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1、1 1 Rohde & Schwarz 中国培训中心 射频微波基础与测量 讲师：付国映 频谱分析仪原理频谱分析仪原理 罗德与施瓦茨中国培训中心罗德与施瓦茨中国培训中心 2009 www.rohde- 2 2 Rohde & Schwarz 中国培训中心 射频微波基础与测量 讲师：付国映 频域测量对信号分析的作用频域测量对信号分析的作用 时域得到的是信号的波形信息，不适合测量混合信号和复杂信号，如AM信 号、QPSK信号。频域得到的是信号的频域分布信息。 左上图的信号幅度和相位无规则变化，在时域中测量很难获得有用的信息。可 以把这个复杂的信号看作是两个不同频率和幅度的两个信号（右上图）的合 成
2、，然后在频域中表示出来（下图），这样就可以很清楚地了解该混合信号的 构成。 3 3 Rohde & Schwarz 中国培训中心 射频微波基础与测量 讲师：付国映 超外差式频谱分析仪结构超外差式频谱分析仪结构 H f 本振信号本振信号Lo 包络检波器包络检波器 延迟延迟 RF IF 参考振荡器参考振荡器 低通低通 滤波器滤波器 衰减器衰减器 混频器混频器 中频中频 放大器放大器 视频滤波器视频滤波器 VBW 中频滤波器中频滤波器 RBW 对数对数 放大器放大器 压控压控 振荡器振荡器 锯齿波锯齿波 发生器发生器 显示显示 检波器检波器 RF输入输入 上图是测量范围为9kHz3.6GHz频谱分析
3、仪的内部模型。 1、超外差式频谱分析仪通过内部混频器和本地振荡器Lo信号将输入信号转换 到固定的中频，然后在此基础上进行信号处理。通过扫描本地振荡器的中心频 率达到在频率上扫描输入信号。 2、输入信号被转换成中频信号后信号需要经过放大和滤波，频谱仪的RBW就 是中频滤波器，它是一个带通滤波器。 3、为了允许一个宽电平范围信号同时在屏幕上显示，中频信号用对数放大器来 压缩。 4、中频信号经过包络检波后变成基带信号，频谱仪的视频滤波器VBW是基带 信号滤波器，它是一个低通滤波器。 5、由于从起始频率到终止频率扫描点的数量远远大于仪器能够显示的象素点， 测量点到显示点之间有个对应关系，称作检波。 6
4、、现代的频谱仪都采用液晶显示来代替传统的阴极射线管，体积更小。 7、压控振荡器的振荡频率（本振频率）和实际的射频频率之间有一个对应关 系，信号处理也有一定延迟，因此显示和压控振荡器之间需要同步。 4 4 Rohde & Schwarz 中国培训中心 射频微波基础与测量 讲师：付国映 滤波器滤波器：抑制镜像频率的影响抑制镜像频率的影响 频率3.6GHz 所谓接收机低中频方案，指第一次变频时将输入信号频率变低，高中频方案则 是第一次变频时将输入信号频率变高，然后再将它变低。 9kHz3.6GHz频谱测量方法频谱测量方法： 如果频谱仪采用低中频方案，当输入频率范围大于2fIF，那么被测信号范围和 镜
5、像信号范围将会重叠，采用低通滤波器不能将镜像频率信号滤除，所以对输 入滤波器的要求为，在不影响主信号的情况下，应用一个可调谐带通滤波器以 抑制镜像频率。为了覆盖（9kHz3.6GHz）的频率范围，由于较宽的调谐范围 （几十个倍频程）使滤波器变得极为复杂而不容易实现，因此必须采用高中频 方案。第一中频频率比输入信号频率高，那么本振信号也比输入信号频率高， 镜像频率和输入信号的频率间隔为2fIF，也就是镜像频率远远高于本振信号频率 和输入信号的频率，因此设计一个固定的滤波器，其截止频率位于最高输入频 率和中频频率之间就很容易解决镜像频率对有用信号的影响。此外，低通滤波 器还可以抑制本振信号从频谱仪
6、输入端口泄漏出去而影响被测件。 高于高于3.6GHz频谱测量方法频谱测量方法： 现代频谱仪在射频前端采用一个滤波器，将低于3.6GHz和高于3.6GHz的信号分 开。高于3.6GHz信号采用低中频方案，输入前端使用可调的YIG带通滤波器来 滤除镜像频率的干扰，因为调谐范围比较小（13GHz/3.6GHz=3.6），YIG带通 滤波器很容易实现，但它的频率响应不好，调节有延迟。YIG滤波器通过调节 的电流来改变电感，进而改变中心谐振频率。如果频谱仪分析频率在1GHz 5GHz的信号时，它是分段扫描的，1GHz3.6GHz和3.6GHz5GHz的扫描采用 了不同的射频前端。 5 5 Rohde &
7、 Schwarz 中国培训中心 射频微波基础与测量 讲师：付国映 衰减器衰减器 H f 本振信号本振信号Lo 包络检波器包络检波器 延迟延迟 RF IF 参考振荡器参考振荡器 低通低通 滤波器滤波器 衰减器衰减器 混频器混频器 中频中频 放大器放大器 视频滤波器视频滤波器 VBW 中频滤波器中频滤波器 RBW 对数对数 放大器放大器 压控压控 振荡器振荡器 锯齿波锯齿波 发生器发生器 显示显示 检波器检波器 RF输入输入 衰减器有机械的，也有电子的，其步进一般为10dB和5dB，有些频谱仪提供 2dB步进调节。衰减器的作用如下： 1、当测量高电平信号时，对信号进行衰减，保护频谱仪不受损坏。 2
8、、改善仪器端口的匹配特性。 3、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。 4、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。 同时，衰减器设置过大，仪器的本底噪声被抬高。 6 6 Rohde & Schwarz 中国培训中心 射频微波基础与测量 讲师：付国映 混频器混频器 中频频率调谐在fL-fin fL finfL fL- finfL+ fin fin InputInput RF Lo IF 频谱仪
9、的上限频率取决于本振的调谐范围。 1、基波混频：输入信号通过本振的基波混频。但为了覆盖更高的频率范围，有必要进行倍 频，如在混频器前加乘法器。 2、谐波混频： 由于混频器的非线性会使本振信号产生谐波，可用谐波来进行混频。 基波混频可获得最小的插入损耗，由此可以得到低的噪声系数。但这种方法要求对本振信号做 复杂的处理。除了乘法器外，要求滤波器在作乘法运算后对谐波有很好的抑制作用。需要足够 高的本振电平的放大器必须是宽带放大器，因为它对应了高频输入部分的输入频率范围。 谐波混频虽然很容易实现，但会造成相对高的转换损耗，因此，要求加到混频器的本振电平要 高于其在低频段的值，由于足够高的本振电平与混频
10、器的非线性，高次谐波可以用于混频。转 换损耗随谐波阶次的升高而升高，有如下关系。am=20logm am是相对于基波混频时的转换损耗增量； m：用于转换的谐波阶次。 以上这两个方案在实际中根据频谱仪的价格档次而定，两种方法同时使用也是可能的，比如， 使用倍频得到本振信号，谐波实现的转换可以在一个可以接收的价格上进行复杂性与灵敏度的 折中。 3、外混频器： 对于毫米波范围内的测试（40GHz以上），可利用外混频器来提高频谱仪的频带范围。这些混 频器一般采用谐波混频，所以本振信号频率范围比输入信号频率范围小。 输入信号通过本振的谐波变频到低中频，并在频谱仪低端频率输入部分的中频信号链路适当的 位置
11、上插入。 在毫米波段经常使用波导，外混频器一般采用波导形式，这些混频器一般不采用预选器，因此 对镜像频率没有抑制，无用的混频产物可以通过合适的算法分辨出来。 7 7 Rohde & Schwarz 中国培训中心 射频微波基础与测量 讲师：付国映 频谱仪的扫描过程频谱仪的扫描过程 输入信号输入信号 SPAN 输入信号频率、本振信号频率和中频信号频率有一个固定关系，比如本振频率 输入信号频率中频频率，中频频率是固定的，本振信号频率变化就等于输 入信号频率变化，扫描式频谱分析仪是通过扫描本振（即调谐本振频率）来实 现输入信号在一段频率范围内的扫描的。 上图说明当一个待测试的单载波信号输入到频谱仪，实
12、际上测量到的是中频滤 波器幅频特性的形状，即实际测量的结果是中频滤波器幅频特性和输入信号的 卷积。 8 8 Rohde & Schwarz 中国培训中心 射频微波基础与测量 讲师：付国映 扫描时间扫描时间 TSweep 最小扫描时间 Span频率扫描跨度 RBW分辨率带宽 (3 dB 带宽) K1数字滤波器, 2.5 模拟滤波器 2 RBW Span kTSweep 采用窄带滤波器可实现高分辨率，但需要更长的扫描时间。 比例系数K取决于滤波器的类型和允许的瞬态响应误差。对于由4- - 5个单独电路 组成的模拟滤波器，比例系数K=2.5（最大的瞬态响应误差大概为0.15dB）。 数字高斯滤波器的
13、瞬态响应可知并能够精确再现，和模拟滤波器相比，可以通 过与信号类型无关的合适修正系数来获得更高的扫描速度。 9 9 Rohde & Schwarz 中国培训中心 射频微波基础与测量 讲师：付国映 扫描时间扫描时间 vs RBW SPAN 输入信号输入信号 SPAN RBW小 RBW大 窄的中频滤波器可实现高的分辨率，所以中频滤波器带宽又称为分辨率带宽 (RBW)。 本振信号频率变化的一般以远小于RBW的频率步进扫描，比如RBW/10，RBW 变大，SPAN不变，那么本振调整的步进变大，测量的次数就变少了，整个扫 描时间会变短。反之，RBW越小，扫描时间就越长。 10 10 Rohde & Sc
14、hwarz 中国培训中心 射频微波基础与测量 讲师：付国映 中频放大器中频放大器、对数放大器对数放大器 H f 本振信号本振信号Lo 包络检波器包络检波器 延迟延迟 RF IF 参考振荡器参考振荡器 低通低通 滤波器滤波器 衰减器衰减器 混频器混频器 中频中频 放大器放大器 视频滤波器视频滤波器 VBW 中频滤波器中频滤波器 RBW 对数对数 放大器放大器 压控压控 振荡器振荡器 锯齿波锯齿波 发生器发生器 显示显示 检波器检波器 RF输入输入 中频放大器： 输入信号经过了前置衰减器，电平降低，为了恢复信号幅度，补偿输入衰减 器的变化，在混频器后对中频信号进行放大，在放大有用信号的同时，噪声
15、和干扰信号也被同时放大。 对数放大器： 检波器之前有一个对数放大器，对数放大器按照对数函数来压缩信号电平 （对于输入电压幅度v,输出电压幅度为logv），这大大减小了由检波器所检测 的信号电平变化，而同时向用户提供校准成用分贝读数的对数垂直刻度，在 频谱分析仪中，由于信号电平大幅度变化，故需要采用对数刻度。对数放大 器的设计基于多级解调原理，将许多个具有固定增益（每一级的增益通常为 10dB）的单元放大器级联起来。随后，将每一级放大器的输出逐个相加以提 供线性输出电压，有些器件提供一个表示输入信号的相对相位的限幅输出。 11 11 Rohde & Schwarz 中国培训中心 射频微波基础与测
16、量 讲师：付国映 中频中频滤滤波器波器RBW 显示显示 锯齿波发生器锯齿波发生器 包络检波器包络检波器 本地振荡器本地振荡器 模拟滤波器模拟滤波器 对数放大器对数放大器 放大器放大器 视频滤波器视频滤波器 x y 输入输入 混频器混频器 中频放大器中频放大器 检波器检波器 数字滤波器数字滤波器 FFT 滤波器滤波器 中频滤波器可以减小噪声带宽，其带宽越窄，噪声带宽就越窄，进入频谱分析 仪的噪声就越小，那么接收灵敏度就越高，即本底噪声越低。 当今的频谱仪的中频滤波器有以下三种形式： 1、模拟滤波器 2、数字滤波器 3、FFT 模拟滤波器通常用来实现大的分辨率带宽。本例中频谱分析仪带宽从100kHz 10MHz是采用模拟滤波器来实现的，其选择性依赖于滤波电路阶数，一般频谱 仪为4级滤波电路，也有5级滤波电路也产品，这样可分别得到14和10的形状系 数。 理想的高斯滤波器的形状系数为4.6 ，不能用模拟滤波器实现，但是在20dB带 宽内实现近似是可能的，这样瞬态响应几乎与高
