频谱分析仪技术基础

频谱分析仪技术基础

议题阐述频谱分析仪测量的主要应用 介绍频谱分析仪内部结构及工作原理 说明频率分辨率、灵敏度和动态范围等重要指标在分析仪测 量中的重要作用 针对PHS测试，简述注意事项

8563A

SPECTRUM ANALYZER

9 kHz - 26.5 GHz

要达到的学习目标熟练应用频谱分析仪 了解频谱分析仪结构原理，了解频谱 分析仪性能指标 掌握PHS测试频谱分析仪参数设置

1 频谱分析仪应用从事通信工程的技术人员，在很多时候需要对信号进行分析， 针对不同观察域，分别用示波器、频谱分析仪和矢量分析仪 观察信号 示波器只能观察信号的幅度、周期和频率；但频谱分析仪还 可以分析信号的频率分布信息、频率、功率、谐波、杂波、 噪声、干扰和失真，而矢量分析仪可以在频谱分析仪基础上 分析数字调制信号调制质量

频域和时域早期的信号观察，主要依赖示波器在时域内观察信号；傅立 叶变换告诉我们：任何时域内电信号都是由一个或多个不同 频率、不同幅度和不同相位的正弦波组成的，但应用示波器 无法观察到频域内信息，只能在时域内观察；应用频域测量， 就能以频谱的形式显示出每个正弦波的幅度随频率变化的情 况 下图是信号在时域和频域内观察的结果，由此可以清楚看出 信号在频域观察的必要性：时域得到的是信号的波形信息， 不能测量混合信号，如果存在干扰或失真信号，在时域上无 法区分有用信号和无用信号 在频域上可以准确地测量有用信号和无用信号的各种参数

幅度 (功率)

时域测量

频域测量

2 频谱分析仪结构及原理频谱分析仪的类型 频谱分析仪主要有傅立叶频谱分析仪和超外差式频谱分析仪 FFT频谱分析仪：被分析的信号通过模数转换器采样，变成 离散信号，采样值被保存在一个存储器中，经过离散FFT变 换计算，计算出信号的频谱 FFT频谱分析仪不足之处：FFT分析仪不适合脉冲信号的分 析，而且由于A/D转换器速度的限制，FFT分析仪仅适合测 量低频信号

超外差频谱分析仪这种频谱分析仪对输入信号的分析，并不是从时间特性计算 得来的，而是由频域分析直接决定的。对于这样的分析，必 须把输入频谱分成各个独立的部分。可调带通滤波器就是为 此目的而使用的 超外差频谱分析仪内部结构如下图

输入

RF 输入 衰减器

混频器

IF 增益

IF 滤波器

检波器

滤波器

对数 放大器

视频 滤波器

本地 振荡器 频率基 准

扫频 发生器 显示

原理分析信号分析过程如下：被测信号经过滤波和衰减后，和LO信 号进入混频器混频转换成中频信号，因为LO频率可变，所 以输入信号都可以被转换成固定中频，经放大

后进入中频滤 波器(中心频率固定),然后进入一个对数放大器，对中频 信号进行压缩，然后进行包络检波，所得信号即视频信号， 为了平滑显示，在包络检波之前通过可调低通滤波器，即视 频滤波；视频信号在阴极射线管内垂直偏转，即显示出在信 号的幅度，同时，由于显示的频率值是扫频发生器电压值的 函数，所以对应被测信号的频率值，于是，被测信号的信息 显示在LCD上 下面将对频谱分析仪每个独立部件的工作原理和相互之间的 作用做详细说明

低通滤波器低通滤波器的主要作用是抑制镜像频率。下图是低中频频谱 分析仪输入频率与镜像频率范围的关系，如果输入频率范围 大于2IF,则两频率范围会重叠,所以要求输入滤波器在不影 响主信号的情况下抑制镜像抑制

IF RF

LO LO IM

如果使用可调谐带通滤波器以抑制镜像频率，则由于较宽的 调谐范围使滤波器极为复杂，所以采用高的第一中频使问题 简化 这种配置下，镜像频率位于输入频率范围之上，由于两个频 率范围不会重叠，故可利用低通滤波器抑制镜像频率，三者 范围关系如下图

IF LO RF IM

衰减器衰减器主要有三个作用 保护频谱仪不受损坏：测量高电平信号时，为了不烧坏频谱 分析仪，必须对信号进行衰减； 提高测试的准确性：混频器是非线性器件，当混频器输入信 号电平较高时，输出会产生许多产物，而且电平太高会干扰 测试结果，使无互调范围减小；当输入信号电平在混频器 1dB压缩点以上时，测试结果会不准确 提高频谱仪动态范围：通过设置步进衰减器调节进入混频器 的电平，可以得到较大的动态范围

混频器混频器的作用就是将输入高频信号转换成中频信号，由于混 mf 频器是非线性器件，输出会有很多频率成分 ： ± n f 但我们 需要的是 f f 混频方式有两种：基波混频和谐波混频，基波混频是输入信 号的基波混频，而谐波混频是通过本振信号的谐波来混频 谐波混频会造成相对高的转换损耗 混频器对输入RF小信号而言是线性网络，当输入信号幅度 逐渐增大时，就存在着非线性失真问题，所以输入信号的幅 值应低于频谱分析仪的1dB压缩点RF LO

LO

RF

RF IF LO

中频放大器输入信号经过了前置衰减器，电平降低，为了恢复信号幅值， 补偿输入衰减器的变化，在混频后对中频信号进行放大 在放大有用信号的同时，噪声和干扰信号也被同时放大

中频滤波器中频信号经放大后，然后经过中频滤波器，中频滤波器是一 个带通滤波器，它选出需要的混频分量，抑制掉其他不需要 的信号。中频滤波器的带宽决定了频谱分析仪的RBW范围 根据频谱分析仪类型不同

,中频滤波器有模拟滤波器、数字 滤波器和FFT滤波器

模拟滤波器模拟滤波器用来实现大的分辨率带宽。一般频谱仪为4级滤 波电路，也有5级滤波电路产品，这样可分别得到14和10的 波形因子，然而理想的高斯滤波器的波形因子为4.6 波形因子即带宽选择性，简称选择性。在实际测量中，经常 会遇到这种情形，两个频率接近的信号幅度不等，大信号形 成的响应曲线掩盖了小信号，使小信号丢失，所以很多公司 产品提供了滤波器3dB带宽，表示等幅正弦信号频率相差多 少时仍能将它们区分开，这样的合成响应曲线仍有两个峰值， 中间下沉大约3dB,如下图所示

有些频谱分析仪的带宽选择性定义为60dB与30dB带宽之比， 如下图，也有的频谱分析仪的选择性用60dB和6dB带宽之比 表示 3 dB 3 dB BW 60 dB

3 dB BW 选择性 = 60 dB BW

两等幅信号的测试 10 kHz RBW 3 dB

10 kHz