頻譜分析儀與測(cè)量

龔一君

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川綿陽，621000）

0 引言

在無線電通信中的眾多測(cè)量任務(wù)之一就是頻域中的信號(hào)檢測(cè)。頻譜分析儀就是功能眾多并廣泛使用的射頻測(cè)試儀表中的一種。其覆蓋的頻率范圍可達(dá)110GHz，主要用于頻率穩(wěn)定度、譜純度、信號(hào)失真度、調(diào)制度等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，是一種多用途的電子測(cè)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)檢測(cè)、微波射頻、通信產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)以及維護(hù)活動(dòng)中。

1 頻譜分析儀的主要用途

頻譜分析儀作為分析信號(hào)的基本技術(shù)手段之一，其測(cè)試的對(duì)象是各種復(fù)雜信號(hào)。在測(cè)量領(lǐng)域，頻譜分析儀最早用于對(duì)無線電、通訊系統(tǒng)中各種未知信號(hào)的觀察，而后發(fā)展為用在頻域內(nèi)分析信號(hào)幅度隨頻率變化的情況，可以定量對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試、分析。頻譜分析儀可測(cè)量信號(hào)頻率、信號(hào)功率、峰值功率、鄰道功率比、諧波遠(yuǎn)端雜波等，可從頻域內(nèi)分析信號(hào)所包含的頻率成份及各頻率成份中頻率和功率的關(guān)系。

（1）信號(hào)頻率測(cè)試

早期的頻譜分析儀在頻率測(cè)試時(shí)是用頻率度盤直接讀數(shù)，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在頻譜分析儀具有內(nèi)置1Hz 位分辨率的高精度頻率器計(jì)數(shù)及光標(biāo)計(jì)數(shù)器，能在有高電平時(shí)對(duì)極低電平信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的頻率測(cè)試。

（2）信號(hào)幅度測(cè)試

絕對(duì)測(cè)試：早期的頻譜分析儀，無絕對(duì)定標(biāo)功能，無法進(jìn)行該測(cè)試。目前的頻譜分析儀可以利用分析儀內(nèi)置的幅度修正功能來改進(jìn)幅度測(cè)量，用光標(biāo)直接搜索讀數(shù)，幅度準(zhǔn)確度達(dá)±0.3dB 以內(nèi)。

相對(duì)測(cè)試：在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行相對(duì)測(cè)試。

（3）寄生和信號(hào)失真測(cè)試

信號(hào)失真包括：諧波失真、非諧波失真和雜波。頻譜分析儀可以直接顯示信號(hào)的各次諧波的幅度，用于判斷失真的大小和性質(zhì)，還可以測(cè)試信號(hào)的交調(diào)失真。

（4）調(diào)制信號(hào)種類和調(diào)制度

頻譜分析儀能直接測(cè)試出信號(hào)的調(diào)幅深度和調(diào)頻頻偏。

（5）相位噪聲測(cè)試

在頻譜分析儀中，相位噪聲測(cè)量一般分為兩步，首先測(cè)量載波功率，測(cè)量某一頻偏處的噪聲功率，然后由計(jì)算公式求得單邊帶相位噪聲。

現(xiàn)在大多數(shù)頻譜分析儀都有提供針對(duì)相位噪聲測(cè)量的測(cè)量選件。利用頻譜分析儀內(nèi)置相位噪聲測(cè)量選件，可根據(jù)需要靈活改變測(cè)量頻偏范圍（1Hz～1GHz），分辨率帶寬（RBW），中頻濾波器類型（模擬，數(shù)字，F(xiàn)FT）等測(cè)量參數(shù)，準(zhǔn)確的測(cè)量相位噪聲。

（6）分析猝發(fā)的信號(hào)

頻譜分析儀作為高靈敏度的接收機(jī)可以分析猝發(fā)的信號(hào)。

（7）電磁干擾測(cè)試功能

頻譜分析儀內(nèi)置電磁干擾測(cè)試功能，包括符合CISPT 規(guī)定的峰值(QP)檢測(cè)器，測(cè)試合格限定線和天線因子的編輯功能。

（8）進(jìn)行時(shí)域測(cè)量

頻譜分析儀作為時(shí)間函數(shù)的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)輸出功率進(jìn)行測(cè)量。

2 頻譜分析儀類型

依據(jù)頻譜分析儀的實(shí)現(xiàn)方法和頻譜測(cè)試的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，頻譜分析儀一般可分為實(shí)時(shí)頻譜分析儀和掃頻型頻譜分析儀。

（1）實(shí)時(shí)頻譜分析儀

實(shí)時(shí)頻譜分析儀是指能實(shí)時(shí)顯示信號(hào)在某一時(shí)刻頻率成分及相應(yīng)幅度的分析儀，常見有兩種形式：并聯(lián)濾波器型分析儀（真正實(shí)時(shí)型）和快速傅立葉變換（FFT）式分析儀。

（2）掃頻型頻譜分析儀

掃頻頻譜分析儀有兩種形式：調(diào)諧濾波器式頻譜分析儀和掃頻超外差型分析儀。

3 信號(hào)測(cè)量基本步驟

給頻譜儀上電之前，應(yīng)先檢查電源電壓是否符合技術(shù)要求、保險(xiǎn)絲是否正確安裝、電源線是否完好無破損等。

（1）開機(jī)預(yù)熱

按開機(jī)按鈕（ON）接通儀器的電源，等待分析儀完成一系列自診斷和調(diào)節(jié)程序至完成開機(jī)，并預(yù)熱30 分鐘。

（2）自校準(zhǔn)

儀器開機(jī)預(yù)熱30 分鐘后按Preset 鍵儀器恢復(fù)到出廠設(shè)置狀態(tài)。

是德科技的E4404B、E4407B 頻譜分析儀進(jìn)行校正時(shí)需外接專用校準(zhǔn)線。其他產(chǎn)品如是德科技的E4411B、N 系列與羅德與施瓦茨的FSP、FSU 等系列以及中電科儀的4051 等型號(hào)不需要外接專用校準(zhǔn)線。

不同廠家的頻譜分析儀校準(zhǔn)菜單不一樣，以是德科技E4404B 為例介紹校準(zhǔn)過程：利用儀器隨機(jī)附件50Ω 低損耗電纜連接Amptd Ref Out 到Input 50Ω 端口，連接狀態(tài)如圖1。在儀器面板再按System?Alignments?Align Now?All，E4404B 開始自動(dòng)校準(zhǔn)功能，期間會(huì)聽到“咔咔…”聲音屬于正常現(xiàn)象。

圖1 自校準(zhǔn)連接圖

（3）信號(hào)測(cè)量

對(duì)頻譜分析儀進(jìn)行調(diào)諧，使信號(hào)處于屏幕上，利用頻標(biāo)測(cè)量信號(hào)的頻率和幅度，可以用以下4 個(gè)步驟簡(jiǎn)單測(cè)量輸入信號(hào)。

a)頻率設(shè)置

按Frequency 鍵，屏幕左側(cè)出現(xiàn)Center 字樣，Center Freq 菜單鍵標(biāo)識(shí)被加亮，可以利用旋鈕，步進(jìn)鍵或數(shù)值鍵改變有效功能值，利用數(shù)字鍵盤輸入與被測(cè)試信號(hào)相同的頻率值。

b)設(shè)置跨度SPAN（掃寬）

按SPAN 鍵，然后利用數(shù)字鍵設(shè)置帶寬值，讓信號(hào)在顯示屏上出現(xiàn)再用步進(jìn)鍵逐漸調(diào)整跨度（掃寬）到合適值。

c)設(shè)置參考電平

按下【AMPLITUDE】鍵，“REF LEVEL 0dBm”出現(xiàn)在有效窗口上，[REF LVL]軟鍵菜單以亮陰影方式顯示，改變參考電平的值可改變頂格線的電平值。

圖2 示出了中心頻率與參考電平在屏幕上的位置關(guān)系。方框表示頻譜儀的屏幕，水平軸為頻率，縱軸為幅度，改變頻率掃寬就是改變屏幕水平顯示的頻率范圍。

圖2 中心頻率與參考電平的關(guān)系

d)設(shè)置頻標(biāo)

按【MKR】鍵，[MARKER NORMAL]以亮陰影方式顯示，表明頻標(biāo)功能已被激活。一個(gè)菱形的標(biāo)記“?”頻標(biāo)顯示在峰值頂端，并能顯示出標(biāo)記處的頻率和幅度信息，轉(zhuǎn)動(dòng)旋輪可改變頻標(biāo)的位置。

當(dāng)按下【PEAK】時(shí)，頻標(biāo)將自動(dòng)置于信號(hào)峰值處，從有效功能窗口或者屏幕的右上角都可以得到被測(cè)信號(hào)的幅度和頻率。當(dāng)有效功能改變時(shí)，您仍能從屏幕的右上角讀出頻標(biāo)處信號(hào)的頻率與幅度,如圖3。

圖3 峰值標(biāo)記

（4）測(cè)量結(jié)果存貯

測(cè)量結(jié)果可存在儀器存貯器中，可存儀表狀態(tài)、測(cè)試結(jié)果、儀表顯示圖形等。

4 頻譜分析儀使用注意事項(xiàng)

頻譜分析儀是具有高精度、高可靠性的關(guān)鍵重要設(shè)備，應(yīng)注意正確使用和規(guī)范操作，避免造成儀器損壞。頻譜分析儀在使用前應(yīng)認(rèn)真閱讀使用產(chǎn)品手冊(cè)，在不同的使用場(chǎng)合，應(yīng)根據(jù)使用目的備齊附件并正確連接，特別應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）儀表供電

對(duì)于頻譜分析儀使用來說，正確使用電源是相當(dāng)重要的。在給頻譜分析儀加電之前，應(yīng)先檢查實(shí)際供電電壓是否與儀器標(biāo)注的供電電壓匹配，儀器保險(xiǎn)絲是否正確安裝，參照儀器后面板電源要求，采用完好無破損的三芯電源線，使用時(shí)保證電源地線可靠接地，避免導(dǎo)致儀器被毀壞，甚至對(duì)操作人員造成傷害。

（2）靜電防護(hù)

靜電對(duì)電子元器件和設(shè)備有極大的破壞性，通常我們使用兩種防靜電措施：導(dǎo)電地墊與腳腕組合，兩者同時(shí)使用時(shí)可提供良好的防靜電保障。若單獨(dú)使用，只有前者可以提供保障。為確保用戶安全，防靜電部件必須提供至少1MΩ 的對(duì)地隔離電阻。應(yīng)確保測(cè)試環(huán)境中所有儀器都正確接地，防止靜電積累。

（3）輸入端口保護(hù)

頻譜分析儀通常采用50Ω 的輸入阻抗。頻譜分析儀的輸入接頭形式一般有：N 型、3.5mm、2.4mm 等，在實(shí)際使用中一定要注意接頭與電纜以及其他連接器之間的匹配性，避免造成接頭損壞。測(cè)量連接前應(yīng)該對(duì)連接器進(jìn)行檢查和清潔，確保連接器干凈、無損。連接時(shí)應(yīng)佩帶防靜電腕帶，使用力矩扳手進(jìn)行連接，正確的連接方法和步驟如下：

a）如圖4 所示，對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)互連器件的軸心，保證陽頭連接器的插針同心地滑移進(jìn)陰頭連接器的接插孔內(nèi)。

圖4 連接器連接示意圖

b）如圖5 所示，將兩個(gè)連接器平直地移到一起，使它們能平滑接合，旋轉(zhuǎn)連接器的螺套（注意不是旋轉(zhuǎn)連接器本身）直至擰緊，連接過程中連接器間不能有相對(duì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖5 旋轉(zhuǎn)連接示意圖

c）如圖6 所示，使用力矩扳手?jǐn)Q緊完成最后的連接，注意力矩扳手不要超過起始的折點(diǎn)，可使用輔助的扳手防止連接器轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 力矩扳手使用示意圖

(4)輸入信號(hào)電壓

頻譜分析儀的最大輸入信號(hào)一般為1W(+30dBm) ，在儀器的前面板上進(jìn)行了標(biāo)注。頻譜分析儀標(biāo)注允許輸入的直流電壓為0VDC，要求輸入信號(hào)中不能包含直流電壓成分，當(dāng)需要測(cè)量包含直流電壓的信號(hào)時(shí)，必須加接有隔直流電容的附件或?qū)㈩l譜分析儀設(shè)為AC 耦合，如果在使用DC 耦合時(shí)同時(shí)有直流電壓輸入，則可能損壞分析儀的輸入電路。

(5)清潔頻譜分析儀

清潔儀器表面時(shí)，應(yīng)關(guān)機(jī)，斷開與儀器連接的電源線，用干的或稍微濕潤(rùn)的軟布輕輕擦拭表面，禁止擦拭儀器內(nèi)部。

（6）校準(zhǔn)

當(dāng)儀器無法滿足特殊測(cè)量需求或者儀器周圍環(huán)境條件發(fā)生變化（溫度、濕度、震動(dòng)等）應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)；如果周圍環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定（如實(shí)驗(yàn)室），可按照測(cè)試需求進(jìn)行校準(zhǔn)；關(guān)機(jī)后經(jīng)一定的時(shí)間再開機(jī)只需進(jìn)行預(yù)熱而無須校準(zhǔn)。

（7）獲得精確測(cè)量結(jié)果

為了獲得精確測(cè)量結(jié)果，我們?cè)跍y(cè)試過程中應(yīng)保持頻譜分析儀周圍環(huán)境的穩(wěn)定，第一次開機(jī)測(cè)量前應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行自校準(zhǔn)，多次測(cè)量間隙不要關(guān)機(jī)，在測(cè)量過程中不能對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，提高外部參考輸入信號(hào)頻率準(zhǔn)確度；在不同的環(huán)境下進(jìn)行暫時(shí)測(cè)量，仍需運(yùn)行校準(zhǔn)程序。

5 頻譜分析儀主要指標(biāo)

頻譜分析儀的指標(biāo)由很多，為更好更快的使用頻譜分析儀，必須了解如下性能指標(biāo)。

（1）頻率范圍

頻率范圍是指頻譜分析儀能夠正確測(cè)量的最高頻率和最低頻率信號(hào)的范圍。顯示頻率范圍可以用開始頻率和終止頻率來設(shè)置（即要顯示的最小和最大頻率），或用中心頻率和頻率跨度進(jìn)行設(shè)置。

（2）頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)是指在規(guī)定頻率范圍內(nèi)幅度隨頻率的變化，即幅度與頻率的依賴關(guān)系。通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率已知、功率已知（通過功率計(jì)定標(biāo)）的正弦波信號(hào)輸入頻譜分析儀，考察頻譜分析儀在規(guī)定頻率范圍內(nèi)幅度隨頻率的變化。

（3）分辨率帶寬

頻率分辨率是指頻譜分析儀能夠分辨最小等幅信號(hào)的能力。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。改變信號(hào)發(fā)生器頻率可等效看作改變中頻濾波器頻率，通過測(cè)量不同頻率信號(hào)在分析儀固定頻點(diǎn)的幅度響應(yīng)，可以等效看作測(cè)量中頻濾波器各頻率點(diǎn)的幅頻響應(yīng)，從而可以測(cè)量中頻濾波器的形狀（包括3dB 帶寬和矩形系數(shù)）。

（4）視頻帶寬

視頻帶寬是頻譜分析儀檢波器之后視頻電路中可調(diào)低通濾波器的帶寬。視頻濾波器位于檢波器之后，是決定視頻放大器帶寬的低通濾波器，可對(duì)噪聲起平滑作用，用于對(duì)跡線進(jìn)行平均或平滑，易于在噪聲中檢測(cè)微弱信號(hào)。改變視頻帶寬不影響頻譜分析儀的頻率分辨率，但選擇的視頻帶寬過窄，將增加掃描時(shí)間。

（5）參考電平

頻譜分析儀屏幕上已校準(zhǔn)的垂直刻度位置就是幅度測(cè)量的參考位置，參考電平通常是指刻度線的頂格。參考電平在切換會(huì)時(shí)會(huì)引起增益/衰減的聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象。參考電平轉(zhuǎn)換誤差主要用于考核頻譜分析儀的中頻增益的切換誤差。改變標(biāo)準(zhǔn)衰減器的設(shè)置值，參考電平切換引起的標(biāo)記讀數(shù)差值與標(biāo)準(zhǔn)衰減器的校準(zhǔn)值之間的誤差即為參考電平轉(zhuǎn)換誤差。

（6）相位噪聲

相位噪聲是振蕩器短時(shí)間穩(wěn)定度的度量參數(shù)。相位噪聲通常是以一個(gè)單載波的幅度為參考，并偏移一定頻率下的單邊帶相位噪聲。這個(gè)數(shù)值是指在1Hz 帶寬下的相對(duì)噪聲電平，故其單位為dBc(1Hz)或dBc/Hz，c 是指載波，由于相位噪聲電平比載波電平低，所以我們定義為負(fù)值。相位噪聲主要影響頻譜儀的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。固有噪聲可以理解為頻譜分析儀的熱噪聲，固有噪聲會(huì)導(dǎo)致輸入信號(hào)信噪比的惡化。因此，固有噪聲是頻譜儀靈敏度的度量指標(biāo)，決定了頻譜儀的最小可檢測(cè)電平。頻譜分析儀的固有噪聲計(jì)算方式：

式中：LDANL平均顯示噪聲電平，規(guī)定的平均噪聲電平 (R&S數(shù)據(jù)表:RBW=10Hz,RFATT=0dB)，RBWNoiseRBW 濾波器的等效噪聲帶寬，RFAttRF 衰減器，-2.5dB 修正因子(對(duì)數(shù)定標(biāo)的平均)

不同的濾波器6dB 帶寬和等效噪聲帶寬與3dB 帶寬的關(guān)系如表1 所示。

表1 濾波器6dB 帶寬和等效噪聲帶寬與3dB 帶寬關(guān)系表

a)二次諧波失真

當(dāng)信號(hào)輸入到非線性器件（如混頻器、放大器等）上時(shí)，非線性器件將產(chǎn)生該輸入信號(hào)的各次諧波。附加到信號(hào)上的無用的二次諧波分量被稱為二次諧波失真。通過將盡可能純凈的正弦波信號(hào)（通過外接濾波器實(shí)現(xiàn)）輸入頻譜分析儀，測(cè)試該信號(hào)通過頻譜分析儀后引起的二次諧波分量，可以得到二次諧波失真值。

b)三階交調(diào)

三階交調(diào)失真是由于器件的非線性，兩個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)頻譜分量相互作用形成的無用頻率分量。利用兩臺(tái)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率間隔為50kHz，功率相同的兩個(gè)正弦波信號(hào)同時(shí)輸入頻譜分析儀，使用頻譜分析儀標(biāo)記功能直接測(cè)量三階交調(diào)失真產(chǎn)物。

6 結(jié)論

本文從多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來，介紹的測(cè)量方法在實(shí)際測(cè)量工作中有很好的效果，具有很高的實(shí)用性。對(duì)剛接觸頻譜分析儀的初學(xué)者能夠有一個(gè)很實(shí)際的測(cè)量引導(dǎo)，能較好、較快地解決頻譜分析儀使用問題。