频谱仪的基本原理与操作

频谱仪的基本原理与操作通信网络中心刘远丰内容安排信号分析简介频谱仪的工作原理频谱仪各功能单元简介频谱仪的正确使用频谱仪的操作应用举例提高测量精度的技巧信号分析简介信号的分类：按表现形式分：连续波信号，模拟调制信号，数字调制信号，噪声信号。对信号的分析包括：时域分析频域分析调制域分析信号分析简介对信号的分析信号分析简介频域测量的意义描述信号最直接的途径是采用时域表征方式（如示波器）。描述信号另一个途径是利用频域表征方式，傅里叶理论将时域和频域表征联系起来，适当利用傅里叶级数、付式变换和离散付式变换（DFT）能将时域函数X(t)变换成频域函数X(f)。信号分析简介频域测量的意义频域测量较之时域测量具有更高的灵敏度。由于窄带频域测量带宽几乎可以被任意压缩，故能大大减少测量中的噪声，窄带测量还能除去某些频率上的强干扰信号。某些系统原本就与频域有关，如：电信系统中所用的频分复用系统（FDM）。信号分析简介频域测量的意义多重信号在频域中更容易分离。利用频谱仪能区分这些频率成分并精确加以测量，而用示波器则难以做到。一般而言时域得到的是信号的波形信息，不适合测量混合信号和复杂信号，如AM信号、QPSK信号。频域得到的是信号的频域分布信息。信号分析简介频域测量的意义

左上图的信号幅度和相位无规则变化，在时域中测量很难获得有用的信息。可以把这个复杂的信号看作是两个不同频率和幅度的两个信号（右上图）的合成，然后在频域中表示出来（下图），这样就可以很清楚地了解该混合信号的构成。频谱仪的工作原理频谱仪的定义：一切信号，不管它是编码型的、发射型的或是其它什么类型的；不管是周期重复的、瞬态的还是随机的，其基本参数之一就是频谱特性。用于频域内分析这些信号参数的仪器叫做频谱仪。或者说频谱仪是把信号的能量作频率的函数显示出来的测量仪器。它实质上是一台被校准于正弦波有效值的峰值响应的选频电平表。频谱仪的工作原理信号的频域指标：信号功率信号频率相位噪声杂波抑制谐波抑制……频谱仪的工作原理频谱仪的工作原理频谱仪的工作原理频谱仪的分类：按照工作原理分，频谱仪有两种基本的类型：实时频谱仪和扫频调谐式频谱仪。实时频谱仪包括多通道滤波器（并联型）频谱仪和FFT频谱仪。扫频调谐式频谱仪包括扫描射频调谐型频谱仪和超外差式频谱仪。频谱仪的工作原理实时频谱仪实时频谱仪能同时显示其现实频率内的所有频率分量，而且保留了相位信息，不仅能分析周期信号、随机信号，而且能分析瞬时信号，显示相位关系。频谱仪的工作原理多通道频谱仪多通道频谱仪：信号同时送到每一个滤波器，滤波器的输出表示输入信号中进该滤波器通带内的那部分能量，显示出各滤波器通带内的信号的合成信号。优点：速度快，可构成实时测量系统。缺点：由于受滤波器数量及带宽限制，这类频谱仪主要工作在音频范围。频谱仪的工作原理FFT频谱仪

FFT频谱仪的核心是以函数进行快速傅里叶变换的数学计算为基础的计算机分析。能完成多通道滤波器式频谱仪相同的功能。一般工作在DC~100kHz的低频段。优点：可测非周期信号，保留相位信息。缺点：相对来说频率范围小、灵敏度低、动态范围小。频谱仪的工作原理FFT频谱仪的结果示例频谱仪的工作原理扫描调谐式频谱仪这类频谱仪对输入信号按时间顺序进行调谐，因此只能分析在规定的时间内频谱几乎不变化的周期重复信号。频谱仪的工作原理扫描射频调谐型频谱仪利用中心频率可电调的带通滤波器来调谐和分辨输入信号。这类频谱仪价格便宜，但分辨率、灵敏度都较差。频谱仪的工作原理超外差式频谱仪应用最广泛的是超外差式频谱仪，它是按外差方法选择所需频率分量，这种方法固定中频，只改变本振频率，这类频谱仪频率分辨率、灵敏度和测量频率范围都比较好。频谱仪的工作原理超外差式频谱仪频谱仪的工作原理超外差式频谱仪超外差式频谱分析仪通过内部混频器和本地振荡器L信号将输入信号转换到固定的中频，然后在此基础上进行信号处理。通过扫描本地振荡器的中心频率达到在频率上扫描输入信号。输入信号被转换成中频信号后信号需要经过放大和滤波，频谱仪的RBW就是中频滤波器，它是一个带通滤波器。为了允许一个宽电平范围信号同时在屏幕上显示，中频信号用对数放大器来压缩。频谱仪的工作原理超外差式频谱仪中频信号经过包络检波后变成基带信号，频谱仪的视频滤波器VBW是基带信号滤波器，它是一个低通滤波器。由于从起始频率到终止频率扫描点的数量远远大于仪器能够显示的象素点，测量点到显示点之间有个对应关系，称作检波。压控振荡器的振荡频率（本振频率）和实际的射频频率之间有一个对应关系，信号处理也有一定延迟，因此显示和压控振荡器之间需要同步。频谱仪各功能单元简介RF输入衰减器输入衰减器有机械的，也有电子的，其步进一般为10dB和5dB，有些频谱仪提供2dB步进调节。输入衰减器位于输入信号和第一个混频器之间，用于调节到达第一个混频器的信号电平大小，以防止由于电平过高或宽带信号引起混频器增益压缩或失真。频谱仪各功能单元简介混频器三端口器件，把信号从一个频率变换成另一个频率。输入信号有两个，分别是输入信号fin和本振信号fL。由于混频器是非线性器件，它的输出是这两个频率的和或差。我们感兴趣是这两个频率的差，即中频信号fIF。混频器调谐公式：fin=fL-fIF

。频谱仪各功能单元简介混频器频谱仪各功能单元简介混频器由于输入信号频率、本振信号频率和中频信号频率有一个固定关系，而中频频率是固定的，本振信号频率变化就等于输入信号频率变化，扫描式频谱分析仪是通过扫描本振（即调谐本振频率）来实现输入信号在一段频率范围内的扫描的。当一个待测试的单载波信号输入到频谱仪，实际上测量到的是中频滤波器幅频特性的形状，即实际测量的结果是中频滤波器幅频特性和输入信号的卷积。频谱仪各功能单元简介低通滤波器防止高频信号进入混频器，同时也抑制中频频率的信号进入混频器，以免产生假响应。例如：fIF=3.6GHz，fL=3.6GHz~6.5HGz，fin=0~2.9GHz的情况，如果输入端同时有1GHz和8.2GHz信号，则：对于1GHzfL=fIF+fin=4.6GHz

对于8.2GHzfL=fIF+fin=4.6GHz频谱仪各功能单元简介中频滤波器带通滤波器，可看成是一个探测信号的窗口，它的带宽也叫作频谱仪的分辨率带宽(RBW)。通常中频带宽越小越好，因为RBW减小，分辨信号的能力就越强，同时提高了信噪比（SNR），但同时扫描时间也会增加，所以选择RBW要根据实际情况确定。频谱仪各功能单元简介中频滤波器频谱仪各功能单元简介中频放大器输入信号经过了前置衰减器，电平降低，为了恢复信号幅度，补偿输入衰减器的变化，在混频器后对中频信号进行放大，在放大有用信号的同时，噪声和干扰信号也被同时放大。对数放大器对数放大器按照对数函数来压缩信号电平（对于输入电压幅度v,输出电压幅度为logv），这大大减小了由检波器所检测的信号电平变化，而同时向用户提供校准成用分贝读数的对数垂直刻度，在频谱分析仪中，由于信号电平大幅度变化，故需要采用对数刻度。频谱仪各功能单元简介视频滤波器视频滤波器在包络检波器之后，视频滤波器决定了视频带宽。视频滤波器是一级低通配置，用于从视频信号中滤除噪声，平滑轨迹，从而使显示结果稳定。和分辨率带宽类似，视频带宽也会限制最大允许的扫描速度，要达到最小的扫描时间需要增大视频带宽。对于有足够信噪比的情况下测量信号，经常选择VBW与RBW相等。在低S/N的情况下，可以通过减小VBW来稳定显示，弱信号会在频谱中突现出来并且稳定可再现。在测量正弦信号时，减小VBW，对电平无影响。频谱仪各功能单元简介视频滤波器VBW=30KHzVBW=300Hz频谱仪各功能单元简介上述各单元如何工作？频谱仪各功能单元简介上述各单元如何工作信号从输入端输入，经过衰减器、低通滤波器后与本振混频变成中频信号，中频信号经过IF滤波器后，然后被检波，检波器的输出电压驱动CRT的垂直偏转系统。扫描发生器在显示水平轴和本振的调谐之间提供同步。频谱仪各功能单元简介抑制镜像频率的影响现代频谱仪在射频前端采用一个滤波器，将低于3.6GHz和高于3.6GHz的信号分开。低于3.6GHz的信号采用高中频方案，即第一次变频时将输入信号频率变高，然后再将它变低；高于3.6GHz信号采用低中频方案，即第一次变频时将输入信号频率变低。输入前端使用可调的YIG带通滤波器来滤除镜像频率的干扰，YIG滤波器通过调节的电流来改变电感，进而改变中心谐振频率。频谱仪各功能单元简介抑制镜像频率的影响频谱仪各功能单元简介抑制镜像频率的影响根据输入信号的频率，通过频谱仪前端的滤波器，对低波段信号和高波段信号采取不同的频谱测量方法。一般而言，对于9kHz~3.6GHz的频率范围采用高中频方案，即第一次变频时将输入信号频率变高，然后再将它变低；对高于3.6GHz的频率范围采用低频方案，即第一次变频时将输入信号频率变低。频谱仪的正确使用由于频谱仪是一种比较贵重的综合性仪器，一般每台价格都在二十万元以上，一旦损坏，相应的维修费用比较高，且维修周期比较长，因此使用时应格外小心。首先，对于频谱仪来说电源是非常重要的，在给频谱仪加电之前，一定要确保电源接法正确，保证地线可靠接地。频谱仪配置的是三芯电源线，开机之前，必须将电源线插头插入标准的三相插座中，千万不要使用没有保护地的电源线，以防止可能造成的人身伤害。频谱仪的正确使用其次，在对信号进行精确测量前，开机后应预热三十分钟，当测试环境温度改变3~5度时，频谱仪应重新进行校准。第三，任何频谱仪在输入端口都有一个允许输入的最大安全功率，称为最大输入电平。一般频谱仪的最大输入电平值通常在前面板靠近输入连接口的地方标出。频谱仪的正确使用若输入信号值超出了频谱仪所允许的最大输入电平值，则会造成仪器损坏。对于不允许直流输入的频谱仪，若输入信号中含有直流成份，则也会对频谱仪造成损伤。频谱仪的正确使用如果频谱仪不允许信号中含有直流电压，当测量带有直流分量的信号时，应外接一个恰当数值的电容器用于隔直流。频谱仪的正确使用当对所测信号的性质不太了解时，可采用以下的办法来保证频谱仪的安全使用：如果有RF功率计，可以用它来先测一下信号电平；如果没有功率计，则在信号电缆与频谱仪的输入端之间应接上一个一定量值的外部衰减器，频谱仪应选择最大的射频衰减和可能的最大基准电平，并且使用最宽的频率扫宽(SPAN)，保证可能偏出屏幕的信号可以清晰看见；也可以使用示波器、电压表等仪器来检查DC及AC信号电平。频谱仪的操作在使用之前，要先了解清楚频谱仪的频率适用范围，根据待测信号的大概频率范围来选择合适的频谱仪。以安捷伦的ESA系列频谱仪为例，不同的型号其频率适用范围有所区别。

频谱仪的操作在开启频谱仪准备测量之前，要根据频谱仪的说明对机器进行预热，一般的预热时间为5分钟，不同的频谱仪具体有所差别。预热的目的是使频谱仪满足工作温度条件，以确保其符合技术指标。每当频谱仪仪通电时，仪器的内部对准例程会自动进行。一般来说频谱仪从工厂发货时，其“对准”模式已设置为Auto（自动）、AlignAll（全部对准）。如果想执行手动对准，可以选择“Alignments”项进行。具体的操作可参考频谱仪的说明。安捷伦的ESA系列操作：按SYSTEM（系统）

Alignments（对准）

AlignNow（现在对准）

All（全部）频谱仪的操作一般的频谱仪都有打印接口，可连接一定型号的打印机进行结果打印输出。（一般而言会接受PLC3和PLC5打印机控制语言类型的打印机，具体查看频谱仪的随机文档）连接上打印机之后，按PrintSetup（打印设置），然后按PrinterType（打印机类型）菜单键进行设置。打印机类型一般有：None 禁止打印到打印机Custom 自定义，可自定义打印机的特性，如PCL级别和彩 色功能Auto 自动尝试识别所连接的打印机完成打印机设置后，按PrintSetup（打印设置），然后按前面板上的Print（打印）。如果打印机已经就绪并且打印机设置成功完成，则分析仪屏幕内容会打印出来。如果打印机没有就绪，则分析仪屏幕上会出现出错消息提示。频谱仪的操作高级的频谱仪都文件保存和查看功能，其数据的存储与检索和PC类似，可以在内部存储和外部存储介质（老型号为软盘驱动器，新型号为U盘）中进行数据存储和检索，还可以建立目录和子目录。频谱仪一般有三个默认的目录：状态目录，用于存储分析仪的设置。轨迹目录，用于存储轨迹信息。屏幕目录，用于以.gif或.wmf

格式保存从屏幕捕获的图像。频谱仪的操作按File（文件）

Catalog（类别），得到如图所示的屏幕。频谱仪的操作按File（文件）

CreateDir创建目录），具体的操作路径请参考频谱仪的随机文档。在完成频率测量或设定好轨迹等操作之后，可以将结果保存成文件。按File（文件）

Save（保存）。在选择要保存的文件的类型，一定要选择正确的文件类型。要读取已保存的文件，按File文件）

Load（读取）。要注意，不是所有的文件类型都可以用频谱仪读取的，例如，屏幕文件和CSV（逗号分隔值）文件就不能，CSV和屏幕文件是由PC使用的。要删除文件，按File（文件）

Delete（删除）。频谱仪的操作部分高级的频谱仪还有编程功能，能够通过RS-232或GPIB等接口进行外部连接实施控制（一般都通过PC）。可过PC对频谱仪的测量功能进行编程，可针对特定的频率进行更适合更便捷的全自动扫描处理。编程功能根据频谱仪的不同而各不相同，因此不累述，请参考频谱仪的技术手册。频谱仪的操作影响频谱分析仪幅度谱迹线显示的因素有频率和幅度两方面。与频率显示有关的频谱仪指标：扫描宽度：表示频谱仪在一次测量（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。通常根据测试需要自动调节，或手动设置。频率分辨率：能够将最靠近的两个相邻频谱分量（两条相邻谱线）分辨出来的能力。扫描时间：进行一次全频率范围的扫描、并完成测量所需的时间。通常希望扫描时间越短越好，但为了保证测量精度，扫描时间必须适当。与扫描时间相关的因素主要有扫描宽度、分辨率带宽、视频滤波。相位噪声：反映了频率在极短期内的变化程度，表现为载波的边带。相噪由本振频率或相位不稳定引起，本振越稳定，相噪就越低；同时它还与分辨率带宽RBW有关，RBW缩小10倍，相噪电平值减小10dB。通过有效设置频谱仪，相噪可以达到最小，但无法消除。频谱仪的操作与频率显示有关的频谱仪功能设置键：Span：设置当前测量的频率范围。中心频率：设置当前测量的中心频率。RBW：设置分辨率带宽。通常RBW的设置与Span联动。频谱仪的操作与幅度显示有关的频谱仪指标：动态范围：同时可测的最大与最小信号的幅度之比。通常是指从不加衰减时的最佳输入信号电平起，一直到最小可用的信号电平为止的信号幅度变化范围。灵敏度：灵敏度规定了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。灵敏度指标表达的是频谱仪在没有输入信号的情况下因噪声而产生的读数，只有高于该读数的输入信号才可能被检测出来。参考电平：频谱仪当前可显示的最大幅度值，即屏幕上顶格横线所代表的幅度值。频谱仪的操作与幅度显示有关的频谱仪功能设置键：纵坐标类型：选择纵坐标类型是线性（V、mV、μV等）还是对数（dB、dBc、dBm、dBv、dBμv等）。刻度/div：选定坐标类型之后，选择每格所代表的刻度值。参考电平：确定当前可显示的最大幅度值，该值的单位与已选择的坐标类型相同。应用举例测量频谱仪的参考输出信号：如频谱仪的参考输出信号为10MHz，0dBm（最小值）时基参考信号，步骤如下：将后面板10MHzREFOUT（10MHz参考输出）连接到前面板输入；将参考电平设置为10dBm：按AMPLITUDE（幅度）

10dBm；将中心频率设置为30MHz：按FREQUENCY（频率）

CenterFreq（中心频率）

30MHz；

应用举例10MHz参考信号频谱出现在显示屏上：

应用举例将频率跨度设置为50MHz：按SPAN

50

MHz。此时会显示如图的信号：

应用举例读取频率和幅度：将标记（标为1）放到10MHz峰值处，如图所示。按PeakSearch（峰值搜索）。注意，标记的频率和幅度会出现在活动功能区中以及屏幕的右上角。可使用旋钮、箭头键或PeakSearch（峰值搜索）菜单中的软键移动标记。按Esc清除显示屏上的值。

应用举例修改参考电平：按AMPLITUDE，会看到参考电平(RefLevel)变成活动功能。按Marker

Mkr

RefLvl（标记

参考电平）。注意，更改参考电平会改变顶部格线的幅度值。如图4显示了中心频率和参考电平间的关系。更改中心频率会使显示屏上信号的水平位置发生变化。更改参考电平会使显示屏上信号的垂直位置发生变化。增加跨度会增加横跨显示屏的频率范围。应用举例增加频率准确度：活动功能区中小数点后面的零并不都是有效的，但在标记注释（屏幕右上角）中小数点后的数字是有效的。要增加标记注释中频率读数的准确度，通过按FreqCount（频率计数）来打开频率计数功能。如图所示：标记注释从Mkr1（标记1）更改为Cntr1（计数器1），标记注释中显示的分辨率会提高。注意：如果分辨率带宽与跨度的比率小于0.002，则会有出错信息提示。应用举例有效标记计数范围：按Marker

Mkr

CF（标记

中心频率），将10MHz峰值移到显示屏中心。将标记向下移动到10MHz峰值附近。注意，尽管活动功能中的读数发生变化，但只要标记至少高于噪声26dB，计数值（显示屏右上角）就不会改变。为获得准确计数，标记不必恰好位于峰值处。按BW/Avg（带宽/平均）、ResBW（分辨率带宽），然后输入新值。此操作使分辨率带宽成为活动功能，使您可以尝试不同的分辨率带宽值。按Marker（标记）、Off（关闭）以关闭标记。注意，在正确设置分析仪以显示信号之后，可以将设置值保存为用户预设（按System（系统）

PowerOn/Preset（接通电源/预设）

SaveUserPreset（保存用户预设））。应用举例应用举例测量民航C波段TES卫星系统OCC信号(70.015MHz)：在确保电源及中频信号线连通（中频信号接入INPUT50Ω的N型头，注意不可有直流信号接入！！！）的状况下，按前面板的“ON”键（左下角），开启频谱仪；正常情况下自检等过程需要近2分钟时间，等待屏幕上的提示信息消失后方可使用；设置频率：按，屏幕提示输入中心频率，在右边键盘输入70.015，使用菜单键选择MHZ；设置带宽-SPAN（横坐标范围）：按，输入200，使用菜单键选择kHz；设置信号显示幅度（纵坐标范围）：按，使用菜单键选择Scale/Div（值/每格），输入5，使用菜单键选择dB（唯一选择）；应用举例测量民航C波段TES卫星系统OCC信号(70.015MHz)：将信号移动到合适的位置：为读取数值方便，可以使用前面板旋纽调整信号显示位置，如将信号移动到屏幕中间，并将噪声线与某横格坐标对齐。关闭频谱仪：按前面板的“Standby”键（左下角）。注意：为方便观察及确保读出数据尽量准确，一般会将信号放置在屏幕中间位置，幅度保持在1/3—2/3屏幕范围左右，SPAN则需要根据观察的信号占用带宽多少进行调整，如：查看64K数据链路设置为300KHz，查看19.2K数据链路或话音、OCC等信号设置为200KHz。提高测量精度的技巧由于频谱仪显示的信号幅度是被测信号和噪声之和。对于接近频谱仪本底噪声的信号（5dB以内），显示的幅度和真实幅度之间的误差是显著的。因此，在测量低电平信号时，分析仪的噪声电平应尽可能低。因为热噪声频谱功率密度在噪声带宽内是连续的，所以本底噪声电平是与选取的中频滤波器（RBW）的带宽有关，一般RBW增大10倍，噪声电平增大约10dB。右图所示RBW等于1MHz和300kHz时，本底噪声电平较低，S/N较高，信号的功率测试时基本不受RBW的影响，当RBW等于3MHz时，本底噪声电平与信号功率比较接近，使信号功率测量值偏高。提高测量精度的技巧频谱分析仪显示的噪声本底电平依赖于衰减器的设置，每增加10dB的衰减量，显示的噪声电平将提高10dB。提高测量精度的技巧分辨率带宽（RBW）：信号显示在频谱仪上不可能是一根无穷窄的谱线，而是有一定宽度和形状的。这个形状其实就是频谱仪的中频滤波器的形状。例如频谱仪的RBW为3dB带宽，则对等幅信号，通常只要相邻频率大于所选IF滤波器的3dB带宽，就可以分辨它们。提高测量精度的技巧分辨率带宽（RBW）对扫描时间的影响：较窄的RBW所需要的