頻譜分析儀工作原理及應(yīng)用分析

梁烈勇

摘 要：頻譜分析儀是現(xiàn)在分析信號(hào)的基本儀表之一，應(yīng)用范圍廣泛，比如說頻譜監(jiān)測(cè)、EMI測(cè)試等。本文以掃頻式調(diào)諧分析儀為分析對(duì)象，闡述了其工作原理和主要指標(biāo)，最后以R&S FSH4為例講解了實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：頻譜分析儀；分辨率帶寬；混頻；顯示噪聲電平

一、頻譜分析儀工作原理

觀察與測(cè)量信號(hào)可以從時(shí)域的角度出發(fā)，比如說使用示波器，橫軸表示信號(hào)時(shí)間，縱軸表示信號(hào)幅度。但是現(xiàn)實(shí)中信號(hào)非常復(fù)雜，一個(gè)信號(hào)往往由多個(gè)信號(hào)矢量疊加而成，這種情況下示波器很難還原信號(hào)真實(shí)成分。使用頻譜分析儀就可以觀察到各個(gè)頻率點(diǎn)不同功率幅度的分布，能夠把復(fù)雜信號(hào)再現(xiàn)出來。

[1]現(xiàn)在主流頻譜分析儀是掃頻式調(diào)諧分析儀，采用超外差結(jié)構(gòu)。圖1是超外差頻譜分析儀結(jié)構(gòu)示意圖，射頻輸入衰減器是防止強(qiáng)信號(hào)燒毀頻譜儀，衰減器的衰減值與中頻放大器的放大值是聯(lián)動(dòng)的。預(yù)選器或者低通濾波器是防止鏡像干擾，有些頻譜儀為了改善信噪比提高接收機(jī)靈敏度，在前級(jí)設(shè)置低噪聲放大器。混頻器是頻譜分析儀核心器件，輸入信號(hào)與本振通過混頻器相互作用后得到一個(gè)固定中頻信號(hào)。假設(shè)輸入信號(hào)為f1，本振信號(hào)為f2，則混頻器輸出為f2+f1和f2-f1。中頻濾波器起頻率選擇性作用，只有才能通過中頻濾波器。對(duì)數(shù)放大器能夠擴(kuò)大整個(gè)頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，包絡(luò)檢波就是對(duì)中頻信號(hào)解調(diào)取得取其包絡(luò)。視頻濾波器對(duì)信號(hào)包絡(luò)進(jìn)行平滑，掃描信號(hào)發(fā)生器能夠同時(shí)控制本振和顯示器的橫軸。

二、頻譜分析儀主要指標(biāo)：

1.掃頻范圍

頻譜分析儀掃頻范圍主要是由本振決定的，可以通過設(shè)置起始頻率start frequency和終止頻率end frequency決定，也可以通過設(shè)置center frequency和span來決定，兩者的作用是相同的。比如start frequency = 100MHz，end frequency = 200MHz和center frequency = 150MHz，span = 100 MHz是一樣的。如果掃頻范圍設(shè)置太大，掃頻時(shí)間會(huì)相對(duì)較長，測(cè)量精度會(huì)降低。

2.RBW

[2]RBW是分辨率帶寬，就是中頻濾波器的3dB帶寬，反映了頻譜分析儀分辨區(qū)分兩個(gè)相鄰等幅信號(hào)的最小頻率間隔能力。RBW設(shè)置的越小，則頻譜分析儀區(qū)分不同頻率信號(hào)能力越強(qiáng)，頻譜分析儀本底噪聲也越小。如果span設(shè)置太大，RBW設(shè)置太小，則掃頻速率會(huì)降低，掃頻時(shí)間增加，有可能會(huì)遺漏一些信號(hào)。

3.相位噪聲

相位噪聲是由于本振的不穩(wěn)定造成的，表現(xiàn)為信號(hào)頻譜的噪聲邊帶，反映了信號(hào)短期的穩(wěn)定性。只有待測(cè)信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的底噪時(shí)，相位噪聲才會(huì)顯示出來。相位噪聲與本振的設(shè)計(jì)有關(guān)，尤其與穩(wěn)定本振的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)相關(guān)。減少分辨率帶寬RBW也會(huì)減少相位噪聲。如果相位噪聲太大，會(huì)淹沒待測(cè)信號(hào)附近的小信號(hào)。

4.DANL

DANL是頻譜分析儀顯示平均噪聲電平，它是由頻譜分析儀內(nèi)部電路的噪聲決定的，反映了頻譜分析儀的靈敏度。為了保護(hù)頻譜儀，在前級(jí)設(shè)置了衰減，頻譜儀底噪會(huì)相應(yīng)提高。這是因?yàn)橹蓄l放大器與衰減器聯(lián)動(dòng)所致，頻譜分析儀的內(nèi)部噪聲主要是其第一級(jí)決定，中頻放大器放大信號(hào)的同時(shí)也會(huì)放大噪聲。當(dāng)檢測(cè)微弱信號(hào)的時(shí)候，可以通過前置LNA來改善信噪比提高靈敏度，也可以通過減少RBW來減少噪聲電平。

三、應(yīng)用分析

以R&S FSH4為例，選擇該手持頻譜儀的網(wǎng)絡(luò)分析功能在調(diào)節(jié)腔體濾波器中應(yīng)用。

1.校準(zhǔn)

開機(jī)后，在MOD按鍵下選擇“網(wǎng)絡(luò)分析儀”模式，在MEAS按鍵下選擇“校準(zhǔn)”功能。選擇“兩端口歸一化校準(zhǔn)”，根據(jù)提示分別選擇校準(zhǔn)直通、校準(zhǔn)端口1短路、校準(zhǔn)端口2短路。

2調(diào)節(jié)腔體濾波器

儀表端口1連接腔體濾波器的IN，儀表端口2連接腔體濾波器的OUT。儀表中心頻率設(shè)置為118MHz，頻率范圍設(shè)置為1MHz。（儀表FREQ和SPAN按鍵）增加三個(gè)標(biāo)記點(diǎn)。MARKER按鍵 -> 新建標(biāo)記 -> 分別設(shè)置M1、M2、M3為118MHz、117.5MHz、118.5MHz。選擇MEAS -> 結(jié)果顯示 -> 正向傳輸（端口1到2），調(diào)節(jié)腔體濾波器的中間旋鈕，使波形峰值位于M1的位置。調(diào)節(jié)濾波器兩側(cè)旋鈕使選擇性大于15dB（M2、M3處的衰減值），插損小于1.5dB（M1處的衰減值）。

四、結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在中高端頻譜分析儀都具有real time模式，這種是利用FFT計(jì)算不同頻率的號(hào)出現(xiàn)的概率，并以不同顏色表示。real time模式還特別適合觀察方便同一頻點(diǎn)大信號(hào)下的小信號(hào)，非常有利于無線電干擾測(cè)試和EMI測(cè)試。由于使用了FFT，計(jì)算量特別大，SPAN一般不超過40MHz。

參考文獻(xiàn)

[1] 田遲鵬，徐寧，李福林.無限頻譜分析試技術(shù)[J].電子質(zhì)量，2006，（7）：14-15.

[2] 影響須譜分析儀頻率分辮率的因素[J] .《現(xiàn)代電子技術(shù)》，2011（7）.