近代电子测量技术频谱仪

频域丈量——频谱分析仪频谱分析仪是运用不同方法在频域内对信号的电压、功率、频率等参数进展丈量并显示的仪器。时间幅度(功率)频率时域丈量频域丈量频率与时域的关系以频谱方式显示出所测信号分解的每个正弦波的幅度随频率变化的情况就是频域丈量。频谱分析的根本概念广义上，信号频谱是指组成信号的全部频率分量的总集；狭义上，普通的频谱丈量中常将随频率变化的幅度谱称为频谱。频谱丈量：在频域内丈量信号的各频率分量，以获得信号的多种参数。频谱丈量的根底是付里叶变换。频谱的两种根本类型离散频谱〔线状谱〕，各条谱线分别代表某个频率分量的幅度，每两条谱线之间的间隔相等延续频谱，可视为谱线间隔无穷小，如非周期信号和各种随机噪声的频谱.调制失真噪声频谱分析的类型频谱分析仪的分类按分析处置方法：模拟式频谱仪、数字式频谱仪、模拟/数字混合式频谱仪；按根本任务原理：扫描式频谱仪、非扫描式频谱仪；按处置的实时性：实时频谱仪、非实时频谱仪；按频率轴刻度：恒带宽分析式频谱仪、恒百分比带宽分析式频谱仪；按输入通道数目：单通道、多通道频谱仪；按任务频带：高频、射频、低频等频谱仪。频段分配频谱分析仪是运用不同方法在频域内对信号的电压、功率、频率等参数进展丈量并显示的仪器。普通有实时分析法、非实时分析法两种实现方法。实时分析法实时分析法又包括：并行滤波式〔模拟〕FFT分析法〔数字〕频谱仪的实时与非实时分析并行滤波式每个滤波器之后都有各自的检波器，无需电子开关切换及检波建立时间，因此速度快，可以满足实时分析的需求。但是可显示的频谱分量数目取决于滤波器的数目，所以需求大量的滤波器。带通滤波器的性能目的〔一〕带宽通常是指3dB带宽，或称半功率带宽分辨率带宽〔RBW〕反映了滤波器区分两个一样幅度、不同频率的信号的才干RBW带通滤波器的性能目的〔二〕波形因子波型因子反映了区分两个不等幅信号的才干，也称带宽选择性波形因子定义为滤波器60dB带宽与3dB带宽之比。也可用40dB带宽与3dB带宽之比表示。波形因子较小的滤波器的特性曲线更接近于矩形，故波形因子也称矩形系数带通滤波器的性能目的〔三〕滤波器呼应时间〔建立时间〕信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的时间。通常用到达稳幅幅度的90％所需的时间TR来表述，它与绝对带宽B成反比：TR∝1/B。

宽带滤波器的呼应时间短，丈量速度快；窄带滤波器建立时间较长，但频率分辨率更高、信噪比好。呼应时间限制了频谱仪的扫描分析速度，影响实时频谱分析的实现。并行滤波器组处置〔基于模拟滤波器或FFT－数字滤波〕在特定时段中对时域数字信号进展FFT变换，得到频域信息并获取相对于频率的幅度、相位信息。可充分利用数字技术和计算机技术，非常适于非周期信号和继续时间很短的瞬态信号的频谱丈量。但其分析速率带宽受ADC采样速率限制，适宜分析窄带信号。FFT分析法实时(FFT)分析仪方框图非实时分析法在恣意瞬间只需一个频率成分能被丈量，无法得到相位信息。适用于延续信号和周期信号的频谱丈量。扫频式分析：使分析滤波器的频率呼应在频率轴上扫描。差频式分析〔外差式分析〕：利用超外差接纳机的原理，将频率可变的扫频信号与被分析信号进展差频，再对所得的固定频率信号进展丈量分析，由此依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。这是频谱仪最常采用的方法。

扫频外差方式频谱仪的实时与非实时分析〔二〕现代频谱仪将外差式扫描频谱分析技术与FFT数字信号处置技术相结合，兼有两种技术的优点：前端仍采用传统的外差式构造，而在中频处置部分采用数字构造，中频信号由ADC量化，FFT那么由通用微处置器或公用数字逻辑实现。这种方案充分利用了外差式频谱仪的频率范围和FFT优秀的频率分辨率，使得在很高的频率上进展极窄带宽的频谱分析成为能够，整机性能大大提高。滤波器扫描测试外差式频谱仪外差式频谱仪的组成输入通道中频信号预处置检波器视频滤波器踪迹处置主要技术参数参数之间的相互关系外差式频谱仪的频率变换原理与超外差式收音机一样：利用无线电接纳机中普遍运用的自动调谐方式，经过改动扫频本振的频率来捕获待测信号的不同频率分量。也称扫频外差式频谱仪。扫频外差式方案是实施频谱分析的传统途径，在高频段占据优势位置。外差式频谱分析仪频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变，是目前频谱仪中数量最大的一种。由于被分析的频谱依次被顺序采样，因此不能进展实时分析。这种分析仪只能提供幅度谱，不能提供相位谱。外差式频谱仪的组成包括输入通道、混频电路、中频处置电路、检波和视频滤波等部分。输入通道〔一〕输入通道也称前端，主要由输入衰减、低噪声放大、低通滤涉及混频等几部分组成，功能上相当于一台宽频段、窄带宽的外差式自动选频接纳机。用于控制加到仪器后续部分的信号电平，并对输入信号取差频以获得固定的中频。输入衰减：一方面防止因信号电平过高而引起的失真，同时起到阻抗匹配的功能，尽能够降低源负载与混频器之间的失配误差低噪声放大：对输入电平进展调整，保证混频器输入电平满足一定的幅度要求，获得较佳混频效果输入通道〔二〕频率变换原理输入通道〔二〕外差式频率变换原理|fL±fX|=fI假设输入频率的范围大于2fI，将与镜频在本振处交叠。通常的频谱仪输入频率非常宽，普通的抑制镜频滤波器难以实现调谐。处理方法是选择高中频，本振频率也相应提高输入通道〔三〕抑制镜频的高中频处理方案镜频范围远在输入频率范围之上，两者不会交叠；中频频率越高，镜频距本振越远，可防止因交叠而带来的滤波器实现问题。因此用固定调谐的低通滤波器在混频之前滤去镜频即可高中频很难实现窄带带通滤波和性能良好的检波，需求进展多级变频〔混频〕处置。第一混频实现高中频频率变换，再由第二、三级甚至第四级混频将固定的中频逐渐降低。每级混频之后有相应的带通滤波器抑制高次谐波交调分量。利用更多级的变频实现频率扩展〔2～4级〕利用谐波混频进一步扩展频率中频信号预处置〔一〕中频信号预处置主要是在被检测之前完成对固定中频信号的自动增益放大、分辨率滤波等处置。中频滤波器的带宽通常可程控，以提供不同的频率分辨率。中频信号幅度调理：由自动增益电路完成。末级混频的增益必需可以以小步进精细调理，以坚持后续电路中的最大信号电平固定而不受前端的影响。中频滤波器：用于减小噪声带宽、分辨各频率分量。频谱仪的分辨率带宽由最后一个中频滤波器的带宽决议。数字滤波器选择性较好、没有漂移，可以实现极稳定的窄分辨率带宽。中频信号预处置〔二〕AgilentESA-E系列频谱分析仪原理图AgilentPSA系列频谱分析仪原理框图AgilentPSA系列频谱分析仪全数字中频部分原理框图检波器〔一〕在模拟式频谱仪中，采用检波器来产生与中频交流信号的电平成正比的直流电平，以获取待测信号的幅度信息。常用包络检波器。最简单的包络检波器由一个二极管和一个并联RC电路串接而成。只需恰当地选择检波器的R、C值，就可获得适宜的时间常数以确保检波器跟随中频信号的包络变化而变化。频率扫描速度的快慢也会对检波输出产生影响，扫速太快会使检波器来不及呼应。检波器〔二〕频谱分析仪有时域功能可用，此时扫频宽度设置成零扫频带宽〔ZeroSpan〕。视频滤波器〔一〕视频滤波器用于对显示结果进展平滑或平均，以减小噪声对信号幅度的影响。根本原理：视频滤波器本质是低通滤波器，它决议了驱动显示器垂直方向的视频电路带宽。当视频滤波器的截止频率小于分辨率带宽时，视频系统跟不上中频信号包络的快速变化，因此使信号的起伏被“平滑〞掉。运用：主要运用于噪声丈量，特别是在分辨率带宽〔RBW〕较大时。减小视频滤波器的带宽〔VBW〕将减弱或平滑噪声峰-峰值的变化，当VBW/RBW<0.01时，平滑效果非常明显。视频滤波器〔二〕视频滤波视频带宽使噪声变得平滑，从而可以更简便地识别非常小的信号踪迹处置〔一〕频谱仪进展一次扫描所得的频谱图的迹线即“踪迹〞〔Trace〕，也有“扫迹〞、“轨迹〞、“轨迹线〞等不同译法。标志〔Marker〕：踪迹上特定的幅度点或频率点借助标志功能可以非常方便、直观地实现多种功能，如找最大/最小值、丈量相对幅度或频率等，并有助于改善相对丈量精度、减小读数误差。踪迹平均处置：为了平滑图像、降低噪声，对同一输入信号多次扫描所得的踪迹进展的处置。踪迹平均的根本算法是未来自多个踪迹的一样频点上的数据一一进展加权平均，构成一个平滑踪迹。两种踪迹平均线性加权踪迹平均：即算术平均，采用一样的加权系数，是一种最便利的数据加权计算。其中：n——加权因子，即进展平均的踪迹数目Aavg——平均后的踪迹值Si——未经平均的各次踪迹的丈量值，i=1,2,…,n踪迹处置〔二〕踪迹处置〔三〕指数加权踪迹平均：也称扫描平均、视频平均，是在每个扫描点上采用指数加权的方法得到新的平均踪迹。指数加权的原那么是最新〔最近〕的踪迹样本或记录的权最重，先前踪迹的样本或记录的权依序呈指数减小。计算式如下：其中n——加权平均因子，即已完成扫描的踪迹数Aavg——平均之后的踪迹值Sn——未经平均的当前踪迹的丈量值An-1——前一次扫描的平均踪迹值外差式频谱仪的主要性能目的输入频率范围频率扫描宽度频率分辨率频率精度扫描时间相位噪声/频谱纯度幅度丈量精度动态范围灵敏度/噪声电平本振直通/直流呼应本底噪声1dB紧缩点和最大输入电平频率目的幅度目的频谱仪能正常任务的最大频率区间。现代频谱仪的频率范围通常可从低频段至射频段，甚至微波段。下限频率由本振馈通所影响；上限频率由本振扫描范围及中频频率决议毫米波段的输入频率可由谐波混频至较低的频段来进展处置。频率目的〔一〕输入频率范围频率目的〔一〕频率扫描宽度〔Span〕另有分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等不同叫法。通常根据测试需求自动调理，或人为设置。扫描宽度表示频谱仪在一次丈量〔也即一次频率扫描〕过程中所显示的频率范围，可以小于或等于输入频率范围。频率目的〔二〕频率分辨率〔Resolution〕表征了将最接近的两个相邻频谱分量分辨出来的才干。主要由中频滤波器的带宽〔即RBW〕决议，但最小分辨率还受本振频率稳定度的影响。对滤波式频谱分析仪而言，中频滤波器的3dB带宽决议了可区分的两个等幅信号的最小频率间隔。假设区分不等幅信号，分辨率就与滤波器的外形因子有关。现代频谱仪通常具有可变的RBW，按照1-3-9或1-2-5的典型步进变化。最小的一档RBW值就是频率分辨率目的，如90Hz。数字滤波器模拟滤波器跨度3kHzRESBW100HzRBW(1)RBW(2)3dB10kHz10kHzRBWRBW(3)10kHzRBW=10kHzRBW=1kHz10kHz失真产物60dBBW=15kHz7.5kHz3dB60dBRBW(4)显示的噪声基底与RBW成正比，更窄的RBW意味着更高的灵敏度！RBW(5)频率目的〔三〕频率精度即频谱仪频率轴的读数精度，与参考频率〔本振频率〕稳定度、扫描宽度Span、分辨率带宽RBW等多项要素有关：其中：Δf——绝对频率精度，单位Hz；γref——参考频率〔本振频率〕相对精度；fx——频率读数；N——完成一次扫描所需的频率点数；A%——Span的精度，B%——RBW的精度，C——频率常数。不同的频谱仪有不同的A、B、C值。频率目的〔四〕扫描时间〔SweepTime，简作ST〕即进展一次全频率范围的扫描、并完成丈量所需的时间，也叫分析时间。通常扫描时间越短越好，但为保证丈量精度，扫描时间必需适当。与扫描时间相关的要素主要有频率扫描范围、分辨率带宽、视频滤波。现代频谱仪通常有多档扫描时间可选择，最小扫描时间由丈量通道的电路呼应时间决议。频率目的〔五〕相位噪声/频谱纯度相位噪声简称相噪，是频率短期稳定度的目的之一，反映了极短期内的频率变化程度，表现为载波边带，所以也称边带噪声。通常用在源频率的某一频偏上相对于载波幅度下降的dBc数值表示。相噪由本振信号频率或相位不稳定引起，还与分辨率带宽有关：RBW减小，相噪相应降低。有效设置频谱仪参数可使相噪到达最小，但无法消除。相噪也是影响频谱仪分辨不等幅信号的要素之一。相噪幅度目的〔一〕幅度丈量精度有绝对幅度精度和相对幅度精度之分，均由多方面要素决议。绝对幅度精度是针对满刻度信号的目的，受输入衰减、中频增益、分辨率带宽、刻度逼真度、频响及校准信号本身的精度等的综合影响；相对幅度精度与丈量方式有关，在理想情况下仅有频响和校准信号精度两项误差来源，丈量精度可以到达非常高。仪器在出厂前要经过校准，各种误差已被分别记录下来并用于对实测数据进展修正，显示出来的幅度精度已有所提高。幅度目的〔二〕动态范围〔DynamicRange〕即同时可测的最大与最小信号的幅度比。动态范围受限于输入混频器的失真特性、系统灵敏度和本振信号的相位噪声，其上限由频谱仪的非线性失真决议。当输入信号大到足以忽略频谱仪的热噪声效应时，那么在较小的载波频偏处，系统的动态范围只取决于本振相位噪声；系统固有相噪会随载波频偏的添加而减小，因此在较大频偏处，动态范围更多地受灵敏度和混频器失真特性的影响。本底噪声〔NoiseFloor〕/灵敏度本底噪声来自频谱仪内部的热噪声，也叫噪底，是系统固有噪声，也是频谱仪灵敏度的量度。本底噪声会导致输入信号信噪比下降，它在频谱图中表现为接近显示器底部的噪声基线，常以dBm为单位。频谱仪在特定的分辨率带宽下，或归一化到1Hz带宽时的本底噪声，常以dBm为单位。灵敏度目的描画了频谱仪在没有输入信号时因内部噪声而产生的读数，常用最小可测的信号幅度来代表，数值上等于显示平均噪声电平〔DANL〕。幅度目的〔三〕幅度目的〔四〕1dB紧缩点1dB紧缩点：在动态范围内，因输入电平过高而引起的信号增益下降1dB时的点。1dB紧缩点阐明了频谱仪过载才干。通常出如今输入衰减0dB的情况下，由第一混频决议。输入衰减增大，1dB紧缩点的位置将同步增高。为防止非线性失真，所显示的最大输入电平〔参考电平〕必需位于1dB紧缩点之下。最大输入电平最大输入电平反映了频谱仪可正常任务的最大限制，它的值普通由通道中第一个关键器件决议：0dB衰减时，第一混频是最大输入电平的决议性要素；衰减量大于0dB时，最大输入电平的值反映了衰减器的负载才干。本振馈通当本振频率与中频的中心频率一样或非常接近时，这个对应于零频〔直流〕输入的本振信号将经过中频滤波器，即本振馈通。因频谱仪本振馈通而产生的直流呼应。对这种零频呼应的电平，通常用相对于满刻度呼应的dB数度量。频谱仪的低端频率距零频较远〔如90KHz〕时，该目的可以略去。本振馈通将被检涉及信号处置电路处置并进展显示，它通常可作为０Hz频率标志！幅度目的〔五〕参数之间的相互关系〔一〕频谱仪的各项参数设置不是孤立的。为了防止引入丈量误差，正常任务时这些参数相互之间以某种方式“联动〞〔Coupling〕设置，即只需改动其中任何一项，其他各项参数都会随之自动变化。扫描时间、扫描宽度、频率分辨率、视频带宽由于运用了滤波器，扫描时间受限于中频滤波器和视频滤波器的呼应时间。假设不满足所需的最短扫描时间，滤波器未到达稳态，会导致信号的幅度损耗和频率偏移。为防止因此引起的丈量误差，分辨率带宽RBW、视频带宽VBW、扫描时间ST及扫描宽度Span该当联动设置。扫描速度太快的代价是显示结果没有经过校准扫描速度太快

RBW决议着丈量时间参数之间的相互关系〔二〕VBW>RBW时：ST不受视频滤波器的影响。此时，中频滤波器的呼应时间仅与RBW2成反比：其中K为比例因子，取值与滤波器类型及其呼应误差有关。例如：4级或5级级联的模拟滤波器，K取2.5；高斯数字滤波器，K可取值1甚至小于1VBW<RBW时：所需的STmin受限于视频滤波器的呼应时间。VBW越大，视频滤波器的呼应越短，ST相应也越小，VBW与ST成线性反比。参数之间的相互关系〔三〕默许的VBW设置原那么：在保证不添加ST的前提下尽最大能够实现滤波平均。当K=2.5时，应有RBW/VBW≤1；假设运用数字滤波器〔取K=1〕，为了确保视频滤波器的稳定，应有RBW/VBW≤0.3。参数部分联动设置的阅历公式正弦信号丈量——RBW/VBW=0.3～1脉冲信号丈量——RBW/VBW=0.1噪声信号丈量——RBW/VBW=9大多数当今的分析仪器自动结合扫频时间和宽度以及分辨率带宽设置。VBW/RBW分别为3:1,1:10,1:100时的平滑效果参数之间的相互关系〔四〕输入衰减、中频增益、参考电平频谱仪的幅度丈量上限由允许输入的最大电平决议，下限取决于仪器固有噪声或本底噪声。由于放大、检涉及A/D转换器件的动态范围都很小，不能够在同一次丈量的设置下同时到达这两个限制。用户会根据不同需求选择最大显示电平〔参考电平〕。输入衰减、中频增益是两个决议性要素。参数之间的相互关系〔五〕输入信号过大能够导致第一混频受损，因此高电平输入必需衰减，衰减量取决于第一混频及其后续部分的动态范围。混频器电平过高，失真产生的频率分量将会干扰正常显示；衰减量过大那么会导致信噪比降低，减小动态范围。因此，输入衰减及中频增益的选择需折中思索。实践运用中，即使参考电平非常低，通常也会将输入衰减设置为最小值〔如9dB〕，以获得较好的匹配，提高幅度丈量精度。频谱分析的操作超越限制功率或含有直流成份的信号是非常危险的！！！典型频谱分析仪的显示运用频谱分析仪

进展丈量相位噪声丈量脉冲信号丈量信道和邻道功率丈量除了完成幅度谱、功率谱等普通的丈量功能外，频谱仪还可以用于对如非线性失真、相位噪声、邻道功率、调制度等频域参数进展丈量。相位噪声丈量相位噪声是本振短期稳定度的表征，也是频谱纯度的一个重要度量目的。它通常会引起波形在零点处的抖动，在时域中不易区分，而在频域中表现为载波的边带，所以常在频域内进展丈量。显示出该信号的频谱，找出信号的中心频率的功率幅度；适中选择扫频宽度，使能显现出所需宽度的两个或一个噪声边带；分辨带宽的视频带宽宜尽量取小，以减小载波谱线宽度和边带中噪声的高度而又不感到载波谱线有明显晃动；纵轴采用对数刻度并调参考电平将谱线顶端调到刻度的顶部基线。相位噪声丈量过程〔一〕利用可挪动的光标读出谱线顶端电平C〔dBm〕和一个边带中指定偏移频率fm处噪声的平均高度的电平N〔dBm〕求出其差值〔N-C〕dB；再加上必要的修正。相位噪声丈量过程〔二〕第一个修正项：这里读出的噪声电平N是等效带宽B内经过的总噪声电平；折合成每1Hz带宽应加修正项〔-10logB〕；第二个修正项：频谱仪的纵细刻度读数是按测正弦信号校准的，测噪声时频谱仪的峰值检波器和对数放大器将使噪声电压有效值和功率电平读数偏低约2.5dB；应加“频谱仪效应〞修正项〔＋2.5dB〕；相位噪声丈量过程〔三〕相位噪声为：〔N－C〕dB-10lgB＋2.5dBc／Hz相位噪声丈量过程〔四〕几点限制此方法不能从相位噪声中排除调幅噪声，故调幅噪声必需小于相位噪声l0dB以上，才干正确运用；能丈量〔C-N〕的范围受频谱仪动态范围限制，即频谱仪本振的噪声电平必需比被测信号源的噪声低得多；丈量近载频噪声受频谱仪带宽限制。此法最适于丈量漂移较小但相应噪声相对较高的信号源。脉冲信号丈量脉冲信号是雷达和数字通讯系统中的一类重要信号，它的丈量比延续波形困难。假设采用窄分辨带宽进展频谱丈量，将呈现出离散的谱线；假设采用较宽的分辨带宽，这些谱线就会连成一片。可见，不同的频谱仪设置能够对同一个脉冲信号的丈量结果产生不同影响。脉冲信号丈量原理〔一〕单脉冲的付氏变换具有采样函数的曲线外形：其中τ为脉冲宽度。频谱的零点发生在1/τ的整数倍处，频谱幅度与脉冲宽度成正比，即脉冲越宽，能量越大。脉冲信号丈量原理〔二〕脉冲信号V(f)的谐波位于波形基频〔即1/T的整数倍〕处，波形周期称为脉冲反复频率PRF，有PRF=1/T。谐波的总体外形或包络与单脉冲的付氏变换一样，呈现采样函数特性，并在1/τ的整数倍处出现频谱包络的零点。时域中的反复脉冲频域中的脉冲串频谱线状谱与包络谱当频谱仪的分辨率带宽RBW比脉冲谐波的频率间隔PRF窄时，频谱仪可以区分每一条谐波的谱线，因此将清楚地显示出脉冲波形的线状谱。窄RBW可改善信噪比，显示结果与信号实践频谱非常接近。改动扫描宽度能使被测频谱适当地加宽或变窄，但改动扫描时间不会影响频谱的外形。在用户并不过多关怀单独谱线的情况下，经过选择较宽的RBW〔如大于脉冲谐波的PRF〕，频谱仪可以显示脉冲波形的包络而不展现谱线的细节，这类频谱叫做包络谱或脉冲谱。脉冲丈量的