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1、（工作分析）频谱分析仪的工作原理介绍20XX年XX月多年的企业咨询豉问经验.经过实战验证可以落地机行的卓越管理方案，值得您下载拥有频谱分析仪的工作原理介绍频谱分析仪的工作原理介绍科学发展到今天，我们能够用许多方法测量壹个信号，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，如果我们要恢复壹个非正弦波信号F,从理论上来说，它是由频率F1、电压V1和频率为F2、电压为V2信号的矢量迭加（见图1）。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
2、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，我们就能够见到于不同频率点上功率幅度的分布，就能够了解这俩个（或是多个）信号的频谱。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。这壹点是非常重要的。对于壹个有线电视信号，它包含许多图像和声音信号，其频谱分布非常复杂。于卫星监测上，能收到多个信道，每个信道均占有壹定的频谱成份，每个频率点上均占有壹定的带宽。这些信号均要从频谱分析的角度来得到所需要的参数。从技术实现来说，目前有俩种方法对信号频率进行分析。其壹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
3、，有较高的采样速率，较高的分辨率。即使是俩个信号间隔非常近，用傅立叶变换也可将它们分辨出来。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于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。这种分析方法壹般用于低频信号的分析，如声音，振动等。另壹方法原理则不同。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。于工作中通常所用的HP-859X系列频谱仪均是此类的分析仪。其优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
4、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。其频率范围要比前壹种分析方法大很多。只是于达到较高分辨率时，其分析测量的时间会有所增加。于实际工作中，无线信号卫星信号的监督，由于其频率很高，均是采用扫描调谐的方式。它所能给我们的信息没有相位参数，只有幅度、频率。它是壹种标量的分析方法。另外，这种方法有很高的灵敏度，它受到前端扫描调谐器件的控制，仍有很高的动态范围。下面我们着重介绍壹下扫描调谐分析仪的基本原理，从图2中，我们不难见出，它是用超外差接收机的方式来实现频谱分析的。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，
5、然后于中频上进行处理，得到幅度。于下变频的过程中，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。所以调谐是于本振中进行的。全部要分析的信号均下变频到中频进行分析且得到谱频。这和日常所用的电视机、收音机的原理是壹样的。可是有线电视输出信号范围很广，比如有50个频道播放。这50个信号是同时进入接收机的，其总功率是迭加的。而所见的电视节目只能是其中之壹。同理，送入频谱仪的输入端口信号是所采集信号的总和，其中包括所要分析的特定信号，所输入到频谱仪的功率是总功率。由此要引入壹个参数-最大烧毁功率。这壹值是1瓦或是+30dBm。也就是说输入到频谱仪的信号功率总和不能
6、超过1瓦，否则将会烧毁仪器的衰减器和混频器。例如，我们要监测壹个卫星信号，假设其频率为12GHz，其功率可能只有-80dBm左右，这是很小的。但要知道输入信号是由很多信号迭加组成的，若是于其它某壹频率上包括壹个很强的信号，即使你没有见到这个大功率信号，若输入信号功率的总和大于1瓦，也是要烧毁频谱仪的，而其中的大功率信号且不是你所要分析的信号。这是我们于日常工作中需多加小心的，因为更换混频器的费用是很高的。当然，频谱仪于输入信号时且没有直接将其接入混频器，而是首先接入壹个衰减器。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、10
7、dB，最大为60dB。仍有的频谱仪是不能输入直流的，否则也会损坏器件。另外，仍应注意不能有静电，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。于中频，所有信号的功率幅度值和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，要有壹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且不是只有壹个单壹中频出来，它的中频信号非常丰富，所有这些信号均会从混频器中输出。于众多的谐波分量中，只对壹个中频感兴趣。这就是前面所说的21.4MHz。这是于仪器器件中已做好的，用壹个
8、带通滤波器把中心频率设于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。滤波器于工作中有几个因素：中心频率是21.4MHz，固定不变，其30dB带宽能够改变。比如对广播信号来说，其带宽壹般是几十kHz，若信号带宽是25kHz，中频的带宽壹定要大于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，信号才进来壹部分，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
9、号的功率。检测的方法就是用壹个检波器，将它变为电压输出，体当下纵轴的幅度。当然仍要经过D/A转换和壹些数据处理，加壹些修正和壹些对数、线性变换。这足以给我们带来信号分析上的许多方便。频谱分析是要分析频域的。壹个信号要分析俩个参数，壹是幅度，二是频率。幅度已经得出，而频率和幅度要对应起来，于某壹频率是什么幅度。下面介绍壹下频率是如何测量的，如何和幅度对应起来。其实很简单。它是通过本振和扫描电压对应起来的。本振是壹个压流振荡器。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于OV时，于显示器上是0点，对本振信号来说是F1点，即起始频率点。当扫描电
10、压到10V时，于显示器上是终止频率点，本振电压就是于终止频率点，中间是线性的。通过这样的方法，使得显示器坐标的每壹点和本振F1、F2的每壹点对应起来（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，实际是于改变本振信号的频率）。下面简单介绍壹下用频谱分析仪来评价发射机的方法。先了解壹下发射机最基本的框图，见图3。首先是壹个调制部分将基带信号调制到中频信号，然后将中频信号上变频到射频信号上，仍有壹个和之相对的本振信号，对射频信号进行预放，再进行功率放大之后送到天线上发射。如何用频谱仪对这样壹个发射机进行测量。首先对它的发射信号从测量端口进行测量（若是把发射信号直接送入频
11、谱仪，必然会把仪器烧坏）。于这里我们要测其功放的失真，发射信号的频率、功率。对发射机内部预放失真、增益、噪声系数，混频器的输出功率，输入功率进行测量，得到混频器的差落损耗。对混频器的输出功率进行准确测量，了解其工作点。对混频器的本振信号进行测量，得出本振信号的输出频率，了解其频率精度。这个频率精度也就决定了发射机的精度。通过之上这些测量，能够得到对于发射机内部信号、器件和输出信号的多项参数，以描述这个发射机的性能。作为通讯的监测，壹般不去检测其内部的器件，只检测其频率、功率。只要这俩项指标正常，就能够判定这部发射机是正常工作。了解频谱仪的功能，必须要考察频谱仪的内部噪声、失真等等。壹个放大器，
12、要测它的失真、三阶交调失真和谐波失真。三阶交调失真是当对壹个放大器输入二个频率相近（如差10kHz）的信号，幅度壹样，由于放大器是非线性器件，于对这俩个信号进行功率放大时，也会产生壹些其它信号，如2F1-F2和2F2-F1，这俩种信号就是三阶交调失真（见图4上）。它的特性非常靠近中间的信号，上面和下面均相差10kHz均匀排开。假设这个信号的带宽是20kHz，这俩个交调失真的信号肯定会进到信号的带宽内，对信号产生干扰。为了不干扰正常的通讯，我们必须测量这失真信号的大小。描述的方法是这失真信号的幅度和正常的信号幅度之差，称之为失真量。另外壹种放大器的失真是谐波失真。当对放大器输入壹个点频信号F1，
13、这个放大器会造成F2、F3，俩倍或三倍的多次谐波。若是正好于2F1等处有其它信号，就会造成干扰（见图4下）。壹个放大器存于之上俩种失真。我们用频谱仪去测量这些失真的大小。定义三阶交调失真为载波信号和失真信号的功率差。定义谐波失真为载波信号和某次谐波的功率差。输入被测放大器俩个信号F1、F1+10kHz，然后送入频谱仪进行测量。用俩个信号源通过混合器再经过衰减器进入壹个带通滤波器，以确保进入放大器的信号只是F1和F1+10kHz，没有其它成份。这个放大器产生交调失真的值是大于50dB，也就是失真信号和要放大的信号之间的差值幅度为50dB。它的二次谐波相差40dB，三次谐波相差50dB（测量谐波失
14、真要关闭壹个信号发生器的输出），见图5。由于频谱仪内部含有混频器，其特点是和有源器件放大器壹样的。当输入信号为俩个信号或是点频信号时，这个混频器也会产生之上所述的失真，且于频谱仪上反应出来，给测量带来误差。如何把频谱仪误差降低变为可测？对于壹种测量，能够使它成为可测，也能够使它成为不可测。这完全取决于频谱仪的设置。包括对衰减器、频率范围、分辨率带宽的设置。频谱仪的设置主要有频率范围、分辨率和动态范围，而动态范围又会涉及到最大的输入功率即烧毁功率，增益压缩使小于1W的输入信号如果超过线性工作区也会有误差。仍有灵敏度。要从之上几个主要方面来考虑频谱仪对输入的信号是否可测。当下来见第壹项参数频率范围
15、。这个参数要从俩个方面见，壹是频率范围的设置是否足够的窄，具有足够的频率分辨能力，也就是窄的扫频宽度（见图6）。二是频率范围是否有足够的宽度，是否能够测到二次、三次谐波。当我们用壹个频谱仪测量壹个放大器的谐波失真的时候，若这个放大器工作点是1GHz，那么它的三次谐波就是3GHz。这就是要考虑频率范围的最大可测宽度。如果频谱仪是1.8GHz的，那么就不能测量；如果是26.5GHz的频谱仪，当然能够测到它的三次，四次谐波。第二类指标是分辨率。这是频谱分析仪中非常重要的参数设置。分辨率表示当要测量的是F1、而于F1的附近有另壹个F2（见图7）。但它们的功率不壹样，这时见能不能将它们区分开。将这个中频带宽设置成三种不同的宽度，下面所对应的就是于这壹带宽设置时所见到的曲线（显示线）。很显然中频带宽越窄分辨率越高，中频带宽越宽分辨率越低。分辨率带宽直接影响到小信号的识别能力和测量的结果。分辨率实际上就是分辨俩个信号的能力，中频滤波器的3dB带宽就是分辨率带宽（见图8）。对信号的分辨除了分辨率带宽会影响之外，仍有壹个参数，滤波器的形状因数（见图9），即滤波器60dB对3dB带宽之比值。形状因数越小越接近3dB带宽。越陡峭就越接近于矩形，这时分辨能力就越强。所以说
