频谱分析仪的工作原理和使用方法

频谱仪的工作原理和1. 概述2 频谱分析仪的工作原理3 频谱分析仪性能参数的基本概念4 频谱分析仪的测量准确度5 频谱分析仪使用中应注意的问题6 频谱分析仪使用实例－E4405B频谱分析仪的工作原理和使用方法1. 概述1.1 时域分析1.2 频域分析1.3 频谱仪的发展2 频谱分析仪的工作原理2.1 频谱分析仪的类型2.1.1. 实时频谱分析仪2.1.2. 扫频频谱分析仪2.2 超外差扫频频谱分析仪的工作原理2.3 基波及谐波混频3 频谱分析仪性能参数的基本概念3.1 分辨力(RBW)3.2 选择性3.3 剩余调频3.4 边带噪声(相位噪声)3.5 自适应关系频谱分析仪的工作原理和使用方法3.6 动态范围3.7 灵敏度3.8 视频带宽(VBW)3.9 信号/失真3.10 信号/噪声4 频谱分析仪的测量准确度4.1 频率测量准确度4.2 幅度测量准确度5 频谱分析仪使用中应注意的问题6 频谱分析仪使用实例－E4405B6.1 E4405B的前后面板开关，旋钮，接头的功能6.2 测量实例－测量AM信号波形6.3 测量实例－看懂校准证书1概述1.1时域分析1.2 频域分析1.3 频谱仪的发展1概述无论你是一个电子设备或系统的制造师，还是一个电子器件或系统的现场维护/修理人员，都需要一台能观察并帮助你分析你的设备或系统产生的电信号或电信号通过你的器件或系统后质量变化的情况，比如，信号的功率和幅度，调制或边带等等，通过分析来验证你的设计，确定器件或系统的性能，判别故障点，找出问题的所在，这就是信号特性分析。目前，信号分析主要从时域，频域和调制域三个方面进行。1概述1概述1.1时域分析所谓时域分析就是观察并分析电信号随时间的变化情况。例如，信号的幅度，周期或频率等。时域分析常用仪器是示波器。但是示波器还不能提供充分的信息，因此就产生了用频域分析的方法来分析信号。1.2频域分析观察并分析信号的幅度(电压或功率)与频率的关系，它能够获取时域测量中所得不到的独特信息。例如谐波分量，寄生信号，交调、噪声边带。最典型的频域信号分析是测量调制，失真和噪声。通常进行信号频域分析的仪器就是频谱分析仪。1.2频域分析1.2频域分析频谱分析仪(频谱仪)是信号频域特性分析的重要工具。它将一个由许多频率分量组成复杂的信号分解成各个频率分量。每一个频率分量的电平被依次显示出来。频域分析测量有许多独特的优点。用频谱分析的方法很容易测量一个信号频率，功率，谐波分量，调制假信号和噪声等。1.2频谱仪的发展30年代末期，第一代扫频式频谱仪诞生。60年代末期，可以为频谱仪提供频率和幅度的校准，前端预选的频谱仪问世，它标志着频谱仪从此进入了定量测试的时代。70年代末，随着集成电路技术，快速A/D变换技术，频率合成技术，数字存储技术，尤其是微处理器技术的飞速发展，频谱仪的技术指标大幅度提高。频率范围扩展到100Hz-20GHz，分辨力带宽达到10Hz。现在，频谱分析仪的测量频率范围已达到30Hz-50GHz，外混频可以扩展到mm波波段，分辨力带宽从1Hz-3MHz，测量信号的动态范围100dB，显示平均噪声-110dBm。2频谱分析仪的工作原理2.1 频谱分析仪的类型2.1.1. 实时频谱分析仪2.1.2. 扫频频谱分析仪2.2 超外差扫频频谱分析仪的工作原理2.3 基波及谐波混频2频谱分析仪的工作原理我们知道，当一个信号随时间做周期或准周期变化时，用付里叶变换可以表示成一个基波分量及许多谐波分量之和的形式。基波和各次谐波的能量按其频率高低的次序排列就是信号的频谱。对于非周期性信号(如随机信号)可以看成是一个周期T为无限大的周期信号，即频率间隔为无限小，其谱线是连续的，称为连续谱。2.1.1实时频谱分析仪所谓实时频谱分析仪是指能实时显示信号在某一时刻的所有频率成分的分析结果。见图2.2。图2.2实时频谱分析仪2.1.1实时频谱分析仪被测输入信号经过宽带预放放大后，由多路分配器分别送到并联的多个带通滤波器，每个滤波器从被测信号中选出与其相对应的频谱分量，经检波器检波后送到各个显示器保持并显示。现在基本不用。还有一种快速付里叶变换(FFT)式频谱分析仪也属于实时型频谱分析仪，见图2.1。2.1.1实时频谱分析仪还有一种快速付里叶变换(FFT)式频谱分析仪也属于实时型频谱分析仪，见图2.1。图2.1傅立叶分析仪2.1.1实时频谱分析仪图2.3是付里叶分析仪原理框图。由于取样与A/D转换速度的限制，快速付里叶变换(FFT)式频谱分析仪无法用于高频及微波范围的频谱分析仪。图2.3付里叶分析仪原理框图2.1.2扫频频谱分析仪调谐滤波式频谱分析仪是用扫描发生器驱动调谐滤波器，在整个频率范围内改变一个带通滤波器的中心频率来工作的。随着中心频率的移动，依次选出的被测信号各频谱分量，再经滤波器和视频放大后加到显示器的垂直偏转电路。而水平偏转的输入信号来自驱动并调谐带通滤波器的同一扫描发生器。这样，水平轴就可以用于表示频率。目前大量使用的是超外差式频谱分析仪。它又可以分为扫中频和扫高频(扫前端)两种。较老式的频谱仪大都是扫中频。由于扫频宽度不大，故又称窄带频谱仪。扫中频频谱仪的另一个缺点是可能出现杂波干扰和假响应较多，而且动态范围小，灵敏度又低，现在基本被淘汰。2.1.2扫频频谱分析仪2.1.2扫频频谱分析仪2.2超外差扫频频谱分析仪的工作原理现代扫前端超外差频谱分析仪的框图见图2.6。主要组成部分有射频输入衰减器，预选器或低通滤波器，混频器，中频(IF)放大器，中频滤波器，检波器，视频放大器，本振，扫描发生器和LCD显示器。2.2超外差扫频频谱分析仪的工作原理图2.6扫前端超外差频谱分析仪原理框图2.2超外差扫频频谱分析仪的工作原理输入信号经过射频衰减后被控制在频谱仪的安全输入电平以内，并且调节到混频器的最佳信号电平，已防止发生混频压缩和失真。信号经过预选器和低通滤波器进入混频器。信号经过混频后，在其输出端有原来的信号、本振信号，两个输入信号的和频信号/差频信号，以及其他高次谐波信号。通常我们取其差频信号，称之为中频信号。中频滤波器滤出中频信号并进行放大。中频信号经检波和视频滤波后加到显示器上进行显示，视频滤波器的作用是对显示屏上所显示的扫迹进行平均或平滑。频谱仪所显示的谱线是被测信号叠加上频谱仪内部的噪声的总效应。为了减小噪声对信号幅度的影响，要对经检波后的信号进行视频滤波或视频平均。当所选择的视频带宽等于或小于所选择的分辨力带宽(RBW)时，视频电路的响应已经跟不上中频电路信号的变化，因此对所显示的信号就进行了平均和平滑，两者之间的比值越小，平滑的效果越好。视频平均是智能频谱仪为平滑提供的另一种选择。它对多次扫描的数据逐点进行平均，因此显示的谱线更加平滑。2.2超外差扫频频谱分析仪的工作原理2.3基波及谐波混频如果希望扩展频谱仪的工作频率范围，必须加宽第一本振的调谐或扫频范围，只得增加本振的频段和插件数目。这种基波混频方式虽然有好处，但是设备繁复，不经济。实际上完全可以利用本振的谐波来与信号混频，从而大大扩展工作频段。镜像频率干扰频谱仪是一台超外差式接收机，它的混频器是宽带的，因此在用频谱仪测量信号时除了出现所需的信号频率谱线外，还会显示出不需要的镜像频谱。镜像频率干扰频谱仪是一台超外差式接收机，它的混频器是宽带的，因此在用频谱仪测量信号时除了出现所需的信号频率谱线外，还会显示出不需要的镜像频谱。如图所示只要满足;，条件时，和都会出现在频谱仪的显示屏幕上，这就是镜像频率干扰。有两种可以抑制镜像频率响应的干扰：采用预选器和上变频的高中频。镜像频率干扰(1)预选器预选器的跟踪技术，也就是宽带YIG调谐滤波器和低相噪YIG调谐振荡器之间频率关系的统调，是宽带频谱分析仪的一个关键技术。(2)高中频放大器为了抑制镜像频率响应的影响，必须提高中频。采用上变频方案，宽频带频谱仪总是被划分为高低两个波段。由于预选器频率下限的限制，在高波段就采用了预选器。而在低波段采用了高中频上变频的方案。对于低波段(9kHz~2.95GHz)，本振为(4~8)GHz，第一中频为;从而在这一波段中很好地抑制了镜频信号干扰的影响。2.3基波及谐波混频多重响应－本振的基波和谐波与同一信号混频产生同一中频。谐波响应——本振的基波和谐波与信号的多个频率成分进行混频产生同一中频。3频谱分析仪性能参数的基本概念3.1 分辨力(RBW)3.2 选择性3.3 剩余调频3.4 边带噪声(相位噪声)3.5 自适应关系3.6 动态范围3.7 灵敏度3.8 视频带宽(VBW)3.9 信号/失真3.10信号/噪声3频谱分析仪性能参数的基本概念当我们选用频谱仪进到测量时，我们必须要知道频谱仪的一些最基本的技术技能，包括:1频率测量范围。(最低的频率和最高的频率)。2幅度测量范围(也就是最大的输入电平与最小可测量的信号)。3用频谱仪同时测量两个不同频率的信号特性(动态范围与分辨力)。4用频谱仪测量不确定度(包括幅度和频率)。3.1分辨力带宽(RBW)分辨力带宽(RBW)——表征频谱仪能明确分离出两个等幅信号的能力。理论上讲被测信号以谱线的形式显示在频谱仪的显示屏上，但是实际上信号是不能为一条无限窄的谱线，它有一定的宽度和形状。频谱仪的分辨力取决于中频滤波器的带宽，因此也称为频谱仪的分辨力带宽。滤波器的带宽通常由3dB(功率)或6dB(电压)点描述，带宽越小，分辨力就越高。因此中频滤波器的3dB带宽决定了区别两个等幅度信号的最小频率间隔。3.1分辨力带宽(RBW)3.1分辨力带宽(RBW)3.2选择性表征频谱仪能够明确分辨出两个不等幅度信号的能力，也叫形状因子。它通常被规定为中频滤波器60dB带宽和3dB带宽的比值。两个幅度相差60dB的不等幅度信号的频率间隔至少是60dB带宽一半的情况下才能分辨出小信号，因此选择性是分辨不等幅信号的关键参数。3.2选择性3.2选择性3.2选择性实际上，形状因子表明滤波器特性曲线偏离矩形的程度，也表示它具有排除下边较小干扰信号或噪声的能力。波形因子越小，曲线越接近矩形，显示出的谱线下端越清晰，60dB带宽也是能否分辨大谱线近旁的小谱线的决定因素，位于60dB带宽以内的小谱线显然会被曲线的“下摆”部分掩盖。老式的频谱仪中频滤波器的选择性为25:1。现代频谱仪中所设计的模拟滤波器采用同步调谐式，具有4个以上的极点，幅频特性呈高斯分布，高质量的频谱仪其选择性可以达到15:1~11:1。3.2选择性3.3剩余调频频谱仪本振稳定度是影响分辨力进一步提高。本振的短期不稳定度表现为剩余调频。，典型的频谱仪其剩余调频可以达到：开环本振为1kHz，锁频本振为30Hz，合成本振1Hz。3.3剩余调频3.3剩余调频3.4边带噪声(相位噪声)边带噪声影响到近端(对载波而言)低电平信号的分辨。相位噪声被规定为低于载波dBc或dB，只有当一个信号离系统噪声本底足够高时才能被显示。由于系统相位噪声曲线实际上覆盖了一个较小的信号，因此频谱仪上还是不能显示出另一个小信号。相位噪声指标被归一化到1Hz带宽。因此如果我们需要测量一个离开载波10kHz、比载波低50dB的信号，RBW为1kHz，我们就要求频谱仪系统本身的相噪指标为偏离载波10kHz,相噪为-80dBc/Hz;因为用等式-50dBc-[10log(1kHz/1Hz)]=-50-30=-80dBc。将50dBc/1kHzRBW归一化到80dBc/1Hz。3.5自适应关系上面分析的分辨力带宽都是指在电路处于稳态情况下的指标，但是针对频谱仪使用的实际情况还有一个很重要的因素影响到频谱仪的有效分辨力，这就是频谱仪的扫描时间。如果频率变化率（即扫描速度）太快，某频率分量尚未达到稳定的幅度值，便变成了另一个频率，以至在各个频率上都达不到应有的幅度，输出波形比起中频滤波器的曲线（亦即在慢速扫频时的显示）有明显的压低，展宽和滞后（如图所示）。分辨力：分辨力带宽决定了测量时间。3.5自适应关系3.6动态范围动态范围是频谱仪在测量信号幅度方面的一个主要技术性能，它的定义是在给定的测量精度的条件下，频谱仪能够测量的同时存在于输入端的最大信号与最小信号之比，它表征了测量同时存在的两个信号幅度差的能力。3.7平均噪声电平频谱分析仪的一个最主要的用途是探索并测量低电平信号，频谱仪的灵敏度就是它能测量的最小信号的度量。理论上一个50Ω电阻负载的热噪声功率谱密度为-174dBm。(其中,则电阻的噪声功率谱密度)。一个理想完美的接收机将不再在热噪声功率的基础上再叠加任何噪声功率，根据接收机理论，最小可测量的信号电平由下式决定。式中:fdB-整机噪声系数;B-接收机3dB带宽(以Hz为单位)3.8视频带宽(VBW)视频带宽(VBW)不影响频谱分析仪的频率分辨力，也不能改进灵敏度，但是它可以改善低信/噪比测量的鉴别性和重复性。灵敏度/显示平均噪声电平值：视频宽带3.8视频带宽(VBW)3.8视频带宽(VBW)一般视频带宽(VBW)应该(0.1~0.01)分辨力带宽(RBW)。从公式可以看出，灵敏度主要受限于整机的噪声系数和频谱仪的中频带宽，该噪声主要是中频放大器的中频滤波器中频带宽内的噪声能量，因此最低的显示噪声平均电平对应于最窄的分辨力带宽。频谱分析仪的最佳灵敏度应该是在最窄的分辨力带宽，最小的输入射频衰减器设置，以及用足够的视频滤波器带宽的情况下获得的。3.9信号/失真任何非线性器件都有失真现象，由于频谱仪中的混频器是一个非线性器件，它的输出除了包含所需的中频分量外，它们将产生内部失真。3.10信号/噪声与失真图相似，我们也可以画出一张信号/噪声比与输入功率之间的关系曲线图。频谱仪的最大动态范围发生在最大可能的信号电平处。与失真图相似，我们也可以画出一张信号/噪声比与输入功率之间的关系曲线图。频谱仪的最大动态范围发生在最大可能的信号电平处。例如，假设频谱仪内部噪声为30dB，当分辨力带宽B=1kHz时，最小可测信号为其灵敏度，DANL=-174+30+30=-114dBm。当输入信号功率为-14dBm时，信噪比为-100dBc，而当输入电平为-70dBm时，信噪比便降为-44dBc。3.10信号/噪声频谱仪的动态范围由三个因素决定:系统的宽带噪声本底(灵敏度)输入混频器的失真性能本地振荡器的相位噪声前两个因素用来计算最大动态范围，因而实际的动态范围是计算的最大动态范围和噪声边带决定动态范围两者中的最小值。3.10信号/噪声4频谱分析仪的测量准确度4.1 频率测量准确度4.2 幅度测量准确度4频谱分析仪的测量准确度用频谱分析仪测量信号很关心的一点就是要给出该信号各分量的幅度和频率。4.1频率测量准确度用频谱分析仪测量一个复杂波形信号的各频率时明显优于任何频率计数器。其测频的准确度分两种情况给出。没有内置计数器的频谱分析仪频率读出的允许误差极限为频率读数频率参考误差+扫频宽度误差+分辨力带宽频率参考误差=老化率自调整的时间间隔+调整力+温度稳定性例:读出数率为1GHz，扫频宽度500kHz，误差1%，分辨力带宽3kHz误差20%；频率参考:年老化率:。温度稳定性:，调整力频率参考的误差=，频率测量的误差=内置频率计数器的标志频率的允许误差为标志频率读数频率参考误差+计数器分辨力例:标志频率读数为1GHz计数器分辨力为1Hz频率测量误差=差频(相对)标志测量频率误差为差频频标频率参数误差+2计数器分辨力4.2幅度测量准确度A绝对幅度测量用频谱仪进行信号幅度的绝对测量实际上是相对于一个已知幅度的校准源进行相对测量。频谱仪在工作之初就已经用它对其幅度的准确度进行校准，因此其准确度取决于：1.校准器的准确度，2.频率响应，3.参考电平的不确定度。b相对幅度测量用频谱仪进行信号幅度的相对测量，例如测量一个信号的谐波失真，往往是把基波信号作为参考，测量谐波幅度比基波低多少。相对幅度测量的准确度取决于：1.显示保真度2.频率响应3.RF输入衰减器4.参考电平5.分辨力带宽6.显示器刻度。b相对幅度测量5频谱分析仪使用中应注意的问题使用过程中特别注意以下几点:频谱仪和被测仪起器都可靠接地。操作员要带接地手环。在“DC耦合”下，所测的信号不允许包含直流电压成分，否则会导致频谱仪工作状态发生变化，幅度测量不准确，甚至会烧毁混频管。频谱仪的最大输入功率不能超过最大允许值（+30dBm）。在进行测量时，所选用的频谱分析仪的阻抗，应与被测对象的阻抗一致。否则因失配而影响幅度测量的准确度。6频谱分析仪使用实例－E4405B6.1 E4405B的前后面板开关，旋钮，接头的功能6.2 测量实例－测量AM信号波形6.3 测量实例－看懂校准证书6频谱分析仪使用实例－E4405B6.1E4405B的前后面板开关，旋钮，接头的功能1)电源开关①开机关机（待机状态）2)设置频率和电平Frequency(Channel):设置与频率有关的参数。CenterFreq.（中心频率）；StartFreq.（始点频率）；StopFreq.(终点频率)；CFStep（中心频率步进）；SignalTrack－Off/On(信号轨迹，开、关)；ScaleTyoe-Log/Lin（标尺类型）。说明：Span(XScale):设置与水平轴有关的参数。Span（跨度，扫频宽度）；SpanZoom（扫频宽度放缩）；FullSpan（全跨度，全扫）；ZeroSpan（零跨度，零扫）；LastSpan（上次宽度设置）。Zone（分区显示）－Off/On；ZoneCenter（分区中心频率）；ZoneSpan（分区扫频宽度）。3)设置输入输出Input/Output：设置与输入输出关的参数。InputZCorr,50/75Ω（输入输出阻抗）；Copling，AC/DC（输入耦合，AC/DC）；AmplitudeRefSet（f=250MHz）,on/off（幅度参考设置，开/关）；View/Trace：设置与光轨迹有关的参数。Trace1，2，3（光轨迹1，2，3）；ClearWriter（清除写入）；MaxHold（最大值保持）；MinHold（最小值保持）；View（观看）；Blank（空）；Operation（操作）；Normalizing（归一化）－StopRef（终点参考），on/off；NormRefPosn（归一化参考位置）。Display：设置与显示有关的参数。FullScale(全屏显示)；DisplayLine（显示线）；Limits（限定值）。4)设置与测量有关的参数Measure：设置测量项目，与MeasSetup配合使用。Measoff（撤销测量）；ChannelPwr（通道功率）；OccupiedBW（占用带宽）；ACP（相邻信道功率）；MultiCarrierPower（多载波功率）；PowerStateCCDF（互补累积分布函数）；HarmonicDistortion(谐波失真)；BurstPower（突发功率）；Intermod（TOI）（交互调制）；SpectrumEmission（频谱发射）；SpectrumEmissionMask（频谱发射屏蔽）.MeasSet：设置测量项目，与Measure配合使用。AvgNumber（平均数）；AvgMode（平均模式）－ExpRepeat（指数重复）；RangeTable（范围表）；MaxHold（最大值保持）；OCPBW％PWR（带内功率比）；OBWSpan（占用宽度）；XdB（分贝数）；Optimize（优化）。6.1E4405B的前后面板开关，旋钮，接头的功能5)测量控制Restart（重新测量）。MeasControl（测量控制）－Restart（重新测量）；Measure，Single/Cont（单次/连续）；Pause（暂停）。6)测量模式Mode(模式)－Spectrum（频谱分析）ModeSet（模式设置）RadioStd（无线网络标准）－NoneIS-95C,3GPPW-CDMACDMA200(MC-1X)。RadioStd（Setup），on/off（无线网络标准设置，开/关）。RadioPatterns，on/off(无线网络)。EnableallMeasurements，Yes/No(启动全部测量，是/否)7)检波模式Det/Demod（检波、解调模式）－Detector（检波器），Auto/Man；Auto(自动)；Average，Video/Rms(平均，视频)；Peak（峰值）；ApplyNegative（负相）；Demod，off，AM，FM，DemodView（on/off）;DemodTime。AutoCouple－AutoAll（全部自动）；PhNoiseOpt（相位噪声选择）－Auto（自动）;Optimize（优化）；OptimizeLoforFastTuning(优化本振已加快调谐速度)。－Detctor（检波器）-Auto（自动）；Average（平均）；Peak（峰值）；Sample（采样）；NagativePeak负峰值）。－AvgType（平均模式）－Auto（自动）；VideoAvg（视频平均）；PwrAvg（功率平均）。6.2测量实例－测量AM信号波形输出信号1000MHz,-10dBm,50%AM.1)设置与测量模式有关项目Measure-Measoff.MeasSetup-AvgNumber,10.2)设置与频率（X）有关项目FreqCenter-CenterFreq,1000MHzSpan-Span,1MHz3)设置与电平（Y）有关项目Amplitude-RefLevel,0dBm;Scale,10dB/Div4)设置与显示有关项目Disply-5)设置与检波器有关项目Det/Demod-Detector;Auto-Demod,offAutoCouple,AutoResBW-AutoTrig-FreeRun6.2测量实例－测量AM信号波形6)从屏幕上直接读出频率，电平7)用Marker功能测量频率，电平,计算AM值载波，两个边带的频率和电平。Marker-SelectMarker,1-Normal,Delta,MarkerTrace,Readout-Frequency.PeakSearch-MeasToolsFreqCount-MakeCount.OnMarker-Mkr,CF;Mkr,Start8)其他参数测量边带噪声(相位噪声)用Marker功能测量频率，电平，计算AM值载波与任何一个边带边带的频率之差就是调制频率fm，按下式可以算出调幅度。如果ΔdB＝26（dB），则AM（％）＝10％。8)其他参数测量SSB边带噪声(单边带相位噪声)测量。调频频偏测量。谐波失真，三阶交调失真测量。邻道功率测量。6.3测量实例－看懂校准证书E4405B证书样本。E4405B证书.pdf中心频率扫频宽度分辨力带宽分辨力带宽转换频率响应参考电平显示平均噪声电平校准信号时基输出