1、頻域測量頻譜分析儀頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內對信號的電壓、功率、頻率等參數進行測量并顯示的儀器。時間幅度(功率)頻率時域測量頻域測量頻率與時域的關系以頻譜形式顯示出所測信號分解的每個正弦波的幅度隨頻率變化的情況就是頻域測量。 頻譜分析的基本概念廣義上，信號頻譜是指組成信號的全部頻率分量的總集；狹義上，一般的頻譜測量中常將隨頻率變化的幅隨頻率變化的幅度譜稱為頻譜度譜稱為頻譜。頻譜測量：在頻域內測量信號的各頻率分量，以獲得信號的多種參數。頻譜測量的基礎是付里葉變換。 頻譜的兩種基本類型l離散頻譜（線狀譜），各條譜線分別代表某個頻率分量的幅度，每兩條譜線之間的間隔相等l連續頻譜，可視為譜線間隔

2、無窮小，如非周期信號和各種隨機噪聲的頻譜.調制失真噪聲頻譜分析的類型頻譜分析儀的分類按分析處理方法分析處理方法：模擬式頻譜儀、數字式頻譜儀、模擬/數字混合式頻譜儀；按基本工作原理基本工作原理：掃描式頻譜儀、非掃描式頻譜儀；按處理的實時性處理的實時性：實時頻譜儀、非實時頻譜儀；按頻率軸刻度頻率軸刻度：恒帶寬分析式頻譜儀、恒百分比帶寬分析式頻譜儀；按輸入通道數目輸入通道數目：單通道、多通道頻譜儀；按工作頻帶工作頻帶：高頻、射頻、低頻等頻譜儀。頻段分配 頻譜分析儀是使用不同方法在頻域內對信號的電壓、功率、頻率等參數進行測量并顯示的儀器。一般有實時分析法、非實時分析法兩種實現方法。 實時分析法實時分析

3、法 實時分析法又包括：p并行濾波式（模擬）pFFT分析法（數字）頻譜儀的實時與非實時分析并行濾波式每個濾波器之后都有各自的檢波器，無需電子開關切換及檢波建立時間，因此速度快，能夠滿足實時分析的需要。但是可顯示的頻譜分量數目取決于濾波器的數目，所以需要大量的濾波器。Y放放大大前前置置放放大大器器窄窄帶帶濾濾波波器器窄窄帶帶濾濾波波器器窄窄帶帶濾濾波波器器窄窄帶帶濾濾波波器器檢檢波波器器檢檢波波器器檢檢波波器器檢檢波波器器電電子子掃掃描描開開關關掃掃描描發發生生器器X放放大大ux帶通濾波器的性能指標（一）p帶寬帶寬通常是指3dB帶寬，或稱半功率帶寬 分辨率帶寬分辨率帶寬（RBW）反映了濾波器區分兩

4、個相同幅度、不同頻率的信號的能力pRBW帶通濾波器的性能指標（二）p波形因子波形因子 波型因子反映了區分兩個不等幅信號的能力，也稱帶寬選擇性波形因子定義為濾波器60dB帶寬與3dB帶寬之比。 也可用40dB帶寬與3dB帶寬之比表示。波形因子較小的濾波器的特性曲線更接近于矩形，故波形因子也稱矩形系數波形因子也稱矩形系數帶通濾波器的性能指標（三）p 濾波器響應時間（建立時間）濾波器響應時間（建立時間） 信號從加到濾波器輸入端到獲得穩定輸出所需的時間。通常用達到穩幅幅度的90所需的時間TR來表述，它與絕對帶寬B成反比：TR1/B。 寬帶濾波器的響應時間短，測量速度快；窄帶濾波器建立時間較長，但頻率分

5、辨率更高、信噪比好。響應時間限制了頻譜儀的掃描分析速度，影響實時頻譜分析的實現。并行濾波器組處理（基于模擬濾波器或FFT數字濾波）在特定時段中對時域數字信號進行FFT變換，得到頻域信息并獲取相對于頻率頻率的幅度、相位幅度、相位信息。可充分利用數字技術和計算機技術，非常適于非周期信號和持續時間很短的瞬態信號非常適于非周期信號和持續時間很短的瞬態信號的頻譜測量的頻譜測量。但其分析速率帶寬受ADC采樣速率限制，適合分析窄帶信號。FFT分析法實時 (FFT) 分析儀方框圖非實時分析法非實時分析法 在任意瞬間只有一個頻率成分能被測量，無法得到相位信息。適用于連續信號和周期信號的頻譜測量。掃頻式分析：使分

6、析濾波器的頻率響應在頻率軸上掃描。 差頻式分析（外差式分析）：利用超外差接收機的原理，將頻率可變的掃頻信號與被分析信號進行差頻，再對所得的固定頻率信號進行測量分析，由此依次獲得被測信號不同頻率成分的幅度信息。這是頻譜儀最常采用的方法。 掃頻外差方式掃頻外差方式頻譜儀的實時與非實時分析（二）現代頻譜儀將外差式掃描頻譜分析技術與FFT數字信號處理技術相結合，兼有兩種技術的優點：前端仍采用傳統的外差式結構，而在中頻處理部分采用數字結構，中頻信號由ADC量化，FFT則由通用微處理器或專用數字邏輯實現。這種方案充分利用了外差式頻譜儀的頻率范圍和FFT優秀的頻率分辨率，使得在很高的頻率上進行極窄帶寬的頻譜

7、分析成為可能，整機性能大大提高。濾波器掃描測試外差式頻譜儀p外差式頻譜儀的組成p輸入通道p中頻信號預處理p檢波器p視頻濾波器p蹤跡處理p主要技術參數p參數之間的相互關系 外差式頻譜儀的頻率變換原理與超外差式收音機相同：利用無線電接收機中普遍使用的自動調諧方式，通過改變掃頻本振的頻率來捕獲待測信號的不同頻通過改變掃頻本振的頻率來捕獲待測信號的不同頻率分量率分量。也稱掃頻外差式頻譜儀。掃頻外差式方案是實施頻譜分析的傳統途徑，在高頻段占據優勢地位。 外差式頻譜分析儀頻率范圍寬、靈敏度高、頻率分辨率可變，是目前頻譜儀中數量最大的一種。由于被分析的頻譜依次被順序采樣，因而不能進行實時分析。這種分析儀只能

8、提供幅度譜，不能提供相位譜。外差式頻譜儀的組成包括輸入通道、混頻電路、中頻處理電路、檢波和視頻濾波等部分。 輸 入 通 道（一） 輸入通道也稱前端，主要由輸入衰減、低噪聲放大、低通濾波及混頻等幾部分組成，功能上相當于一臺寬頻段、窄帶寬的外差式自動選頻接收機。用于控制加到儀器后續部分的信號電平，并對輸入信號取差頻以獲得。p 輸入衰減：一方面避免因信號電平過高而引起的失真，同時起到阻抗匹配的功能，盡可能降低源負載與混頻器之間的失配誤差p 低噪聲放大：對輸入電平進行調整，保證混頻器輸入電平滿足一定的幅度要求，獲得較佳混頻效果輸入通道（二）頻率變換原理頻率變換原理輸入通道（二）外差式頻率變換原理外差式

9、頻率變換原理AffIfXfLfimagf = fI輸輸入入濾濾波波鏡鏡像像頻頻率率頻頻率率變變換換| fL fX | = fI 如果輸入頻率的范圍大于2fI，將與鏡頻在本振處交疊。通常的頻譜儀輸入頻率非常寬，一般的抑制鏡頻濾波器難以實現調諧。解決辦法是選擇高中頻，本振頻率也相應提高輸入通道（三）抑制鏡頻的高中頻解決方案ffI頻頻率率變變換換輸輸入入頻頻率率范范圍圍本本振振頻頻率率范范圍圍鏡鏡像像頻頻率率范范圍圍低低通通濾濾波波fI = fL- fXfI = fimag- fL鏡頻范圍遠在輸鏡頻范圍遠在輸入頻率范圍之上，入頻率范圍之上，兩者不會交疊；兩者不會交疊；中頻頻率越高，中頻頻率越高，鏡頻

10、距本振越遠，鏡頻距本振越遠，可避免因交疊而可避免因交疊而帶來的濾波器實帶來的濾波器實現問題。因此現問題。因此用用固定調諧的低通固定調諧的低通濾波器在混頻之濾波器在混頻之前濾去鏡頻前濾去鏡頻即可即可 高中頻很難實現窄帶帶通濾波和性能良好的檢波，需要進行多級變頻（混頻）處理。第一混頻實現高中頻頻率變換，再由第二、三級甚至第四級混頻將固定的中頻逐漸降低。每級混頻之后有相應的帶通濾波器抑制高次諧波交調分量。利用更多級的變頻實現頻率擴展（24級）利用諧波混頻進一步擴展頻率中頻信號預處理（一） 中頻信號預處理主要是在被檢測之前完成對固定中頻信號的自動增益放大、分辨率濾波等處理。中頻濾波器的帶寬通常可程控，

11、以提供不同的頻率分辨率。 中頻信號幅度調節：由自動增益電路完成。末級混頻的增益必須能夠以小步進精密調節，以保持后續電路中的最大信號電平固定而不受前端的影響。 中頻濾波器：用于減小噪聲帶寬、分辨各頻率分量。頻譜儀的分辨率帶寬由最后一個中頻濾波器的帶寬決頻譜儀的分辨率帶寬由最后一個中頻濾波器的帶寬決定。定。數字濾波器選擇性較好、沒有漂移，能夠實現極穩定的窄分辨率帶寬。中頻信號預處理（二）Agilent ESA-E系列頻譜分析儀原理圖Agilent PSA系列頻譜分析儀原理框圖Agilent PSA系列頻譜分析儀全數字中頻部分原理框圖檢 波 器（一） 在模擬式頻譜儀中，采用檢波器來產生與中頻交流信號

12、的電平成正比的直流電平，以獲取待測信號的幅度信息。常用包絡檢波器。最簡單的包絡檢波器由一個二極管和一個并聯RC電路串接而成。只要恰當地選擇檢波器的R、C值，就可獲得合適的時間常數以確保檢波器跟隨中頻信號的包絡變化而變化。頻率掃描速度的快慢也會對檢波輸出產生影響，掃速太快會使檢波器來不及響應。 檢 波 器（二）頻譜分析儀有時域功能可用，此時掃頻寬度設置成零掃頻帶寬（Zero Span）。 視頻濾波器（一） 視頻濾波器用于對顯示結果進行平滑或平均，以減小噪聲對信號幅度的影響。p 基本原理：視頻濾波器實質是低通濾波器實質是低通濾波器，它決定了驅動顯示器垂直方向的視頻電路帶寬。當視頻濾波器的截止頻率小

13、于分辨率帶寬時，視頻系統跟不上中頻信號視頻系統跟不上中頻信號包絡的快速變化，因此使信號的起伏被包絡的快速變化，因此使信號的起伏被“平滑平滑”掉掉。p 應用：主要應用于噪聲測量，特別是在分辨率帶寬（RBW）較大時。減小視頻濾波器的帶寬（VBW）將削弱或平滑噪聲峰-峰值的變化，當VBW/RBW RBW時：ST不受視頻濾波器的影響。此時，中頻濾波器的響應時間僅與RBW2成反比：)( 2VBWRBWRBWSpanKST 其中K為比例因子，取值與濾波器類型及其響應誤差有關。例如：4級或5級級聯的模擬濾波器，K取2.5；高斯數字濾波器，K可取值1甚至小于1p VBWRBW時：所需的STmin受限于視頻濾波

14、器的響應時間。VBW越大，視頻濾波器的響應越短，ST相應也越小，VBW與ST成線性反比。參數之間的相互關系（三）p默認的VBW設置原則：在保證不增加ST的前提下盡最大可能實現濾波平均。 當K=2.5時，應有RBW/VBW1；若使用數字濾波器（取K=1），為了確保視頻濾波器的穩定，應有RBW/VBW0.3。p參數部分聯動設置的經驗公式正弦信號測量RBW/VBW=0.31 脈沖信號測量RBW/VBW=0.1噪聲信號測量RBW/VBW=9 大多數當今的分析儀器自動結合掃頻時間和寬度以及分大多數當今的分析儀器自動結合掃頻時間和寬度以及分辨率帶寬設置。辨率帶寬設置。 VBW/RBW分別為3:1,1:10

15、,1:100時的平滑效果參數之間的相互關系（四）p 輸入衰減、中頻增益、參考電平輸入衰減、中頻增益、參考電平 頻譜儀的幅度測量上限由允許輸入的最大電平決定，下限取決于儀器固有噪聲或本底噪聲。因為放大、檢波及A/D轉換器件的動態范圍都很小，不可能在同一次測量的設置下同時達到這兩個限制。用戶會根據不同需要選擇最大顯示電平（參考電平）。輸入衰減、中頻增益是兩個決定性因素。參數之間的相互關系（五） 輸入信號過大可能導致第一混頻受損，因此高電平輸入必須衰減，衰減量取決于第一混頻及其后續部分的動態范圍。混頻器電平過高，失真產生的頻率分量將會干擾正常顯示；衰減量過大則會導致信噪比降低，減小動態范圍。因此，輸

16、入衰減及中頻增益的選擇需折中考慮。 實際應用中，即使參考電平非常低，通常也會將輸入衰減設置為最小值（如9dB），以獲得較好的匹配，提高幅度測量精度。頻譜分析的操作超過限制功率或含有直流成份的信號是十分危險的！典型頻譜分析儀的顯示使用頻譜分析儀進行測量相位噪聲測量相位噪聲測量脈沖信號測量脈沖信號測量信道和鄰道功率測量信道和鄰道功率測量 除了完成幅度譜、功率譜等一般的測量功能除了完成幅度譜、功率譜等一般的測量功能外，頻譜儀還能夠用于對如非線性失真、相位噪外，頻譜儀還能夠用于對如非線性失真、相位噪聲、鄰道功率、調制度等頻域參數進行測量。聲、鄰道功率、調制度等頻域參數進行測量。相位噪聲測量相位噪聲是本

17、振短期穩定度的表征，也是頻譜純度的一個重要度量指標。它通常會引起波形在零點處的抖動，在時域中不易辨別，而在頻域中表現為載波的邊帶，所以常在頻域內進行測量。 p顯示出該信號的頻譜，找出信號的中心頻率找出信號的中心頻率的功率幅度；p適當選擇掃頻寬度選擇掃頻寬度，使能顯現出所需寬度的兩個或一個噪聲邊帶；p分辨帶寬的視頻帶寬宜盡量取小，以減小載波譜線寬度和邊帶中噪聲的高度而又不感到載波譜線有明顯晃動；p縱軸采用對數刻度并調參考電平將譜線頂端調到刻度的頂部基線。 相位噪聲測量過程（一）p利用可移動的光標讀出譜線頂端電平C（dBm）和一個邊帶中指定偏移頻率 fm處噪聲的平均高度的電平N（dBm）p求出其差

18、值（N-C）dB；p再加上必要的修正。 相位噪聲測量過程（二）p第一個修正項：這里讀出的噪聲電平N是等效帶寬B內通過的總噪聲電平；折合成每1Hz帶寬應加修正項（-10logB）； p第二個修正項：頻譜儀的縱細刻度讀數是按測正弦信號校準的，測噪聲時頻譜儀的峰值檢波器和對數放大器將使噪聲電壓有效值和功率電平讀數偏低偏低約2.5dB；應加“頻譜儀效應”修正項（2.5dB）； 相位噪聲測量過程（三）p相位噪聲為：（NC）dB-10lgB2.5 dBcHz相位噪聲測量過程（四）幾點限制 p此方法不能從相位噪聲中排除調幅噪聲，故調幅噪聲必須小于相位噪聲 l0dB以上，才能正確應用；p能測量（C-N）的范圍

19、受頻譜儀動態范圍限制，即頻譜儀本振的噪聲電平必須比被測信號源的噪聲低得多；p測量近載頻噪聲受頻譜儀帶寬限制。 此法最適于測量漂移較小但相應噪聲相對較高的此法最適于測量漂移較小但相應噪聲相對較高的信號源。信號源。 脈沖信號測量 脈沖信號是雷達和數字通信系統中的一類重要信號，它的測量比連續波形困難。如果采用窄分辨帶寬進行頻譜測量，將呈現出離散的譜線；如果采用較寬的分辨帶寬，這些譜線就會連成一片。可見，不同的頻譜儀設置可能對同一個脈沖信號的測量結果產生不同影響。脈沖信號測量原理（一）單脈沖的付氏變換具有采樣函數的曲線形狀：其中為脈沖寬度。頻譜的零點發生在1/的整數倍處，頻譜幅度與脈沖寬度成正比，即脈

20、沖越寬，能量越大。 2222sin fffV脈沖信號測量原理（二） 脈沖信號V(f)的諧波位于波形基頻（即1/T的整數倍）處，波形周期稱為脈沖重復頻率PRF，有PRF=1/T。諧波的總體形狀或包絡與單脈沖的付氏變換相同，呈現采樣函數特性，并在1/的整數倍處出現頻譜包絡的零點。TtfV(f)1/T1/2/ 時域中的重復脈沖時域中的重復脈沖 頻域中的脈沖串頻譜頻域中的脈沖串頻譜線狀譜與包絡譜p 當頻譜儀的分辨率帶寬RBW比脈沖諧波的頻率間隔PRF窄時，頻譜儀能夠區分每一條諧波的譜線，因此將清楚地顯示出脈沖波形的線狀譜。窄RBW可改善信噪比，顯示結果與信號實際頻譜非常接近。改變掃描寬度能使被測頻譜適

21、當地加寬或變窄，但改變掃描時間不會影響頻譜的形狀。p 在用戶并不過多關心單獨譜線的情況下，通過選擇較寬的RBW（如大于脈沖諧波的PRF），頻譜儀可以顯示脈沖波形的包絡而不展示譜線的細節，這類頻譜叫做包絡譜或脈沖譜。 脈沖測量的分辨率濾波器p 獲得清晰的脈沖線狀譜顯示的經驗公式： PRFRBW3 . 0 p 獲得脈沖包絡譜的經驗公式： PRFRBW7 . 1 過大的RBW會導致無法分辨包絡譜的零點，因此RBW必須保持小于包絡譜中的零點間隔，即小于1/。綜合起來，在顯示包絡譜時的RBW設置條件是：大于脈沖重復頻率，且遠小于1/： /1 . 07 . 1 RBWPRF載噪比的測量（一） p載噪比(C/N)通常用載波功率峰值與平均噪聲功率相差的dB數來表示；p測量載噪比也就是測量平均噪聲功率與載波功率之間相差的dB數；p噪聲功率一般是指1Hz帶寬下的測量值，通常是用dBm/Hz或W/Hz為單位來表示。 載噪比的測量（二）