频谱仪原理与使用介绍

频谱仪

频谱仪原理与使用介绍主讲：李家杰

2008年4月

频谱仪

频谱测量的意义频谱仪的工作原理频谱仪各主要组件的功能频谱仪的正确使用频谱仪的各项参数设置介绍频谱仪的校准利用频谱仪进行测量的一些技巧

2008年4月

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频谱测量的意义

频谱分析仪对于信号分析来说是不可少的。它是利用频率域对信号进行分析、研究，同时也应用于诸多领域，如通讯发射机以及干扰信号的测量，频谱的监测，器件的特性分析等等，各行各业、各个部门对频谱分析仪应用的侧重点也不尽相同。

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频谱测量的意义 科学发展到今天，我们可以用许多方法测量一个信号，不管它是什么信号。通常所用的最基本的仪器是示波器---观察信号的波形、频率、幅度等，但信号的变化非常复杂，许多信息是用示波器检测不出来的，如果我们要恢复一个非正弦波信号F,从理论上来说，它是由频率F1、电压V1与频率为F2、电压为V2信号的矢量迭加。

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频谱测量的意义A 从分析手段来说，示波器横轴表示时间，纵轴为电压幅度，曲线是表示随时间变化的电压幅度，这是时域的测量方法。如果要观察其频率的组成，要用频域法，其横坐标为频率，纵轴为功率幅度。这样，我们就可以看到在不同频率点上功率幅度的分布，就可以了解这两个(或是多个)信号的频谱分布。

f

时域

t

频域

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频谱测量的意义

所以说有了这些单个信号的频谱，我们就能把复杂信号再现、复制出来。这一点在我们要对复杂信号进行频率测量和分析时，是非常重要的，是时域分析所无法实现的。

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频谱仪的工作原理

从技术实现来说，目前有两种方法对信号频率进行分析。 其一是对信号进行时域的采集，然后对其进行傅里叶变换，将其转换成频域信号。我们把这种方法叫作动态信号的分析方法。特点是比较快，有较高的采样速率，较高的分辨率。即使是两个信号间隔非常近，用傅立叶变换也可将它们分辨出来。2008年4月

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频谱仪的工作原理

但由于其分析是用数字采样，所能分析信号的最高频率受其采样速率的影响，限制了对高频的分析。目前来说，最高的分析频率只是在10MHz或是几十MHz,也就是说其测量范围是从直流到几十MHz。是矢量分析。 这种分析方法一般用于低频信号的分析，如声音，振动等。2008年4月

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频谱仪的工作原理 另一方法原理则不同。它是靠电路的硬件去实现的，而不是通过数学变换。它通过直接接收，称为超外差接收直接扫描调谐分析仪。我们叫它为扫描调谐分析仪。 在工作中通

常所用的HP-859X系列频谱仪都是此类的分析仪。其特点是扫描调谐分析法受器件的影响，只要我们把器件频率做得很高，其分析能力就会很强。目前的工艺水平，器件可达到 100GHz,最高甚至可做到325GHz。其频率范围要比前一种分析方法大很多。只是在达到较高分辨率时，其分析测量的时间会有所增加。2008年4月

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频谱仪的工作原理 下面我们着重介绍一下扫描调谐分析仪的基本原理 从图中，我们不难看出，它是用超外差接收机的方式来实现频谱分析的

RF输入

检波器滤波器本振 LO

扫描

显示器

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频谱仪的工作原理

最基本的核心部分是它的混频器。基本功能是将被测信号下变至中频21.4MHz,然后在中频上进行处理，得到幅度。在下变频的过程中，是由本振来实现下变频的。本振信号是扫描的，本振扫描的范围覆盖了所要分析信号的频率范围。所以调谐是在本振中进行的。全部要分析的信号都下变频到中频进行分析并得到谱频。2008年4月

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频谱仪的工作原理 当然，频谱仪在输入信号时并没有直接将其接入混频器，而是首先接入一个衰减器。这不会影响最终的测量结果，完全是为了仪表内部的协调，如匹配、最佳工作点等等。它的衰减值是步进的，为0dB、5dB、10dB,最大为60dB。 还有的频谱仪是不能输入直流的，否则也会损坏器件。另外，还应注意不能有静电，因为静电的瞬时电压很高，容易把有源器件击穿。日常工作中把仪表接地就会有很好的效果，当然要有保护接地会更好。2008年4月

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频谱仪的工作原理 在中频，所有信号的功率幅度值与输入信号的功率是线性关系。输入信号功率增大，它也增大，反之相同。所以我们检测中频信号是可行的。另外，为了有效检测，要有一个内部中频信号放大。混频器本身有差落衰减，本频和射频混频之后它并不是只有一个单一中频出来，它的中频信号非常丰富，所有这些信号都会从混频器中输出。在众多的谐波分量中，只对一个中频感兴趣。也就是前面所说的 21.4MHz。这是在仪器器件中做好的，用一个带通滤波器把中心频率设在21.4MHz,滤除其它信号，提取21.4MHz的中频信号。通过中频滤波器输出的信号，才是我们所要检测的信号。 2008年4月

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频谱仪的工作原理 滤波器在工作中有几个因素：中心频率是21.4MHz,固定不变，其30dB带宽可以改变。比如对广播信号来说，其带宽一般是几十kHz,若信号带宽是25kHz,中频的带宽一定要大于 25kHz。这样，才能使所有的信号全部进来。如果太宽，就会混入其它信号；如果太窄，信号才进来一部分，或是低频

成份，或是高频成份。这样信号是解调不出来的。 中频带宽设置根据实际工作的需要来决定的。当然它会影响其它很多因素，如底噪声、信号解调的失真度等。 经过中频滤波器的中频信号功率就是反应了输入信号的功率。检测的方法就是用一个检波器，将它变为电压输出，体现在纵轴的幅度。当然还要经过D/A转换和一些数据处理，加一些修正和一些对数、线性变换。这足以给我们带来信号分析上的许多方便。

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频谱仪的工作原理频谱分析是要分析频域的。一个信号要分析两个参数，一是幅度，二是频率。幅度已经得出，而频率和幅度要对应起来，在某一频率是什么幅度。下面介绍一下频率是如何测量的，如何与幅度对应起来。 它是通过本振与扫描电压对应起来的。本振是一个压流振荡器。本振信号是个扫描信号。扫描控制是由扫描控制器来完成的。它同时控制显示器的横坐标。从左到右当扫描电压在0V时，在显示器上是0点，对本振信号来说是F1点，即起始频率点。当扫描电压到10V时，在显示器上是终止频率点，本振电压就是在终止频率点，中间是线性的。通过这样的方法，使得显示器坐标的每一点与本振F1、F2的每一点对应起来：射频信号是本振信号减去中频信号 21.4MHz。当我们操作频谱仪进行分析时，实际是在改变本振信号的频率。 2008年4月

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频谱仪各主要组件的功能 在了解了频谱仪的基本工作原理后，我们将更进一步深入了解频谱仪的结构及各主要组件的功能。 下面我们将以惠普公司生产的HP8596频谱仪来进行介绍与分析。

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频谱仪各主要组件的功能 HP8596系列频谱仪的简化原理框图低通滤波第一变频低通滤波第二变频带通滤波 MIX1第三变频步进放大器带通滤波对数放大器 LOG MIX2检波器扫描斜波发生器 YTF

输入衰减器

FRF

显示器第一本振

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