最好的频谱分析仪基础知识

现代频谱分析仪已经得到许多综合利用，从研究开发到生产制造，到现场维护。新型频谱分析仪已经改名叫信号分析仪，已经成为具有重要价值的实验室仪器，能够快速观察大的频谱宽度，然后迅速移近放大来观察信号细节已受到工程师的高度重视。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。

有两种技术方法可完成信号频域测量（统称为频谱分析）。

1．FFT分析仪 用数值计算的方法处理一定时间周期的信号，可提供频率；幅度和相位信息。这种仪器同样能分析周期和非周期信号。FFT 的特点是速度快；精度高，但其分析频率带宽受ADC采样速率限制，适合分析窄带宽信号。

2．扫频式频谱分析仪可分析稳定和周期变化信号，可提供信号幅度和频率信息，适合于宽频带快速扫描测试。

图1 信号的频域分析技术

快速傅立叶变换频谱分析仪

快速傅立叶变换可用来确定时域信号的频谱。信号必须在时域中被数字化，然后执行FFT算法来求出频谱。一般FFT分析仪的结构是：输入信号首先通过一个可变衰减器，以提供不同的测量范围，然后信号经过低通滤波器，除去处于仪器频率范围之外的不希望的高频分量，再对波形进行取样即模拟到数字转换，转换为数字形式后，用微处理器（或其他数字电路如FPGA,DSP）接收取样波形，利用FFT计算波形的频谱，并将结果记录和显示在屏幕上。

FFT分析仪能够完成多通道滤波器式同样的功能，但无需使用许多带通滤波器，它使用数字信号处理来实现多个独立滤波器相当的功能。从概念上讲，FFT方法是简单明确的：对信号进行数字化，再计算频谱。实际上，为了使测量具有意义，还需要考虑很多因素。

FFT的实质是基带变换，换句话说，FFT的频率范围总是从0Hz开始并延伸到某个最高频率处。这对需要分析较窄频带（不是从直流开始）的测量情况可能是一个重大限制。例如，FFT分析仪具有取样频率，FFT的频率范围是0Hz到128KHz。若N=1024，则频率分辨力将是，故不能分辨间隔小于250Hz的谱线。

提高频率分辨力的一种方法是增大时间记录中的取样点数N，这也增大FFT输出的节点数。不过，问题在于，这会增加FFT所要处理的数组长度，从而增加计算时间。FFT算法的计算时间往往限制了仪器的性能（比如屏幕刷新速度），所以增加FFT的长度往往是可取的。

另一种方法是使用数字下变频器，对于带限信号，进行数字下变频，这样等效降低了采样速率，可以提高频率分辨力。ADC的输出与数字正弦波相乘，借助数字混频使数字正弦波的频率降低。再用数字滤波器进行滤波，数字滤波器通过利用适当的抽选因子来形成适当的频率间隔，这个带宽可以做得很窄，可以形成窄到1Hz的频率间隔和频率分辨力。

图2 在FFT分析仪中利用数字混频器可以为频变分析提供频带选择

扫频式频谱分析仪工作原理

频谱仪就是采用扫频式原理来完成信号的频域测试。

频谱分析仪的功能是要分辨输入信号中各个频率成份并测量各频率成份的频率和功率。为完成以上功能，在扫描-调谐频谱分析中采用超外差方式，它能提供宽的频率覆盖范围，同时允许在中频（IF）进行信号处理。图3是超外差式扫频频谱分析仪的结构框图。

输入信号进入频谱仪后与本振（LO）混频，当混频产物等于中频（IF）时，这个信号送到检波器，检波器输出视频信号通过放大、采样、数字化后决定CRT显示信号的垂直电平。扫描振荡器控制CRT显示的水平频率轴和本地振荡器调谐同步，它同时驱动水平CRT偏转和调谐LO。

频谱分析仪依靠中频滤波器分辨各频率成份，检波器测量信号功率，依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号频率值。

这种扫描- 调谐分析仪的工作原理正象你家中的调幅（AM）接收机，只是调幅接收机的本振不是扫描的，而是用刻度旋钮人工进行调谐；另外不是用显示器显示信息而是用扬声器。

图3 扫频超外差式频谱分析仪的简化框图

基于扫描式工作原理，当输入信号为单点频信号时，该信号需和扫描本振信号进行混频，这样中频信号也为频率变化的扫频信号，该扫频信号通过中频滤波器和检波器后输出波形为中频滤波器频响形状。

图4 扫频式频谱分析仪的测量过程

输入衰减器

输入衰减器是信号在频谱仪中的第一级处理，频谱分析仪输入衰减器功能包含以下方面：

1. 保证频谱仪在宽频范围内保持良好匹配特性；

2 .保护混频及其它中频处理电路。防止部件损坏和产生过大非线性失真。

一般频谱分析仪衰减器衰减范围为：0~65dB; 可按照5dB步进变化。当改变输入衰减器设置时，信号电平会受到影响。如衰减值由10dB变为20dB，信号幅度人为被减小10dB，相应检波输出也会降低，为补偿该变化，频谱仪内部会利用放大器补偿衰减影响。所以当在改变衰减器设置时，输入信号在频谱仪上的显示并不发生变化。

仪表自动设置衰减器件的原则是保证：

输入信号电平－衰减器设置<=混频器工作电平

可以注意一下仪表的这几个参数值是否满足上式的关系。

所以，当改变仪表输入衰减器设置时，其内部衰减器和中频放大器会发生变化。中频放大器决定信号在屏幕上的显示位置。

频谱仪工作时，其中频放大器增益和衰减器设值连动工作，当改变输入衰减器设置时，输入信号显示电平并不会发生变化。

混频器

混频器完成信号的频谱搬移，将不同频率输入信号变换到相应频率。在混频过程中会存在镜相干扰问题。

镜相干扰举例：

1. 输入信号频率：800MHz; 本振信号频率：780MHz;

2. 中频信号频率：800-780=20MHz;

3. 则镜相干扰信号频率：780-20=760MHz,

4. 760MHz信号是800MHz信号的镜相干扰。

这样带来的测量问题就是频谱仪的一个中频信号显示不能判断是760MHz信号还是800MHz信号的响应。

频谱仪需采用相应方法来解决这个问题。频谱分析仪利用两种方法解决该问题。

1.在低频率段(<3GHz)，利用高混频和低通滤波器抑制干扰。

2.在高频率段(>3GHz)，利用带通跟踪滤波器抑制干扰。

图5 典型频谱分析仪的变频处理过程

中频滤波器

中频滤波器是谱分析仪中关键部件，频谱分析仪主要依靠该滤波器来分辩不同频率信号，频谱仪许多关键指标（测量分辨率、测量灵敏度、测量速度、测量精度等）都和中频滤波器的带宽和形状有关。

中频滤波器通常由LC滤波器，晶体滤波器或数字滤波器的组合实现。形状因素和滤波器类型是说明这些滤波器特性的重要因素。形状因素为滤波器是如何选择的一个测度，通常规定为3dB/60Dbk宽度之比，比值表示出如何在3dB带宽内的大信号附件分辨小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Butterworth巴特沃兹滤波器或Chebychev切比雪夫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），但最终应用哪种滤波器属最佳将起重大作用。优良的形状因素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。

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小的待测量同步易显示和分辨。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

检波器将输入信号功率转换为输出视频电压，该电压值对应输入信号功率。

针对不同特性输入信号（正弦信号、噪音信号、随机调制信号等），需采用不同检波方式才能准确测出该信号功率。

现代频谱仪一般采用数字技术，支持所有检波方式以确保准确测量各种被测信号的功率参数。

视频滤波器

视频滤波器对检波器输出视频信号进行低通滤波处理，减小视频带宽可对频谱显示中的噪声抖动进行平滑，从而减小显示噪声的抖动范围。这样有利频谱仪发现淹没在噪声中的小功率CW信号，还可提高测量的可重复性。

扫描本振

扫描本振是整个频谱分析仪中的关键部分之一，扫描本振的稳定度和频谱纯度对许多性能指标都是一个限制因素。本振的稳定度影响最小分辨带宽，但是，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。相位噪声影响对