频谱仪原理及使用方法

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1、频谱仪原理及使用方法 频谱仪是一种将信号电压幅度随频率变化的规律予以显示的仪器。频谱仪在电磁兼容分析方 面有着广泛的应用，它能够在扫描范围内精确地测量和显示各个频率上的信号特征，使我们 能够“看到”电信号，从而为分析电信号带来方便。1.频谱仪的原理频谱仪是一台在一定频率范围内扫描接收的接收机，它的原理图如图1 所示。频谱分析仪采用频率扫描超外差的工作方式。混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信 号混频，当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检 波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时 间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接

2、收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间 进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记 录下来，就得到了被测信号的频谱。进行干扰分析时，根据这个频谱，就能够知道被测设备 或空中电波是否有超过标准规定的干扰信号以及干扰信号的发射特征。2.频谱分析仪的使用方法要进行深入的干扰分析，必须熟练地操作频谱分析仪，关键是掌握各个参数的物理意义和设 置要求。(1) 频率扫描范围通过调整扫描频率范围，可以对所要研究的频率成分进行细致的观察。扫描频率范围越宽， 则扫描一遍所需要时间越长，频谱上各点的测量精度越低，因此，在可能的情况下，尽量使 用较小的频率范围。在设置这个参

3、数时，可以通过设置扫描开始频率目”无“。04 朋和终 止频率来确定，例如:startfrequeney=150MHz, stopfrequency=160MHz;也可以通过设置扫描 中心频率和频率范围来确定，例如:eenterfrequeney=155MHz, span=10MHz。这两种设置的 结果是一样的。 Span 越小，光标读出信号频率的精度就越高。一般扫描范围是根据被观测 的信号频谱宽度或信道间隔来选择。如分析一个正弦波，则扫描范围应大于2f(f为调制信号的频率)，若要观测有无二次谐波的调制边带，则应大于4f。(2) 中频分辨率带宽频谱分析仪的中频带宽决定了仪器的选择性和扫描时间。调

4、整分辨带宽可以达到两个目的， 一个是提高仪器的选择性，以便对频率相距很近的两个信号进行区别，若有两个频率成分同 时落在中放通频带内，则频谱仪不能区分两个频率成分，所以，中放通频带越窄，则频谱仪 的选择性越好。另一个目的是提高仪器的灵敏度。因为任何电路都有热噪声，这些噪声会将 微弱信号淹没，而使仪器无法观察微弱信号。噪声的幅度与仪器的通频带宽成正比，带宽越 宽，则噪声越大。因此减小仪器的分辨带宽可以减小仪器本身的噪声，从而增强对微弱信号 的检测能力。根据实际经验，在测量信号功率时，一般来说，分辨率带宽RBW宜为扫描宽度的1% 3%,即可保证测量精度。分辨带宽一般以 3dB 带宽来表示。当分辨带宽

5、变化时，屏幕上显示的信号幅度可能会发变 化。这是因为当带宽增加时,若测量信号的带宽大于通频带带宽,由于通过中频放大器的信 号总能量增加,显示幅度会有所增加。若测量信号的带宽小于通频带宽,如对于单根谱线的 信号,则不管分辨带宽怎样变化,显示信号的幅度都不会发生变化。信号带宽超过中频带宽 的信号称为宽带信号,信号带宽小于中频带宽的信号称为窄带信号。根据信号是宽带信号还 是窄带信号能够有效地确定干扰源。(3) 扫描时间仪器接收的信号从扫描频率范围的最低端扫描到最高端所使用的时间叫做扫描时间。扫描时 间与扫描频率范围是相匹配的。如果扫描时间过短,侧量到的信号幅度比实际的信号幅度要 小。对长发干扰应设置

6、较长的扫描时间,以便精确测量干扰幅度,对随机干扰则扫描时间可 以设得较短,以便迅速捕捉干扰。(4) 视频带宽视频带宽 VBW 是中频检波器后的低通滤波器(称为视频滤波器)的带宽。视频滤波器可以对 噪声起平滑作用,便于在噪声中测试微弱信号,所以我们只在测试微弱信号时,调整视频带 宽的大小,以便观察与噪声电平很接近的信号。调整视频带宽不影响频谱仪的分辨率。(1)同频干扰的分析凡由其他信号源发送出来与有用信号的频率相同并以同样的方法进人收信机中频通带的千 扰都称为同频干扰。由于同频干扰信号与有用信号同样被放大、检波,那么接收机将不能区 分有用信号和干扰信号,其结果是有用信号和干扰信号同时播放出来。同

7、频干扰包括同频失 真干扰和同频阻塞干扰。 同频失真干扰。当两个信号的调制度不同时，会引起失真干扰;当两个信号存在相位差时 也会引起失真干扰。 同频阻塞干扰。干扰信号越大，接受机的输出信噪比越小。当干扰信号足够大些，可造成 接收机的阻塞干扰。一些违章使用电台的、私自使用频率的、有意或无意使用与合法电台相同的频率的，会对合 法无线电台造成同频干扰，这是同频干扰产生的主要原因。频谱仪分析同频千扰一般有两种方法，一是设置音频解调功能，通过分析干扰话音信号，判 断干扰源。如:大功率无绳电话对航空频率的干扰，我们分析话音信号并辅以DTMF解码器 就可以初步判断大功率无绳电话所在的位置。二是分析干扰信号的频

8、谱特征，通过这些特征 判断是哪类设备产生的干扰。不同的发射设备有自己典型的频谱特征，例如，根据傅立叶变 换周期性信号是单根谱线、寻呼台信号是双峰波形、CDMA扩频通信是一段连续频谱等等。 为便于观察，当存在同频干扰时，要关掉有用信号发射机，在同一频点上的干扰信号的特征 将在频谱仪上完全显露无余，据此即可进行分析判断。(2)邻频干扰的分析凡是在收信机射频通带内或通带附近的信号，经变频后落人中频通带内所造成的干扰，称为 邻频干扰。这种干扰会使接受机信噪比下降，灵敏度降低，强干扰信号可使接受机出现阻塞 干扰。这种干扰，大部分是由于无线电设备的技术指标不符合国家标准造成的，主要是频率 稳定度太差或调制

9、度过大，造成发射频谱过宽，从而干扰相邻频道。根据频谱仪的测试原理，为了提高频谱仪的选择性，测量邻频干扰尤其要注意设置较小的分 辨率带宽，过宽的分辨率带宽会使得有用信号和邻频干扰信号同时进入中频带，而不能加以 区分。例如超短波频段频率间隔为25kHz,甚至是12.5kHz,所以，分辨率带宽应设在10kHz 以下。(3) 带外千扰的分析发信机的杂散发射、带外发射或接收机的杂散响应产生的干扰,称为带外干扰。杂散发射干 扰尤以谐波干扰为最。在超短波频段,移动通信设备尤其是基站的发信机电路设计上大都采用倍频器电路进行倍频 以产生更高的频率,由倍频器及倍频放大器的非线形作用,会产生大量的谐波,谐波频率为

10、主频的1倍、2倍、3倍。谐波的产生不可避免，对此，一般发射机中都设计了专门的 倍频滤波回路会将这些谐波予以有效的抑制。可如果滤波性能欠佳,某些超过国家标准值的 谐波就会随同主频一起放大并辐射出去，干扰在相应频率上工作的非通信对象的其他接受 机。测量谐波干扰主要是测量基波信号的二倍频、三倍频等是否超过国家标准。例如:按照有关 规定，在VHF/UHF频段谐波分量应小于基波65 一 70dB。频谱仪一般有较大的动态范围， 在其动态范围内可以同时测得基波和谐波，某些频谱仪还有谐波测量功能，可以直接读取谐 波的绝对值和相对值。应用频谱仪进行谐波干扰测量时特别要注意基波信号的强度。若被测 基波信号过强则必

11、须在频谱仪的射频输入端加衰减器，防止基波信号f的幅度超过频谱仪的 输入限值，但是，这也会降低二次谐波2f和三次谐波3f的幅度，甚至使得谐波淹没于噪声 之中，从而加大测试难度。为解决这一矛盾，我们可以应用如下网络进行测试:发射机一 衰减器d滤波器d频谱仪测试网络中的衰减器不宜过大，否则有可能使谐波信号难以测出。测试网络中的谐波测量滤 波器要求对基波有60dB以上的衰减，而对二次、三次谐波衰减小于ZdB,这样才能满足测 量要求。(4) 互调干扰的分析。所谓互调，是指两个或多个信号在收、发信机的非线性电路或传播媒质中相互作用将产生新的频率分量的过程。互调现象很容易产生干扰，这种干扰称为互调干扰。在非

12、线性电路中互调产物的频谱分量如下式表示:f0=pf1 十 qf2 十 rf3。式中，p、q、r为正或负的整数或零，fl、f2、f3为不同发射机的频率，Ipl+lql+lrl.的和称 为互调的阶次。从上式我们不难发现，互调产物是多个频率的组合，其中存在可能与有用信号频率相接近的 频率，从而引起干扰。在实践中我们发现，较严重的通常是三阶互调干扰。三阶互调干扰又 包括三信号三阶互调干扰。其表达式是:f0=f1+f2 一 f3和二信号三阶互调干扰，其表达式是:F0=2f 一 f2 或 f=f:+2f2 在调频系统中，当基波频率在非线性器件中出现倍频现象时，调制频偏也会相应倍增，并且 是可以听见的。同时

13、，接收机输出端的调制声也会增加。如果在频谱仪的音频输出端听到了 互调几=2f:几，则f:的调制声将会比fZ大，这种情况下，若f,的调制频偏是5kHz，则互 调产物中fl的调制频偏将会是10kHzo按照典型陆地移动系统其最大调制频率是3kHz，那么根据必要带宽的计算公式:Bn=ZM+ZDK式中:B=必要带宽(kHz)M二最大调制(kHz)D= 峰值频偏(kHz)K=l可得其互调产物的必要带宽:Bn=2X3+2xlo=26KHZ根据上述分析，互调产物的典型特征是有较宽的频带，并且可以听到较强的话音输出。应用 频谱仪分析干扰信号时，抓住这些特征可以帮助我们判断互调千扰。产生互调干扰的主要原因有:两部

14、或多部发信机置于一处、发射天线水平间距或垂直间距不 够、多信道共用系统基站、集中发射台的天线共用器的隔离度不良等，这些原因都有可能造 成信号通过天线或其他途径侵人另一部发信机。生锈的围栏、房顶等也可能造成互调。当无线发射功率很大时，生锈的白铁皮房顶或围栏生 锈部分将起到非线性二极管的作用，这种互调干扰会因天气状况而异，风会把金属生锈部分 压在一起或分开，雨则改变铁锈特性。此外，天线或连接器连接不好也可能产生互调。有时 即使同轴电缆或天线本身一点很小的腐蚀也会产生问题，尽管还不足以引起信号丢失或 VSWR 问题，但腐蚀会像一个品质很差的二极管一样造成细微互调。如果附近有几个大功 率发射器，那么产生的互调会强到足以干扰移动手机与基站之间的微弱通信信号。