频谱仪原理与使用

频谱仪原理与使用刘波副教授南京通信工程学院1一、频谱仪简介：为什么要用频谱仪卫星通信信号频率很高（数十兆赫到十几吉赫）、幅度很小（接收信号经放大后通常仅几毫伏甚至更低）不便用示波器观测。卫星通信频带内通常有多个不同频率的调制载波同时存在，且在信号上叠加有相当大的噪声，示波器无法观测。对信号的微小失真，从时域有时很难观测。对卫星通信信号通常用频谱仪在频域进行观测，而不是用示波器在时域进行观测。2一、频谱仪简介：功能与用途与在时域上显示电压变化的示波器不同，频谱仪可在频域上显示功率变化频谱仪的水平坐标为频率轴，垂直坐标为功率轴频谱仪主要用于观测和记录某个指定频段内的信号频谱通过对信号的频谱观测，可以了解信号在频域的分布情况以及信号的质量通过对某部件输入、输出信号频谱的测量，得到部件的技术指标3二、频谱仪工作原理：原理框图频谱仪的原理框图如上图所示输入信号经由衰减器和滤波器，被送到混频器混频器的本振频率通常为周期性的扫频信号混频输出经过中频放大、带通滤波、对数放大、包络检波及视频滤波，被送到显示器的Y轴扫描信号发生器在控制本振频率扫频的同时，控制显示器X轴扫描4二、频谱仪工作原理：工作原理输入衰减器和滤波器（预选器）限制送给混频器的信号电平和带宽，保证混频器正常工作在混频器中，输入信号与本振混频，得到中频信号本振信号一般由频率合成器产生，可在某一范围内扫描中频放大器及衰减器对混频器输出中频信号的电平进行调整中频带通滤波器选出中频信号中频放大器及滤波器常采用多级级联，中频带宽由最后一级滤波器带宽决定。该带宽可以受控改变，且决定频谱仪的分辨带宽（RBW）包络检波器的输入信号通常由对数放大器压缩信号的动态范围，并且调整其电平范围低通滤波器的带宽（视频带宽VBW）影响显示信号频谱的平滑度现代频谱仪基本都采用高性能微处理器及DSP器件，使频谱仪的测量功能得到大大提高5二、频谱仪工作原理：主要性能指标频率范围（FrequencyRange）主要由输入预选器、本振和混频器频率范围决定决定频谱仪能观测信号的频率范围分辨带宽（ResolutionBandwidth－RBW）由中频滤波器或数字滤波器带宽决定分辨带宽越宽，滤波器稳定时间越短，可提供较快的测量；分辨带宽越窄，具有更高的频率分辨力和更低的噪声电平频率准确度和稳定度（FrequencyAccuracy&Stability）视频带宽（Video

Bandwidth－VBW）选择较窄的视频带宽，可以得到较为平滑的谱线本振相位噪声（LOPhaseNoise）由本振频率合成器决定决定测量单频信号相位噪声的下限影响能观测到的多频、窄带信号的电平范围6二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续一）最大输入信号电平（MaximumSafeInputLevel）主要由输入衰减器、放大器决定一般分最大连续功率和最大脉冲功率输入信号电平超过最大输入信号电平时，会损坏频谱仪平均显示噪声电平（DisplayedAverageNoiseLevel）决定频谱仪能显示的最小信号电平，有时也称“灵敏度”分辨带宽越窄，平均显示噪声电平越小频响（FrequencyResponse）影响宽带信号测量结果幅度准确度（AmplitudeAccuracy）二次谐波失真（SecondHarmonicDistortion）影响二次谐波失真测试范围三阶互调失真（ThirdOrderIntermodulationDistortion）影响三阶互调失真测量范围扫描点数（SweepPoints）扫描点数为显示屏在水平方向上的取样点数量扫描点数越多，在水平轴上的显示精度就越高7扫描时间（SweepTime）频谱仪X轴方向扫描一次所用时间扫描时间与观测频率宽带（Span）、RBW、VBW；Span越宽、RBW和VBW越窄、扫描时间越长。扫描时间通常由频谱仪自动设置对应于不同型号，扫描时间最长可为300s、1500s、乃至4000s扫描时间越长，在0span条件下检测电平变化的范围就越大触发方式（TriggerType）通常有FreeRun,Single,Line,Video,Offset,Delayed,External等触发方式需要观测特定时间的信号频谱时，应选择适当的触发方式二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续二）8其它测试功能调制分析噪声系数测试发射损耗测试EMI测试其它使用性能频谱存储、打印、输出编程、遥控二、频谱仪工作原理：主要性能指标（续三）9中心频率（CenterFrequency）和频率宽度（FrequencySpan）中心频率和扫频宽带决定频谱仪观测频率范围频谱仪中心频率指X轴中心点频率，与观测信号的中心频率相同频谱仪频率宽度指X轴从最左端（低端）到最右端（高端）对应的带宽，应略大于观测信号带宽也可以通过设置起始频率（StartFrequency）和终止频率（StopFrequency）来设置频谱仪观测频率范围CenterFrequency=（StartFrequency+StopFrequency）÷2FrequencySpan=StopFrequency-StartFrequency三、频谱仪使用：参数设置10参考电平（ReferenceLevel）和电平刻度（Scale/Div）参考电平为频谱仪Y轴方向最上端对应的电平电平刻度为频谱仪Y轴方向每格代表的电平分贝数（Y轴以对数方式显示时）调整参考电平时，应使观测信号最大电平不超过参考电平调整电平刻度时，应使所关心的信号电平变化显示比较明显，或所关心的电平范围能在频谱仪上显示出来功率显示值=ReferenceLevel–Scale/Div*n

（n为电平刻度数）输入衰减（InputAttenuation)对保护频谱仪输入级非常重要，强烈建议设置成自动调整方式输入衰减越大，频谱仪底噪声电平越高在确定输入信号电平足够小（全频段电平）时，把输入衰减设为0dB可提高观察微弱信号的能力三、频谱仪使用：参数设置（续一）11分辨带宽（RBW）通常由频谱仪根据频率宽度自动设置观察调制载波时，RBW通常应小于信号带宽的十分之一观察单频信号时，宽的RBW容易漏掉单频信号附近的低电平信号RBW越窄，扫描时间越长视频带宽（VBW）和视频平均通常与RBW保持某一比例（该比例可手动改变），由频谱仪自动设置窄的VBW可减小噪声及信号的随机起伏，使显示频谱越光滑，同时扫描时间越长当被观测信号的信噪比较低时，窄的VBW可使故测信号显示得更明显视频平均与很窄得视频带宽效果基本相同三、频谱仪使用：参数设置（续二）12扫描时间（SweepTime）通常由频谱仪根据频率宽度、RBW和VBW自动设置扫描时间过短会导致观测到的信号电平降低、频率右移扫描方式（Sweep）连续扫描（ContinusSweep）单次扫描（SingleSweep）DisplayLine便于测量一定带宽的信号电平时光标（Marker）寻找最大值（PeakSearch）把光标移到中心频率（MarkertoCF）把光标移到参考电平（MarkertoReferenceLevel)DeltaMarker三、频谱仪使用：参数设置（续三）13扫迹（Trace）频谱仪一般有2～3个扫迹，单通常情况下只用一个扫迹实时扫描扫迹（ClearWrite）最大值保持扫迹（MaxHold）最小值保持扫迹（MinHold）观测突发信号时，常用最大值保持扫迹三、频谱仪使用：参数设置（续四）14单频信号观测1选用合适的RBW三、频谱仪使用：频谱观测15三、频谱仪使用：频谱观测单频信号观测2选用合适的扫描时间16三、频谱仪使用：频谱观测单频信号观测3选用合适的视频带宽17三、频谱仪使用：频谱观测单频信号观测4选用本振相位噪声满足要求的频谱仪18三、频谱仪使用：频谱观测调制载波观测选用合适的频率宽度和RBW、VBW及电平刻度19突发载波观测利用频谱仪最大值保持功能三、频谱仪使用：频谱观测20单载波功率测量：适当调整CenterFrequency、Span、ReferenceLevel和RBW，使载波的峰值落在显示范围内按PeakSearch，读出光标的功率值PMarker计算载波功率

PCW=PMarker+AttnCoupler+AttnSA

式中，AttnCoupler为测试端口到频谱仪输入端口之间的耦合衰减与电缆损耗之和，AttnSA为频谱仪输入衰减值单载波的功率和频率稳定度测量：适当调整频谱仪设置，使载波的峰值落在显示范围内按Marker→CF，Marker→RefLvl，以及向上按键，使载波的峰值落在中心频率的参考电平以下10dB处定时按PeakSearch，读取并记录光标所对应的功率和频率值对测试记录作统计处理频谱仪功率稳定度和频率稳定度应优于被测信号指标三、频谱仪使用：单载波的功率和稳定度测量21通过测量C/N计算Eb/N0将DisplayLine设为On用旋钮调整DisplayLine，使之与载波峰值相重合，并读取相应的电平值，该值为C＋N继续调整DisplayLine，使之与底噪声相重合，并读取相应的电平值，该值为N从（C+N)/N计算出C/N利用C/N计算Eb/N0 C/N=C0/N0Eb=C0×Rs/Rb Eb/N0=(C/N)×(Rs/Rb)（Rb为信息速率

Rs为调制符号速率）

三、频谱仪使用：Eb/N0测量122利用频谱仪直接测量（设备验收时）设置频谱仪功率测量的信道带宽与被测信道带宽相同关闭噪声源，打开频谱仪视频平均，用频谱仪直接测量信号功率C关闭信号，打开噪声源，用频谱仪直接测量噪声功率密度N0通过C及Rb计算Eb Eb=C/Rb求出Eb/N0三、频谱仪使用：Eb/N0测量223间接测量频谱仪本振相位噪声要优于对被测信号相位噪声的要求调整频谱仪中心频率，使被测载波位于屏幕中心调整参考电平使被测载波峰值点位于屏幕顶线频率宽度约为欲测频率偏移量的10倍频谱仪RBW设为频率偏移量的1/10调整频谱仪VBW，使噪声频谱比较光滑从频谱仪读出单边噪声密度L计算该频率偏移量的相位噪声密度相位噪声＝L＋1.7－10log（RBW）（单位dBc/Hz)三、频谱仪使用：相位噪声测量124直接用频谱仪测量频谱仪要安装有相应的硬件与软件三、频谱仪使用：相位噪声测量225三阶载波互调比（C/IM)测试在非线性放大器带宽范围内的两个等幅单载波、与它们所产生的三阶互调产物之间的电平差值定义为C/IM调整频谱仪，使两个单载波与两个三阶互调产物的峰值、以及噪声底都能落在显示范围内按PeakSearch，使光标落在较高的一个单载波上按MarkerDelta，并调整光标，使光标落在较高的一个三阶互调产物上两个光标之间的电平差值（dB数）即为互调比C/IM三、频谱仪使用：互调失真测试C/IM26测试方法测试信号通常为卫星信标地面天线的自动跟踪性能测量用手控方式调整方位角和俯仰角，使天线偏离卫星启动天线自动跟踪功能卫星信标的电平变化反映了自动跟踪天线的对星状态和精度“动中通”天线的跟踪性能测量“动中通”为能在行进中自动对星的车载天线跟踪性能测试应在特定的路况和驾驶条件下进行正极化的卫星信标电平主要随天线的指向角而变反极化的卫星信标电平随天线的指向角和极化角而变通过测试、记录并且比较正反极化卫星信标的电平变化，可以验证车载天线在行进中的跟踪性能和极化失准情况三、频谱仪使用：天线跟踪性能测量27三