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1、1 广电系统卫星地球站技术培训 频谱分析仪的原理和使用 2 目录 一、频域分析基础知识 一、频域分析基础知识 二、扫频式频谱仪工作原理和关键参数 三、数字频谱仪工作原理和特点 四、频谱仪在卫星广播通信中的典型应用 五、频谱仪的操作3 时域分析和频域分析 时域分析：观察信号幅度随时间的变化情况 频域分析：观察和分析信号的频率成分 4 信号的频率成分 两个不同频率的正弦波合成了一个新的信号5 信号的频率成分 一个信号被分解成两个不同频率的正弦波 6 时域和频域分析 时域和频域是从不同角度对信号进行观察7 时域和频域分析 时域和频域是从不同角度对信号进行观察 8 频域分析的应用举例 用频域分析的方法
2、可以清楚地观察到载波是否失真9 频域分析与卫星广播通信监测 目前使用的广播和通信卫星绝大多数都是弯管（透明）转 发器卫星 这类卫星本质上以频率划分不同的转发器和信道 不同用户业务之间是频分复用的关系 VSAT网内可能存在TDMA的复用方式 因此，卫星信道监测主要以频域分析为主，时域分析为辅 10 典型频谱举例 周期信号的频 谱是离散的 非周期信号的 频谱是连续的11 频域分析的分类 完整的频域分析内容包括： 幅度 相位 频域分析按内容分类： 矢量分析幅度、相位 频谱分析幅度 12 时域测量和频谱测量工具 时域测量： 示波器 频谱测量： 频谱仪 矢量分析仪 网络分析仪13 频谱仪的分类 模拟频谱
3、仪：使用模拟滤波器 并行滤波器频谱仪 扫描调谐式频谱仪 超外差式扫频调谐式频谱仪 数字频谱仪：使用FFT数字信号处理技术 动态信号分析仪 实时信号分析仪 14 模拟滤波器频谱分析方法15 并行滤波器频谱仪 滤波器数量巨大，成本高 16 扫频滤波器频谱分析方法17 扫频调谐频谱仪 滤波器工作频率较高，且要求可调，难度大 18 超外差式扫频调谐频谱仪框图 将射频信号通过混频 变频到中频 滤波器工作在中频， 频率较低且固定不变 通过改变混频器本振 实现调谐 超外差式扫频调谐频谱仪是目前最常见的类型19 扫频式频谱仪工作原理和关键参数 混频器和调谐 中频滤波器和分辨带宽 包络检波器 视频滤波器和视频带
4、宽 显示器和扫描跨度 扫描时间 输入衰减 20 混频器的工作原理 混频器是非线性器件 输出信号中除两个输入信号还，还有其和、差频信号 Fsig FLO FLO-Fsig FLO+Fsig RF LO IF21 可调本振混频调谐 本振频率受锯齿波电压控制进行周期性的线性变化 中频滤波器的频率固定不变 调节本振使被混入滤波器的射频频率相应变化，实现调谐 Fsig=FLO-IF FLO IF FLO+Fsig RF LO IF 22 实际频谱仪的多级混频结构23 扫频式频谱仪工作原理和关键参数 混频器和调谐 中频滤波器和分辨带宽 包络检波器 视频滤波器和视频带宽 显示器和扫描跨度 扫描时间 输入衰减
5、 24 中频滤波器 理想滤波器 实际滤波器25 单CW信号频谱扫描过程 26 两个等幅CW信号频谱扫描过程27 两个等幅CW信号频谱扫描过程 （续） 28 两个等幅CW信号频谱扫描过程 （续）29 频谱仪的分辨带宽（RES BW） HP/AGILENT频谱仪定义中频滤波器的3dB带宽为RES BW 30 两个不等幅CW信号频谱扫描过程31 IF滤波器的频率选择性 HP/AGILENT频谱仪定义中频滤波器的3dB带宽为RES BW 32 两个不等幅CW信号频谱扫描过程 （续）33 分辨带宽和频率选择性 通过减小RES BW分辨邻近频率信号 34 分辨带宽和频率选择性35 分辨带宽对信号电平的影响
6、 对于频谱连续（类噪声）信号： 信号电平 分辨带宽 对于频谱离散信号： 信号电平与分辨带宽无关 36 分辨带宽对动态范围的影响 对于纯载波信号，可以通过改变分辨带宽提高动态范围 纯载波并无载噪比的概念37 扫频式频谱仪工作原理和关键参数 混频器和调谐 中频滤波器和分辨带宽 包络检波器 视频滤波器和视频带宽 显示器和扫描跨度 扫描时间 输入衰减 38 模拟包络检波器的工作原理 包络检波器首先对输入的交流信号进行整流 整流后的信号通过低通滤波器 滤波器输出的视频信号只反映输入中频信号的包络幅度的 变化，不反映交流信号的瞬时幅度变化39 模拟包络检波器的问题 模拟包络检波器丢弃了输入信号相位信息 在
7、个别情形下，多个频率接近的成分同时通过滤波器，其 相位相互作用，使合成后的包络起伏可能增强或减弱 数字频谱仪采用保留相位的矢量信息，可以避免此类问题 40 扫频式频谱仪工作原理和关键参数 混频器和调谐 中频滤波器和分辨带宽 包络检波器 视频滤波器和视频带宽 显示器扫描跨度 扫描时间 输入衰减41 噪声的随机性对测量的影响 中心频率处存在一个 小信号，被噪声淹没 由于噪声的随机性，频谱仪所测得的噪底起伏较大，测量 电平较低的信号时可能会受到影响。 此外，噪底的起伏 对测量载噪比也带 来不便。 因此，很多情况下 需要对噪底进行平 滑处理。 42 VIDEO 低通滤波器的工作原理 包络检波器输出的包
8、络信号仍然包含不同的频率成 分，其中： 高频成分反映信号的快速变化部分 低频成分反映信号的慢速变化部分，即均值部分 VIDEO低通滤波器丢弃包络信号中的高频成分，保 留低频成分，即保留均值部分，起到平滑作用；其 低通带宽VIDEO BW（V BW）决定平滑的程度。 VIDEO低通滤波器是对中频滤波器输出的包络曲线 进行平滑，并不改变频谱分辨率。43 V BW对噪声的平滑作用 44 V BW对噪声平滑效果 理论上，VBW小于RES BW才能起到对噪声的平滑作用 噪声的平滑效果与VBW/RBW有关，VBW越小，平滑效 果越显著 推荐VBW/RBW介于0.010.1之间45 V BW对噪声平滑效果（
9、续） V BW/R BW=3 V BW/R BW=0.1 V BW/R BW=0.01 46 VBW与多次平均（AVERAGE）的区别47 扫频式频谱仪工作原理和关键参数 混频器和调谐 中频滤波器和分辨带宽 包络检波器 视频滤波器和视频带宽 显示器和扫描跨度 扫描时间 输入衰减 48 显示器（DISPLAY） CRT显示器（模拟电路） 液晶显示器（数字电路） 计算机显示器等 常用频谱仪的显示器有以下几类： 无论哪种显示器，显示频谱时，其横轴受锯齿波发 生器控制，随LO相应线性变化，反映频率参数；其 纵轴信号包络电平相应变化，反映幅度参数49 扫描跨度（SPAN） SPAN 50 扫描点数 频谱
10、仪显示迹线由有限数量的扫描点（points）连接而 成，如： 8566B Count=1001 8563E Count=601 8593E Count=401 E4407 101Count 8192（可调）51 SPAN/Count/RES BW 当SPAN/(Counts-1) RES BW时，显示值需要取舍， 由此产生几种检波模式（Detector Mode）： Sample (Positive) Peak Negative Peak Normal Average 不同模式使用场合不同，各有利弊 建议尽量避免在RES BW较小时，SPAN设置过大 52 特殊的扫描跨度0 SPAN SPAN
11、0：横坐标为频率，频域分析 SPAN=0：横坐标为时间，时域分析 当SPAN设为0时，混频器的本振不再扫动，频谱仪 显示的曲线不再是信号频谱，而是由中心频率和IF 滤波器所限定的信号功率随时间的变化，即： 0 SPAN的用途： 天线方向图测试 信号功率稳定度测试53 扫频式频谱仪工作原理和关键参数 混频器和调谐 中频滤波器和分辨带宽 包络检波器 视频滤波器和视频带宽 显示器和扫描跨度 扫描时间 输入衰减 54 滤波器的响应时间 无论低通滤波器(V BW)还是带通滤波器(RES BW)，都在 不同程度上滤除了输入信号的高频成分，即快速变化部 分，而保留了慢变部分；因此，滤波器的输出对输入信 号的
12、响应变慢。 滤波器带宽越窄，响应时间越长。 频谱仪提高分辨率(降低RES BW)、提高平滑度（降低V BW）的代价是扫描速度变慢。55 扫描时间（SWEEP TIME） 模拟频谱仪一个完整SPAN的扫描时间（SWEEP TIME，ST）由以下公式确定： 或 当（VBW R BW）时 56 强制加快扫描的后果 测量电平偏低 测量频率偏高 出现 Measure Uncal 错误57 扫描时间的设置建议 RES BW、V BW和 Sweep Time相互关联，在频谱仪 上均有Auto（自动）和Man（手动）两个选项，当其 中的一个或多个参数设为自动时，频谱仪会自动为其 选取“合适”的数值。 建议在监
13、测频谱时，根据需要手动设置RES BW和V BW，而总是将Sweep Time设为自动（Auto），此时 频谱仪会自动设为不失真条件下的最快速度。 仅在0 SPAN模式下手动设置Sweep Time。 58 扫频式频谱仪工作原理和关键参数 混频器和调谐 中频滤波器和分辨带宽 包络检波器 视频滤波器和视频带宽 显示器和扫描跨度 扫描时间 输入衰减59 输入衰减（Input Attenuation）的作用 频谱仪的混频器(Mixer)是非线性器件，如果信号输入功 率过高，就会产生非线性失真。因此，频谱仪对输入信 号的功率均有明确的限制。 为了避免大功率信号使混频器过载，在混频器之前设置 一个可变衰
14、减器，即输入衰减器(Input Attenuator)，其衰 减值(Attenuation)可在频谱仪前面板手动调节。 同时，在中频滤波器之前设置一个可变增益放大器(IF GAIN)；该放大器与输入衰减器联动，自动补偿输入衰减 的变化。 60 输入衰减对参考电平的影响 参考电平(Reference Level，Ref Lvl)是指频谱仪纵轴最 高点所代表的电平值。 Ref Lvl 由于输入衰减与中频增益互相补偿，因此，改变输入 衰减不会改变参考电平。61 输入衰减对信号电平的影响 如果信号电平及输入衰减的变化使混频器进入过载状 态，则混频器输出信号功率受到抑制，测量的信号电 平偏低。 可以通过
15、改变输入衰减同时观察信号电平的变化来确 定混频器是否过载。 由于输入衰减与中频增益互相补偿，因此，当两者之 间的混频器未过载的条件下，改变输入衰减并不会改 变信号电平的测量结果。 62 输入衰减对噪声的影响 频谱仪测量和显示的噪声包含两部分： 外部噪声：随信号一起输入 内部噪声：频谱仪内部电子器件产生 外部噪声将通过输入衰减器和中频增益放大器，由于两者 联动，外部噪声电平不变。 内部噪声不经过输入衰减器，仅经过中频增益放大器，因 此增大输入衰减时，由于中频增益提高，内部噪声电平将 会提高。 测量结果取决于内、外噪声的相对比重。63 输入衰减对测量结果的综合影响 64 超外差式扫频调谐频谱仪结构图（示例）65 模拟频谱仪主要参数小结 IF滤波器是频谱仪的核心部件，RES BW是频谱仪性能的 主要指标，它
