的下降。通过滤波器延时并向右移动

扫描时间、分辨率带宽和频率间隔三者之间的关系由下式给出：

式中，扫描时间为对频率间隔扫描所需的时间;频率间隔为扫描期间的总频率变化;分辨率带宽为所使用的分辨率带宽。

扫描时间与频率间隔除以分辨率带宽的平方成正比。因此，从10kHz分辨率带宽减小到1kHz分辨率带宽而同时维持频率间隔恒定不变将引起扫描时间增加100倍。在此，微处理器可以跟踪所有仪器设置并通过调节维持校准状态。

许多仪器也是经微处理器校准、修正或校直。校准信息可以储存到仪器的只读存储器中，供随后在实际测量中调用，以消除由硬件引起的误差。这一功能的一个例子是修正由输入滤波器和混频器响应引起的频率响应误差。对硬件性能进行精确测量并将结果储存到仪器的存储器中。然后，在测量期间加上或减去对硬件响应的修正量。可以对许多组修正数据进行测量、储存和修正，如衰减器的精度和对数放大器的精度。用这种中央微处理器还可以提供当前在基本仪器中迫切期待的图标和其它各种功能。在使用图标的情况下，微处理器将读出在给定频率上储存的数据，并以适当的分辨率向用户显示这个信息。加入微处理器还提供了当前的复杂和竞争环境下所需的远程控制功能。这就允许通过测量控制器的能力，将仪器组装到使许多仪器协调工作的更复杂系统中。然后，将这些系统投入到研发、制造维修和现场工作的高速应用中。

(3)动态范围考虑

动态范围是选购频谱分析仪的一个主要因素。这个关键技术指标一般指仪器同时测量两个信号的能力。在这方面，灵敏度、谐波失真和三阶失真是主要参数。

噪声电平：信号分析仪检测某个信号的能力通常用显示的平均噪声电平表示。所显示的噪声电平由使分析仪处于高增益状态并利用提供的最窄分辨率带宽进行测量。由于噪声电平随带宽而变，故它由下式定义

噪声电平变化(dB)=

因此，使分辨率带宽从10kHz分辨率带宽减小到1kHz将引起显示的噪声电平降低10 dB。

噪声电平变化(10dB)==-10dB

式中，噪声电平变化(dB)为观察到的测量电平变化ResBW2,ResBW1为所采用的不同分辨率带宽。

下图a示出这个效应。注意，为了获得最高灵敏度，进行这些测量时应将输入衰减调到0 dB，这个指标给出信号分析仪能测量多小信号的精确度。若信号功率电平等于噪声电平，则两个功率将在本底噪声中给出3 dB响应，如图b所示。

分辨率带宽改变10倍，噪声电平下降10dB，信噪比的增大是明显的

在与噪声相同电平上对信号进行测量的影响，两个功率组合给出3dB噪声曲线的突起

利用灵敏度指标，可以对每个分辨率带宽绘制信噪比曲线图。由下图可以看出，最大信噪比将伴随着最大信号电平输入出现。如果我们只关注这些，那么，获得最大动态范围将伴随着大的输入信号。实际上问题并不这么简单。

两种带宽设置的信噪比曲线图，由于100Hz到1kHz相差10倍，电平也相差10倍

失真电平：在频谱分析仪中，存在产生失真分量的非线性，例子有谐波失真和三阶失真。实际上存在许多阶次的分量，但通常二阶和三阶是最突出的。下面是信号分析仪如何起作用的例子。一个关键问题是确定所观察到的失真是由被测件引起的还是由分析仪内部引起的。在进行信号分析仪测量时，常常需要确定失真或将内部(频谱分析仪中)产生的失真同被测件内产生的失真分开。输入衰减器在这个任务中起着重要作用。为了对过载进行测试，必须增加衰减量。若显示的信号读出相同的幅度，便没有增益压缩，而必定返回原来的衰减电平。然而，若幅度存在差别，便应重新增加衰减，直到电平读数不变。当大信号引起测量仪器指示比应有的电平更低的电平时，便发生增益压缩或过载。在有失真分量的情况下，增益压缩或过载更严重。原因是内部产生的失真分量增加得比信号电平变化更快。为了说明问题，三阶分量以3倍于信号电平的正常值改变。因此，对每1 dB信号电平变化，失真分量将增大3 dB，这在如下图a中作了说明。检查内部产生的分量的方法与检查压缩的方法相同。简单的改变输入衰减器并观察失真分量改变显示的电平，如果显示的电平不变，则测量的结果是被测件产生的分量。

同样，必须对二阶分量进行测试。但是，对于每1 dB的电平变化，二阶分量改变2 dB。可以利用输入衰减器来确定失真是由分析仪产生还是由被测件产生。

如同信噪比一样，可以绘制曲线图来表示信号失真比的范围(见下图b)。在这种情况下，垂直轴以dBc(相对于载波功率的dB数)为单位，而水平轴是入射到分析仪输入混频器上的功率(输入电平-衰减器设置)。在三阶失真的情况下，技术指标通常用于-30 dBm的混频器电平(某些制造商规定总输入功率，而某些制造商则规定某个电平上的各个音频。务必检查这个电平的潜在3 dB差别)。从规定的电平开始，可以以斜率2在任何一个方向延伸(对于产生3 dB失真下降的1 dB变化，差别将增加或减小2)。对于二阶失真可以画出相同直线，但斜率为1，并可以加到失真曲线图上。正如我们可以从这个曲线图上看到的那样，最大失真差别伴随着最低的输入信号电平。如果失真曲线图与灵敏度曲线相组合，便得到图b的结果。

现在要做出比较大的折衷，最大信噪比伴随着最高输入信号电平，而最大无失真范围则伴随着最低输入电平。在此，问题是要了解测量并作出相应调整。例如，若测量的是三阶失真，则最佳输入电平将是显示的噪声与失真分量相等的那个电平。这个电平处在信噪比线与三阶失真线的相交处。为了获得最高精度和最大动态范围，相交处是应进行测量的输入混频器电平。

为了调节到包括所有失真分量，直接选择与本底噪声线和失真线最大相交处的输入电平。许多现代信号分析仪的电平都允许用户将混频器电平调到规定的电平，而微处理器将调节输入衰减器，以获得所需的无失真范围。

三、辅助设备

有几种辅助设备能显著增强频谱分析仪的功能，这些辅助设备包括跟踪发生器、预选器和高阻抗探头。

(1)跟踪发生器

跟踪发生器可以把频谱分析仪变成动态范围很大的标量网络分析仪。跟踪发生器将扫描第一本振信号与第一中频频率的固定振荡器相结合。最后结果是所产生的信号完全与频谱分析仪的调谐频率相一致。利用这个装置，可以测量置于频谱分析仪与跟踪发生器之间的任何装置的频率响应。总测量范围从跟踪发生器的最大输出功率到频谱分析仪的灵敏度极限，这个范围可能为+10dBm～-140 dBm。

(2)跟踪预选器

跟踪预选器允许将分析仪用在存在许多信号的环境中。大量信号可能产生输入混频器无法承受的过大总信号功率(所有各个信号功率之和)。在这种情况下，利用与分析仪的调谐频率始终保持一致的跟踪滤波器能滤除掉许多杂波信号，而使混频器正常起作用。

(3)高阻抗探头

扫频频谱分析仪的输入阻抗通常为50～70欧姆，可以与大多数射频和微波设备相匹配。有时候，更需要很高的输入阻抗。例如，电路或集成电路的探测往往需要高阻抗。有一些由具有50欧姆输出阻抗的高输入阻抗放大器构成的有源探头，它们有助于实现这类测量并维持高灵敏度。