频谱分析仪基础知识.ppt

频谱分析分析仪的基的基础知知识 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-2 2 2 2主要内容主要内容主要内容主要内容 阐阐述述频谱频谱分析分析仪测仪测量的主要量的主要应应用；用；介介绍频谱绍频谱分析分析仪仪内部内部结结构及工作原理；构及工作原理；说说明明频频率分辨率、灵敏度和率分辨率、灵敏度和动态动态范范围围等重要指等重要指标标在分析在分析仪测仪测量中的重要作用。量中的重要作用。85638563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz-26.5 GHz 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-3 3 3 3要达到的学要达到的学习目目标 了解了解频谱频谱分析分析仪结仪结构原理，了解构原理，了解频谱频谱分析分析仪仪性能指性能指标标；熟熟练应练应用用频谱频谱分析分析仪仪。2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-4 4 4 41 频谱分析分析仪应用用 从事通信工程的技从事通信工程的技术术人人员员，在很多，在很多时时候需要候需要对对信号信号进进行分析，行分析，针对针对不同不同观观察域，分察域，分别别用示波器、用示波器、频谱频谱分析分析仪仪和矢量分析和矢量分析仪仪观观察信号；察信号；示波器只能示波器只能观观察信号的幅度、周期和察信号的幅度、周期和频频率；但率；但频谱频谱分析分析仪还仪还可以分析信号的可以分析信号的频频率分布信息、率分布信息、频频率、功率、率、功率、谐谐波、波、杂杂波、波、噪声、干噪声、干扰扰和失真，而矢量分析和失真，而矢量分析仪仪可以在可以在频谱频谱分析分析仪仪基基础础上上分析数字分析数字调调制信号制信号调调制制质质量。量。2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-5 5 5 5频域和域和时域域 早期的信号早期的信号观观察，主要依察，主要依赖赖示波器在示波器在时时域内域内观观察信号；傅立察信号；傅立叶叶变换变换告告诉诉我我们们：任何：任何时时域内域内电电信号都是由一个或多个不同信号都是由一个或多个不同频频率、不同幅度和不同相位的正弦波率、不同幅度和不同相位的正弦波组组成的，但成的，但应应用示波器用示波器无法无法观观察到察到频频域内信息，只能在域内信息，只能在时时域内域内观观察；察；应应用用频频域域测测量，量，就能以就能以频谱频谱的形式的形式显显示出每个正弦波的幅度随示出每个正弦波的幅度随频频率率变变化的情化的情况；况；下下图图是信号在是信号在时时域和域和频频域内域内观观察的察的结结果，由此可以清楚看出果，由此可以清楚看出信号在信号在频频域域观观察的必要性：察的必要性：时时域得到的是信号的波形信息，域得到的是信号的波形信息，不能不能测测量混合信号，如果存在干量混合信号，如果存在干扰扰或失真信号，在或失真信号，在时时域上无域上无法区分有用信号和无用信号；法区分有用信号和无用信号；在在频频域上可以准确地域上可以准确地测测量有用信号和无用信号的各种参数。量有用信号和无用信号的各种参数。2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-6 6 6 6幅度(功率)频率时域测量（示波器）频域测量（频谱仪）时间 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-7 7 7 72 2 频谱频谱分析分析分析分析仪结仪结构及原理构及原理构及原理构及原理 频谱频谱分析分析仪仪的的类类型：傅立叶型：傅立叶频谱频谱分析分析仪仪和超外差式和超外差式频谱频谱分分析析仪仪 FFTFFT频谱频谱分析分析仪仪：被分析的信号通：被分析的信号通过过模数模数转换转换器采器采样样，变变成离散信号，采成离散信号，采样值样值被保存在一个存被保存在一个存储储器中，器中，经过经过离散离散FFTFFT变换计变换计算，算，计计算出信号的算出信号的频谱频谱 FFTFFT频谱频谱分析分析仪仪不足之不足之处处：FFTFFT分析分析仪仪不适合脉冲信号的不适合脉冲信号的分析，而且由于分析，而且由于A/DA/D转换转换器速度的限制，器速度的限制，FFTFFT分析分析仪仅仪仅适适合合测测量低量低频频信号信号 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-8 8 8 8超外差超外差超外差超外差频谱频谱分析分析分析分析仪仪 这这种种频谱频谱分析分析仪对输仪对输入信号的分析，并不是从入信号的分析，并不是从时间时间特性特性计计算得来的，而是由算得来的，而是由频频域分析直接决定的。域分析直接决定的。对对于于这样这样的分析，的分析，必必须须把把输输入入频谱频谱分成各个独立的部分。可分成各个独立的部分。可调带调带通通滤滤波器就波器就是是为为此目的而使用的此目的而使用的 超外差超外差频谱频谱分析分析仪仪内部内部结结构如下构如下图图 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-9 9 9 9滤波器频率基准对数放大器RF 输入衰减器混频器IF 滤波器检波器视频滤波器本地振荡器扫频发生器IF 增益输入显示 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-10101010原理分析原理分析 信号分析信号分析过过程如下：被程如下：被测测信号信号经过滤经过滤波和衰减后，和波和衰减后，和LOLO信信号号进进入混入混频频器混器混频转换频转换成中成中频频信号，因信号，因为为LOLO频频率可率可变变，所，所以以输输入信号都可以被入信号都可以被转换转换成固定中成固定中频频，经经放大后放大后进进入中入中频滤频滤波器（中心波器（中心频频率固定），然后率固定），然后进进入一个入一个对对数放大器，数放大器，对对中中频频信号信号进进行行压缩压缩，然后，然后进进行包行包络检络检波，所得信号即波，所得信号即视频视频信号，信号，为为了平滑了平滑显显示，在包示，在包络检络检波之前通波之前通过过可可调调低通低通滤滤波器，即波器，即视视频滤频滤波；波；视频视频信号在阴极射信号在阴极射线线管内垂直偏管内垂直偏转转，即，即显显示出在信示出在信号的幅度，同号的幅度，同时时，由于，由于显显示的示的频频率率值值是是扫频发扫频发生器生器电压值电压值的的函数，所以函数，所以对应对应被被测测信号的信号的频频率率值值，于是，被，于是，被测测信号的信息信号的信息显显示在示在LCDLCD上上 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-11111111幅度、幅度、频率率显示原理示原理 幅度幅度幅度幅度显显示原理：示原理：示原理：示原理：经过经过中中频滤频滤波器的中波器的中频频信号功率就是反信号功率就是反应应了了输输入信号的功率。入信号的功率。检测检测的方法就是用一个的方法就是用一个检检波器，将它波器，将它变为电压输变为电压输出，体出，体现现在在纵轴纵轴的幅度。当的幅度。当然然还还要要经过经过D/AD/A转换转换和一些数据和一些数据处处理，加一些修正和一些理，加一些修正和一些对对数、数、线线性性变变换换。这这足以足以给给我我们带们带来信号分析上的来信号分析上的许许多方便。多方便。频频率率率率显显示原理：示原理：示原理：示原理：频谱频谱分析是要分析分析是要分析频频域的。一个信号要分析两个参数，一是幅度，域的。一个信号要分析两个参数，一是幅度，二是二是频频率。幅度已率。幅度已经经得出，而得出，而频频率和幅度要率和幅度要对应对应起来，在某一起来，在某一频频率是什率是什么幅度。么幅度。如何与幅度如何与幅度对应对应起来。其起来。其实实很很简单简单。它是通。它是通过过本振与本振与扫扫描描电压电压对应对应起来的。本振是一个起来的。本振是一个压压流振流振荡荡器。本振信号是个器。本振信号是个扫扫描信号。描信号。扫扫描控描控制是由制是由扫扫描控制器来完成的。它同描控制器来完成的。它同时时控制控制显显示器的横坐示器的横坐标标。从左到右当。从左到右当扫扫描描电压电压在在OVOV时时，在，在显显示器上是示器上是0 0点，点，对对本振信号来本振信号来说说是是F1F1点，即起始点，即起始频频率点。当率点。当扫扫描描电压电压到到10V10V时时，在，在显显示器上是示器上是终终止止频频率点，本振率点，本振电压电压就就是在是在终终止止频频率点，中率点，中间间是是线线性的。通性的。通过这样过这样的方法，使得的方法，使得显显示器坐示器坐标标的的每一点与本振每一点与本振F1F1、F2F2的每一点的每一点对应对应起来。射起来。射频频信号是本振信号减去中信号是本振信号减去中频频信号信号21.4MHz21.4MHz。当我。当我们们操作操作频谱仪进频谱仪进行分析行分析时时，实际实际是在改是在改变变本振信号本振信号的的频频率。率。2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-12121212 下面将对频谱分析仪每个独立部件的工作原理和相互之间的作用做详细说明 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-13131313LOIMRF低通低通滤波器波器 低通低通滤滤波器的主要作用是抑制波器的主要作用是抑制镜镜像像频频率。下率。下图图是低中是低中频频谱频频谱分析分析仪输仪输入入频频率与率与镜镜像像频频率范率范围围的关系，如果的关系，如果输输入入频频率范率范围围大于大于2 2IFIF，则则两两频频率范率范围围会重叠会重叠,所以要求所以要求输输入入滤滤波器在不影波器在不影响主信号的情况下抑制响主信号的情况下抑制镜镜像抑制像抑制IFLO 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-14141414 如果使用可如果使用可调谐带调谐带通通滤滤波器以抑制波器以抑制镜镜像像频频率，率，则则由于由于较宽较宽的的调谐调谐范范围围使使滤滤波器极波器极为为复复杂杂，所以采用高的第一中，所以采用高的第一中频频使使问题问题简简化化 这这种配置下，种配置下，镜镜像像频频率位于率位于输输入入频频率范率范围围之上，由于两个之上，由于两个频频率范率范围围不会重叠，故可利用低通不会重叠，故可利用低通滤滤波器抑制波器抑制镜镜像像频频率，三者率，三者范范围围关系如下关系如下图图LORFIMIF 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-15151515衰减器衰减器 衰减器主要有三个作用衰减器主要有三个作用(1)(1)保保护频谱仪护频谱仪不受不受损损坏：坏：测测量高量高电电平信号平信号时时，为为了不了不烧烧坏坏频谱频谱分析分析仪仪，必，必须对须对信号信号进进行衰减；行衰减；(2)(2)高高测试测试的准确性：混的准确性：混频频器是非器是非线线性器件，当混性器件，当混频频器器输输入信号入信号电电平平较较高高时时，输输出会出会产产生生许许多多产产物，而且物，而且电电平太高会干平太高会干扰测扰测试结试结果，使无互果，使无互调调范范围围减小；当减小；当输输入信号入信号电电平在混平在混频频器器1 1dBdB压缩压缩点以上点以上时时，测试结测试结果会不准确；果会不准确；(3)(3)提高提高频谱仪动态频谱仪动态范范围围：通：通过设过设置步置步进进衰减器衰减器调节进调节进入混入混频频器器的的电电平，可以得到平，可以得到较较大的大的动态动态范范围围。2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-16161616混混混混频频器器器器 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-17171717混混频器器 混混频频器的作用就是将器的作用就是将输输入高入高频频信号信号转换转换成中成中频频信号，由于混信号，由于混频频器是非器是非线线性器件，性器件，输输出会有很多出会有很多频频率成分率成分 ：但我但我们们需需要的是要的是 混混频频方式有两种：基波混方式有两种：基波混频频和和谐谐波混波混频频，基波混，基波混频频是是输输入信入信号的基波混号的基波混频频，而，而谐谐波混波混频频是通是通过过本振信号的本振信号的谐谐波来混波来混频频 谐谐波混波混频频会造成相会造成相对对高的高的转换损转换损耗耗 混混频频器器对输对输入入RFRF小信号而言是小信号而言是线线性网性网络络，当，当输输入信号幅度逐入信号幅度逐渐渐增大增大时时，就存在着非，就存在着非线线性失真性失真问题问题，所以，所以输输入信号的幅入信号的幅值值应应低于低于频谱频谱分析分析仪仪的的1 1dBdB压缩压缩点点 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-18181818中中频放大器放大器 输输入信号入信号经过经过了前置衰减器，了前置衰减器，电电平降低，平降低，为为了恢复信号幅了恢复信号幅值值，补偿输补偿输入衰减器的入衰减器的变变化，在混化，在混频频后后对对中中频频信号信号进进行放大行放大 在放大有用信号的同在放大有用信号的同时时，噪声和干，噪声和干扰扰信号也被同信号也被同时时放大放大 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-19191919中中频滤波器和波器和RBW 中中频频信号信号经经放大后，然后放大后，然后经过经过中中频滤频滤波器，中波器，中频滤频滤波器是一个波器是一个带带通通滤滤波器，它波器，它选选出需要的出需要的混混频频分量，抑制掉其他不需要的信号。分量，抑制掉其他不需要的信号。中中中中频滤频滤波器的波器的波器的波器的带宽带宽决定了决定了决定了决定了频谱频谱分析分析分析分析仪仪的的的的RBWRBW范范范范围围；即：即：即：即：RBW RBW 是中是中是中是中频滤频滤波器波器波器波器3dB 3dB 带宽带宽,单单点点频频信号在信号在频谱频谱上上测试显测试显示示结结果果为为中中频滤频滤波器的波器的频频响响形状；形状；根据根据频谱频谱分析分析仪类仪类型不同，中型不同，中频滤频滤波器有模波器有模拟滤拟滤波器、数字波器、数字滤滤波器和波器和FFTFFT滤滤波器。波器。2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-20202020模模拟滤波器波器 模模拟滤拟滤波器用来波器用来实现实现大的分辨率大的分辨率带宽带宽。一般。一般频谱仪为频谱仪为4 4级滤级滤波波电电路，也有路，也有5 5级滤级滤波波电电路路产产品，品，这样这样可分可分别别得到得到1414和和1010的的波形因子，然而理想的高斯波形因子，然而理想的高斯滤滤波器的波形因子波器的波形因子为为4.64.6 波形因子即波形因子即带宽选择带宽选择性，性，简简称称选择选择性。在性。在实际测实际测量中，量中，经经常常会遇到会遇到这这种情形，两个种情形，两个频频率接近的信号幅度不等，大信号形率接近的信号幅度不等，大信号形成的响成的响应应曲曲线线掩盖了小信号，使小信号掩盖了小信号，使小信号丢丢失，所以很多公司失，所以很多公司产产品提供了品提供了滤滤波器波器3 3dBdB带宽带宽，表示等幅正弦信号，表示等幅正弦信号频频率相差多率相差多少少时时仍能将它仍能将它们们区分开，区分开，这样这样的合成响的合成响应应曲曲线线仍有两个峰仍有两个峰值值，中中间间下沉大下沉大约约3 3dB,dB,如下如下图图所示所示 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-21212121 有些有些频谱频谱分析分析仪仪的的带宽选择带宽选择性定性定义为义为6060dBdB与与3 3dBdB带宽带宽之比，之比，如下如下图图，也有的，也有的频谱频谱分析分析仪仪的的选择选择性用性用6060dBdB和和6 6dBdB带宽带宽之比之比表示表示33dB6060dB3 dB BW60 dB BW33dB BW选择性选择性=2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-22222222 两等幅信号的两等幅信号的测试测试33dB1010kHz1010kHz RBW 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-23232323频谱仪对频谱仪对不等幅信号的分辨能力不等幅信号的分辨能力不等幅信号的分辨能力不等幅信号的分辨能力 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-24242424数字中数字中频滤波器波器 通通过过数字数字滤滤波器可以波器可以获获得很窄的得很窄的带宽带宽。和模。和模拟滤拟滤波器相比，波器相比，理想的高斯理想的高斯滤滤波器可以波器可以实现实现。数字。数字滤滤波器在可接受的价格内波器在可接受的价格内有更好的有更好的选择选择性。如性。如5 5级电级电路模路模拟滤拟滤波器的波形因子波器的波形因子为为1010，高斯高斯滤滤波器波器为为4.64.6。另外，数字。另外，数字滤滤波器有更好的温度波器有更好的温度稳稳定性，定性，无需无需调调整，所以在整，所以在带宽带宽上更加精确上更加精确 由于数字由于数字滤滤波器的瞬波器的瞬态态相相应应已已经经确定，使用合适的修正系数确定，使用合适的修正系数可使数字可使数字滤滤波器波器获获得比模得比模拟滤拟滤波器在相同波器在相同带宽带宽的情况下更短的情况下更短的的扫扫描描时间时间典型选择性 模拟 15:1 数字5:1模拟滤波器数字滤波器 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-25252525FFT滤波器波器 如果如果单纯为单纯为了了测试测试精度而精度而设设置非常窄的分辨率置非常窄的分辨率带宽带宽，则则会造会造成无法容忍的成无法容忍的长时间扫长时间扫描，因此在非常高的分辨率的情况下描，因此在非常高的分辨率的情况下建建议议采用采用FFTFFT滤滤波器，从波器，从时时域特性域特性计计算算频谱频谱，见见下下图图。当采。当采用用FFTFFT滤滤波器波器时时，频频率非常高的信号不能通率非常高的信号不能通过过A/DA/D直接采直接采样样，须经过须经过与本振混与本振混频变为频变为中中频频并在并在时时域域对带对带通信号取通信号取样样X(t)A/DRAMFFT 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-26262626对数放大器数放大器 检检波器之前有一个波器之前有一个对对数放大器，数放大器，对对数放大器按照数放大器按照对对数函数来数函数来压缩压缩信号信号电电平（平（对对于于输输入入电压电压幅度幅度v,v,输输出出电压电压幅度幅度为为logvlogv），），这这大大减小了由大大减小了由检检波器所波器所检测检测的信号的信号电电平平变变化，而同化，而同时时向用向用户户提供校准成用分提供校准成用分贝读贝读数的数的对对数垂直刻度，在数垂直刻度，在频谱频谱分析分析仪仪中，中，由于信号由于信号电电平大幅度平大幅度变变化，故需要采用化，故需要采用对对数刻度数刻度 对对数放大器的数放大器的设计设计基于多基于多级级解解调调原理，将原理，将许许多个具有固定增多个具有固定增益（每一益（每一级级的增益通常的增益通常为为1010dBdB）的的单单元放大器元放大器级联级联起来。随起来。随后，将每一后，将每一级级放大器的放大器的输输出逐个相加以提供出逐个相加以提供线线性性输输出出电压电压，有些器件提供一个表示有些器件提供一个表示输输入信号的相入信号的相对对相位的限幅相位的限幅输输出出对数放大器对数放大器 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-27272727检波器波器 频谱频谱分析分析仪仪一般都是用包一般都是用包络检络检波器把波器把IFIF信号信号变换变换成成视频视频。包。包络检络检波器最波器最简单简单的形式是一个二极管后面接一个并的形式是一个二极管后面接一个并联联的的RCRC电电路，如下路，如下图图 峰峰值检值检波器由二极管和波器由二极管和RCRC电电路路组组成，其成，其输输出要跟随出要跟随IFIF信号的信号的包包络络而而变变化，它必然也具有一定的响化，它必然也具有一定的响应时间应时间，这这就是就是检检波器波器的的时间时间常数。常数。时间时间常数太大，常数太大，检检波器就不能及波器就不能及时时跟上包跟上包络变络变化的速度；化的速度；扫扫描速度的快慢也会描速度的快慢也会对检对检波器波器输输出出产产生影响，生影响，扫扫描太快，描太快，检检波器波器电电路来不及响路来不及响应应，其，其输输出幅度也就反映不出出幅度也就反映不出包包络络的的变变化化 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-28282828检波方式波方式 不同的不同的检检波方式在波方式在显显示屏上会有不同的数据示屏上会有不同的数据处处理，理，频谱频谱分析分析仪仪主要有以下主要有以下检检波方式：波方式：最大峰最大峰值检值检波波 最小峰最小峰值检值检波波 自自动动峰峰值检值检波波 取取样检样检波波 RMSRMS检检波器波器 平均平均值检值检波波 准峰准峰值检值检波波最大峰值检波取样检波最小峰值检波 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-29292929视频滤波器波器VBW 视频滤视频滤波器在包波器在包络检络检波器之后波器之后，视频滤视频滤波器决定了波器决定了视频带宽视频带宽，视频滤视频滤波器是第一波器是第一级级低通低通设设置，用于从置，用于从视频视频信号中信号中滤滤除噪声，除噪声，平滑平滑轨轨迹，从而使迹，从而使显显示示结结果果稳稳定。和分辨率定。和分辨率带宽类带宽类似，似，视频视频带宽带宽也会限制最大允也会限制最大允许扫许扫描速度，要达到最小的描速度，要达到最小的扫扫描描时间时间需需要增大要增大视频带宽视频带宽 S/NS/N比比较较低低时时，可以通，可以通过过减小减小VBWVBW来来稳稳定定显显示，弱信号会在示，弱信号会在频谱频谱中突中突现现出来并且出来并且稳稳定可再定可再现现。在。在测测量正弦波信号量正弦波信号时时，减，减小小VBWVBW，对电对电平无影响平无影响未经视频滤波经过视频滤波 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-30303030锯齿波波发生器、本振和生器、本振和显示示 锯齿锯齿波波发发生器既控制生器既控制显显示器上曲示器上曲线线的位置，又控制的位置，又控制LOLO的的频频率，所以就可以通率，所以就可以通过过校准，用校准，用显显示器的水平示器的水平轴轴来表示来表示输输入信入信号号频频率率 任何振任何振荡荡器都不是器都不是绝对稳绝对稳定的，而是在一定程度上被随机噪定的，而是在一定程度上被随机噪声声调频调频或或调调相的。相的。LOLO的不的不稳稳定性会直接影响由定性会直接影响由LOLO和和输输入信入信号混号混频频后的中后的中频频，因此，因此，LOLO的相位噪声的相位噪声调调制制边带边带也会在也会在显显示器上任何示器上任何谱谱分量的两分量的两边边出出现现，LOLO越越稳稳定，相位噪声越低定，相位噪声越低 YIGYIG振振荡荡器器经经常被用作本振，也由一些常被用作本振，也由一些频谱仪频谱仪采用采用压压控振控振荡荡器作器作为为本振，其本振，其调节调节范范围较围较小，但小，但较较YIGYIG调调整起来更快；整起来更快；为为了增加了增加频谱仪频谱仪的的频频率精度，本振信号可以是合成信号，也就率精度，本振信号可以是合成信号，也就是是说说，本振，本振经锁经锁相相环锁环锁定在参考信号上。参考信号通常由一定在参考信号上。参考信号通常由一个温控晶振个温控晶振产产生，生，为为了增加了增加频频率精度与率精度与长长期的期的稳稳定性，大多定性，大多数数频谱仪频谱仪广泛采用恒温控制晶振广泛采用恒温控制晶振 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-313131313 频谱分析分析仪性能指性能指标频谱频谱分析分析仪仪有以下主要性能指有以下主要性能指标标：滤滤波器特性波器特性 相位噪声相位噪声 接收机的固有噪声接收机的固有噪声 系系统统非非线线性性 1 1dBdB压缩压缩点点 动态动态范范围围 测测量精度量精度下面就下面就这这些指些指标标分分别讨论别讨论 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-32323232分辨分辨滤波器波器RBW特性特性 中中频滤频滤波器需要矩形波器需要矩形滤滤波器，但波器，但对频谱对频谱分析分析仪仪而言，矩形而言，矩形滤滤波器的瞬波器的瞬态态响响应应是不合适的。由于是不合适的。由于这样这样的的滤滤波器与波器与较长较长的瞬的瞬态态响响应时间应时间，输输入信号的入信号的频谱应频谱应通通过过十分十分缓缓慢的本振慢的本振调谐变调谐变到中到中频仪频仪避免幅度避免幅度误误差。使用差。使用优优化瞬化瞬态态响响应应的高斯的高斯滤滤波器可波器可以以获获得得较较短的短的测试时间测试时间 滤滤波器的特性常以波形系数来定波器的特性常以波形系数来定义义：SFSFBWBW（60dB60dB）/BW(3dB)/BW(3dB)失真产物 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-33333333相位噪声相位噪声相位噪声相位噪声 相位噪声是振相位噪声是振荡荡器短器短时间稳时间稳定度的度量参数定度的度量参数,尽管我尽管我们们看不到看不到频谱频谱分析分析仪仪LOLO系系统统的的实际频实际频率抖率抖动动，但，但LOLO频频率或相位不率或相位不稳稳定的表定的表现现是可以是可以观观察到的，察到的，这这就是相位噪声就是相位噪声 相位噪声通常是以一个相位噪声通常是以一个单载单载波的幅度波的幅度为为参考，并偏移一定的参考，并偏移一定的频频率下的率下的单边带单边带相位噪声。相位噪声。这这个数个数值值是指在是指在1 1HzHz带宽带宽下的相下的相对对噪声噪声电电平，故其平，故其单单位位为为dBc(1Hz)dBc(1Hz)或或 dBc/Hz,cdBc/Hz,c表示表示载载波，由波，由于相位噪声于相位噪声电电平比平比载载波波电电平低，所以定平低，所以定义为负值义为负值 相位噪声主要影响相位噪声主要影响频谱频谱分析分析仪仪的分辨率和的分辨率和动态动态范范围围噪声边带 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-34343434分析分析仪的固有噪声的固有噪声 固有噪声可以理解固有噪声可以理解为频谱为频谱分析分析仪仪的的热热噪声。固有噪声会噪声。固有噪声会导导致致输输入信号信噪比的入信号信噪比的恶恶化。化。所以固有噪声是所以固有噪声是所以固有噪声是所以固有噪声是频谱频谱分析分析分析分析仪仪灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度的度量指的度量指的度量指的度量指标标，决定了，决定了，决定了，决定了频谱频谱分析分析分析分析仪仪的最小可的最小可的最小可的最小可检测电检测电平平平平 指指标标中的中的显显示噪声平均示噪声平均电电平必平必须对应须对应相相应应的分辨率的分辨率带宽带宽和衰和衰减器减器设设置，因置，因为这为这两个指两个指标对显标对显示的噪声示的噪声电电平都有影响。典平都有影响。典型情况下是型情况下是设设置衰减器置衰减器为为0 0dBdB和最小分辨率和最小分辨率带宽带宽 RFRF衰减器衰减器设设置和置和RBWRBW对设对设置置对显对显示噪声本底影响示噪声本底影响见见下下图图 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-35353535减小带宽=降低噪声10dB10kHz RBW1kHz RBW10dB100kHz RBWIF滤波器带宽对噪声电平的影响 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-3636363610dB信号电平RF输入衰减对噪声电平的影响10dB衰减20dB衰减 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-37373737非非线性特性性特性 由于由于频谱频谱分析分析仪仪中含有半中含有半导导体器件，所以存在非体器件，所以存在非线线性。然而性。然而频谱频谱分析分析仪仪要求无失真要求无失真显显示被示被测输测输入信号，所以入信号，所以线线性特性是性特性是频谱频谱分析分析仪仪必必须须的性能的性能参量，参量，对对于于单单正弦波信号正弦波信号输输入的情况，由于存在非入的情况，由于存在非线线性，会性，会产产生各次生各次谐谐波，波，对对于于输输入信号是两个幅度相等的正弦波信号的情况，除了入信号是两个幅度相等的正弦波信号的情况，除了产产生生谐谐波波之外，同之外，同时时也有互也有互调产调产物，互物，互调产调产物的物的阶阶数是所含数是所含频频率各次率各次项项之和。之和。频谱仪频谱仪的的线线性主要由混性主要由混频频器和中器和中频频放大器决定，而放大器决定，而输输入射入射频频衰减器衰减器实际实际上上对线对线性是没有影响的。如果由射性是没有影响的。如果由射频频衰减器改衰减器改变变混混频频器的器的输输入入电电平，平，频频谱仪产谱仪产生的互生的互调产调产物物电电平将依其平将依其阶阶数数变变化，而化，而DUTDUT产产生的互生的互调产调产物物电电平平保持不保持不变变。所以。所以调节调节衰减器可以判断衰减器可以判断频谱仪显频谱仪显示的互示的互调产调产物的来源：如物的来源：如果增加果增加RFRF衰减，而衰减，而谐谐波和互波和互调产调产物的相物的相对电对电平保持不平保持不变变，说说明失真来自明失真来自DUTDUT，测测量量结结果正确；如果果正确；如果谐谐波和互波和互调产调产物的相物的相对电对电平有平有变变化，化，则说则说明明有部分失真来自有部分失真来自频谱频谱分析分析仪仪内部，内部，测测量量结结果不正确果不正确 频谱仪频谱仪常用截止点（常用截止点（T.O.IT.O.I）和和1 1dBdB压缩压缩点来表征分析点来表征分析仪仪的非的非线线性特性性特性 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-38383838 三三阶阶互互调调和三差拍互和三差拍互调调 三个等幅大信号三个等幅大信号f1f1、f2f2、f3f3同同时时输输入入频谱仪频谱仪，其中在，其中在2f12f1f2f2，f1f1f2f2f3f3等等频频率点上会率点上会产产生虚假生虚假信号，即分信号，即分别为别为三三阶阶互互调调和三差和三差拍互拍互调调信号。理信号。理论论分析可知三差分析可知三差拍互拍互调调信号比三信号比三阶阶互互调调高高6dB6dB（电压电压），注），注1 1 。当信号。当信号f1f1、f2f2、f3f3均下降均下降10dB10dB时时，互，互调调信号下降信号下降30dB30dB，因互，因互调调信号幅度正比于信号幅度正比于电电压压U U的的3 3次方，次方，10lg10lg（U3U3）30lgU30lgU。同。同样样可以解可以解释谐释谐波和二波和二阶阶信号。如信号。如图图，对对数形式下，基数形式下，基波、二波、二阶阶、三、三阶阶的系数分的系数分别为别为1 1、2 2、3 3。2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-39393939 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-40404040动态范范围 动态动态范范围围是是频谱频谱分析分析仪仪同同时处时处理不同理不同电电平信号的能力。平信号的能力。动态动态范范围围的限的限值值依依赖赖于于实际实际所要所要进进行的行的测测量，量，动态动态范范围围下限是由下限是由自然噪声或相位噪声决定的，自然噪声或相位噪声决定的，动态动态范范围围的上限是由的上限是由1 1dBdB压缩压缩点或由点或由频谱仪过载频谱仪过载而造成的失真决定的而造成的失真决定的 最大最大动态动态范范围围通常是在最小分辨率通常是在最小分辨率带宽带宽情况下，情况下，显显示的噪声示的噪声做做为为下限，下限，1 1dBdB压缩压缩点作点作为为上限。如果达到第一上限。如果达到第一级级混混频频器的器的输输入入电电平高出平高出1 1dBdB压缩压缩点，那么将点，那么将产产生混生混频频器的非器的非线线性失真，性失真，使用使用较较小的小的RBWRBW时时，失真，失真产产物就会明物就会明显显地地显显示出来（他示出来（他们们不不会被噪声淹没），此会被噪声淹没），此时时的的频谱测频谱测量就不能明确反映被量就不能明确反映被测设备测设备的真的真实频谱实频谱。2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-41414141测量精度量精度 频谱仪测频谱仪测量精度分量精度分为频为频率率测试测试精度和幅度精度和幅度测测量精度量精度 频频率精度：率精度：频谱仪频谱仪的本振通的本振通过锁过锁相相环环同步到一个同步到一个稳稳定的参考定的参考振振荡荡器上，器上，频谱频谱分析分析仪仪的的频频率精度也就是参考源的精度，并率精度也就是参考源的精度，并且受参考源的温度和且受参考源的温度和长长期期稳稳定度的影响。参考源通常采用温定度的影响。参考源通常采用温度度补偿补偿晶体振晶体振荡荡器和箱控晶体振器和箱控晶体振荡荡器，器，产产生的参考生的参考频频率收到率收到环环境温度和操作期境温度和操作期间间老化的影响老化的影响 幅度幅度测测量精度：其量精度：其误误差来源主要有差来源主要有频频率响率响应应，衰减器，衰减器误误差，差，中中频频增益增益误误差，差，线线性性误误差，差，带宽带宽切切换误换误差和失配差和失配误误差差 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 2024/4/17 周三周三周三周三 P-P-P-P-424242424 4 其它其它其它其它 日常接收信号范日常接收信号范围围很广，信号是同很广，信号是同时进时进入接收机的，其入接收机的，其总总功率是迭加的。而我功率是迭加的。而我们们关心的信号往往是其中之一。同理，关心的信号往往是其中之一。同理，送入送入频谱仪频谱仪的的输输入端口信号是所采集信号的入端口信号是所采集信号的总总和，其中包和，其中包括所要分析的特定信号，所括所要分析的特定信号，所输输入到入到频谱仪频谱仪的功率是的功率是总总功率。功率。由此要引入一个参数由此要引入一个参数-最大最大烧毁烧毁功率。功率。这这一一值值是是1 1瓦或瓦或+30dBm+30dBm。也就是。也就是说输说输入到入到频谱仪频谱仪的信号功率的信号功率总总和不能超和不能超过过1 1瓦，否瓦，否则则将会将会烧毁仪烧毁仪器的衰减器和混器的衰减器和混