2021年06月24日 | 什么是频谱分析仪，频谱分析仪的工作原理

　　什么是频谱分析仪？
　　频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。

　　频谱分析仪的工作原理以及应用方面推广：

　　频谱分析仪的组成及工作原理
　　图1所示为扫频调谐超外差频谱分析仪组成框图。输入信号经衰减器以限制信号幅度，经低通输入滤波器滤除不需的频率，然后经混频器与本振（LO）信号混频将输入信号转换到中频（IF）。LO的频率由扫频发生器控制。随着LO频率的改变，混频器的输出信号（它包括两个原始信号，它们的和、差及谐波，）由分辨力带宽滤波器滤出本振比输入信号高的中频，并以对数标度放大或压缩。然后用检波器对通过IF滤波器的信号进行整流，从而得到驱动显示垂直部分的直流电压。随着扫频发生器扫过某一频率范围，屏幕上就会画出一条迹线。该迹线示出了输入信号在所显示频率范围内的频率成分。

　　频谱仪各部分作用及显示信号分析
　　输入衰减器：保证频谱仪在宽频范围内保持良好匹配特性，以减小失配误差;保护混频器及其它中频处理电路，防止部件损坏和产生过大的非线性失真。

　　混频器：完成信号的频谱搬移，将不同频率输入信号变换到相应中频。在低频段（《3GHz）利用高混频和低通滤波器抑制镜像干扰;在高频段（》3GHz）利用带通跟踪滤波器抑制镜像干扰。

　　本振（LO）：它是一个压控振荡器，其频率是受扫频发生器控制的。其频率稳定度锁相于参考源。

　　扫频发生器：除了控制本振频率外，它也能控制水平偏转显示，锯齿波扫描使频谱仪屏幕上从左到右显示信号，然后重复这个扫描不断更新迹线。扫频宽度（Span）是从左fstart到右fstop10格的频率差，例如：Span=1MHz，则100kHz/div.

　　中频放大器：其增益和衰减器设置值连动工作，即当输入衰减10dB时，则中频增益同时增加10dB，使输入信号电平保持不变。屏幕顶格线参考电平间接设置中频增益值。当参考电平↑（或↓）10dB，则增益↓（或↑）使信号↓移（或↑移）10dB，即改变信号显示位置，但信号幅度保持不变。当输入衰减增加10dB时，信噪比减小10dB.这是因为输入衰减在混频器之前，只对信号电平进行衰减，而噪声是混频以后产生的，为保证输入信号电平不变，混频后的信号要相应地放大10dB，这样噪声也就跟着相应地放大，即噪声电平增加10dB.

　　中频滤波器：也称分辨力带宽滤波器，用来分辨不同频率的信号。它只允许本振信号减去输入信号的差频等于中频时，才能通过中频滤波器，最后在屏幕上显示。其它干扰信号将被抑制掉。

　　中频滤波器的3dB带宽也称作分辨力带宽（RBW）。之所以在频谱仪上信号不可能显示为无线细的线，而是有一定的宽度，是因为当调谐通过信号时，其形状是频谱仪自身分辨带宽（IF滤波器）形状的显示。当改变RBW时，就改变了显示响应的宽度。

　　RBW越小，其频率分辨率越高。RBW减小10倍，则减小10倍的噪声能量到达检波器，并且显示的平均噪声电平将减小10dB，反之相反。噪声电平变化ΔdB=10log（RBWnew/RBWold）=10log（1kHz/10kHz）=-10dB.

　　检波器：它将输入信号功率转换为输出视频电压，该电压值对应输入信号功率。当频谱分析仪扫频宽度Span=0时，包络检波器将对输入信号进行解调，作为工作在中心频率（CF），带宽为RBW的接收机（时域方式），显示信号包络波形。

　　视频滤波器：是平滑噪声显示的。
　　它是对检波器输出视频信号进行低通滤波平均处理来平滑显示的。减小视频带宽（VBW），可对频谱显示中的噪声抖动进行平滑，从而减小显示抖动的范围。这样有利频谱仪发现淹没在噪声中的小功率连续波（CW）信号，还可提高测量的重复性。

　　显示：等效于调幅收音机中的扬声器。我们看到的每个频率的幅度正是我们调谐调幅收音机时所听到的每个频率的幅度，信号在频域上作为一个旋转矢量显示，矢量的长度=正弦波的峰值幅度，矢量在其频率轴上的位置=信号频率。

　　调幅信号测量分析
　　调幅波的特点是载波振幅的包络随调制信号而变化，其载波频率fC不变。调幅信号用下式表示为U（t）=AC［1+macos（2πFMt）］
　　cos（2πfct）（4-1）。式中Ac=决定总信号幅度的常数;m a =调幅深度（ 0≤m a≤1 ）;cos（2πfmt）=归一化调制信号，fm=调制频率;AC［1+macos（2πfmt）］决定载波包络的幅度。fc=载波频率。在时域上，具有正弦幅度调制的载波的波形如图3所示。信号包络变化就是调制信号，这样对包络波形的分析可反映调幅调制参数。波形包络的最小值和最大值称为Umin和Umax.

　　调幅系数m a可以从这两个参数算出。当调制正弦波处于它的最大正、负值即±1时，将出现最大包络电压Umax=1+ma;和最小包络电压Umin=1-ma.求得调幅系数ma=（Umax-Umin）/（Umax+Umin）（4-2）式，或ma=（1-Umin/Umax）/（1+Umin/Umax）（4-3）式。将（4-1）式展开得U（t）=ACCos（2πfct）+maAc/2［cos2π（fc+fm）t+cos2π（fc-fm）t］（4-4）式。由此可知，在频域上，调幅信号U（t）由幅度为Ac的载波和两个边带组成;一个处在fc+fm，另一个处在fc-fm，两者的幅度均为maAc/2，频谱如图2所示。调制频率fm是载波与其中一个边带的频率差（边带相对载波呈对称）。幅度差对应于调幅系数ma.即相对于载波的边带幅度用dB表示为dBc=20log（ma/2），则ma=2&TImes;10dBc/20.

　　调幅信号测量实例
　　频谱分析仪可用来在频域和时域中表征调幅信号。可以测量的参数有载波幅度和频率、调制频率以及调幅系数。

　　设置信号源输出载波频率fc=400MHz，载波幅度0dBm;调制频率fm=100kHz（周期T=10us），调幅系数ma=50%.将信号源输出接至频谱仪输入测量调幅信号。频谱仪设置如下：
　　（1）按【复位】;（2）【频率】、［中心频率］、400［MHz］;（3）【幅度】、［参考电平］、0［dBm］;（4）【扫频宽度】、［频宽］、1 ［ M H z ］;调幅信号频域特性为（ 5 ）【峰值搜索】、标识载波信号;（ 6 ）【频标】、［Δ频标］、将标识移至调制边带频率位置处，即可测得频率差Δf = f m= 1 0 0 k H z，边带相对于载波的幅度差dBc=-12.04dB，可以求出调幅系数ma=2&TImes;10dBc/20=2&TImes;10-12.04/20=50%.调幅信号时域特性为（7）按【扫频宽度】、［频宽：零频宽］;（8）【带宽】、［RBW：手动］、3［MHz］;［VBW：手动］、3［MHz］;（ 9 ）【幅度】、［线性］、［参考电平］、［↑］［↓］;调整参考电平使信号位于显示中心位置。（10）【扫描】、［扫描时间：
　　手动］、1 0 0 ［ u s ］;（ 1 1 ）【触发】、［视频］、［↑］［↓］调整触发电平，使信号稳定显示。（12）【频标】、［常规频标］，测量包络峰值、［Δ频标］开启相对测量，测量包络峰-峰值。将标识移至相邻峰-峰值，则可测得调制信号周期T=10us，则f m= 1 / T = 1 0 0 k H z.将标识移至相邻峰值-最小值，即可测得线性幅度比Umin/Umax=0.333，代入（4-3）式可以求出调幅系数ma=（1-0.333）/（1+0.333）=1/2=50%.
　　还可从图3 时域调幅波中可知波形包络Umax=600mV，Umim=200mV，将其代入（4-2）式，得ma=（600-200）/（600+200）=1/2=50%.

　　频谱仪可利用频域和时域两种方式测量调幅信号。通过讲述频谱分析仪的工作原理和测量信号分析，可正确理解、使用、操作和应用频谱仪。由于篇幅所限，仅对调幅信号进行了测量分析，频谱仪还可以对谐波失真、三阶交调、激励响应、相位噪声等多种类型的信号进行频率、功率、带宽、调制等参数测量分析。

　　频谱分析仪怎样使用：
　　（1）AT5010频谱分析仪测量幅度为：-100dBm--+13dBm，即：信号强度达到最高的一条水平刻度线时，此信号的幅度为-27dBm，每下一大格减10dBm。如果频谱分析仪上的40dB衰减器全按下时，此时最高水平刻度线幅度为+13dBm（-27dBm+40dBm）。
　　（2）手机有些信号测试点可以直接用高频电缆连接频谱仪进行测量。但有部分测试点因为存在阻抗匹配的问题，不能直接测量，可选用安泰AZ530-H高阻抗探头，探头输入电容为2pF，阻抗极高，可以直接定量测量手机上任何射频信号不会对被测电路有任何影响。AZ530-H高阻抗探头本身有20dB（典型值）的衰减，因此用其作定量测量时，要在其直接读数上加20dB。

　　2．操作用频谱分析仪测量手机的射频信号比较方便，例如，测量爱立信T18第二中频信号（6MHz）时，可按以下方法进行。

　　（1）打开频谱分析仪，调节亮度和聚焦旋钮，使屏幕上显示的光迹清晰。
　　（2）调节扫频宽度选择按键（SCANWIDTH）按键，使1MHz指示灯亮，表示每格所占频率为1MHz。

　　（3）调节中心频率粗／细调调节旋钮，使频标位于屏幕中心位置，所指频率为6MHz。
　　（4）将频谱仪探头外壳与T18电路主板接地点相连，探针插到第二中频滤波器的输出端，在电流表指针摆动时观察频谱仪屏幕上是否有脉冲式图像，正常情况下，当电流表指针摆动时，有脉冲图像出现在6MHz频标位置。

　　再如，用频谱分析仪测量诺基3310功放输出信号的频谱，可按以下步骤进行测量。

　　（1）打开频谱分析仪，调节亮度和聚焦旋钮，使屏幕上显示清晰的图像。
　　（2）调节中心频率粗／细调调节旋钮，使频标位于屏幕中心位置，显示屏显示频率值为900MHz。

　　（3）调节扫频宽度选择按键（SCANWIDTH）按键，使10MHz指示灯亮，表示每格所占频率为10MHz。
　　（4）将频谱仪外壳与3310主板接地点相连，控针插到功放块的输出端，并拨打“112”，观察电流表摆动的同时观看频谱仪屏幕上有无脉冲图像，正常情况下，在900MHz频标附近会出现脉冲图像，但幅度会超出屏幕范围，可以按衰减按键，使图像最高点在屏幕范围内。
　　（5）标记按钮（ONOFF）：当标记按钮置于OFF（断）位置时，中心频率（CF）指示器发亮，此时显示器读出的是中心频率，当此开关在ON（通）位置时，标记（MK）指示器发亮，此时显示器读出的是标记的频率，该标记在屏幕上是一个尖峰。
　　（6）标记旋钮（MARKER）：用于调节标记频率。

　　（7）LED指标灯：闪亮时表示幅度值不正确。这是由于扫频宽度和中频滤波器设置不当而造成幅度降低所致。这种情况可能出现在扫频范围过大时（相对于中频带宽（20kHz），或视频滤波器带宽（4kHz）），若要正确测量，可以不用视频滤波器或者减小扫频宽度