頻譜分析儀的工作原理

1、;.頻譜分析儀的工作原理頻譜分析儀對于信號分析來說是不可少的。 它是利用頻率域對信號進行分析、 研究，同時也應用于諸多領域，如通訊發(fā)射機以及干擾信號的測量，頻譜的監(jiān)測，器件的特性分析等等， 各行各業(yè)、各個部門對頻譜分析儀應用的側重點也不盡相同。下面結合我臺 DSNG衛(wèi)星移動站的工作特點，就電視信號傳輸過程中利用頻譜分析儀捕捉衛(wèi)星信標， 監(jiān)控地面站工作狀態(tài)等方面， 簡要介紹一下頻譜分析儀的工作原理?？茖W發(fā)展到今天， 我們可以用許多方法測量一個信號， 不管它是什么信號。 通常所用的最基本的儀器是示波器，觀察信號的波形、頻率、幅度等。但信號的變化非常復雜，許多信息是用示波器檢測不出來的，如果我們要恢

2、復一個非正弦波信號 F，從理論上來說，它是由頻率 F1、電壓 V1 與頻率為 F2、電壓為 V2信號的矢量迭加（見圖 1）。從分析手段來說， 示波器橫軸表示時間， 縱軸為電壓幅度，曲線是表示隨時間變化的電壓幅度。 這是時域的測量方法， 如果要觀察其頻率的組成，要用頻域法，其橫坐標為頻率，縱軸為功率幅度。這樣，我們就可以看到在不同頻率點上功率幅度的分布，就可以了解這兩個（或是多個）信號的頻譜。有了這些單個信號的頻譜， 我們就能把復雜信號再現(xiàn)、 復制出來。 這一點是非常重要的。對于一個有線電視信號， 它包含許多圖像和聲音信號， 其頻譜分布非常復雜。 在衛(wèi)星監(jiān)測上， 能收到多個信道， 每個信道都占有

3、一定的頻譜成份， 每個頻率點上都占有一定的帶寬。這些信號都要從頻譜分析的角度來得到所需要的參數。從技術實現(xiàn)來說，目前有兩種方法對信號頻率進行分析。其一是對信號進行時域的采集， 然后對其進行傅里葉變換， 將其轉換成頻域信號。我們把這種方法叫作動態(tài)信號的分析方法。特點是比較快，有較高的采樣速率，較高的分辨率。即使是兩個信號間隔非常近， 用傅立葉變換也可將它們分辨出來。但由于其分析是用數字采樣， 所能分析信號的最高頻率受其采樣速率的影響， 限制了對高頻的分析。目前來說，最高的分析頻率只是在 10MHz或是幾十 MHz，也就是說其測量范圍是從直流到幾十 MHz。是矢量分析。這種分析方法一般用于低頻信號

4、的分析，如聲音，振動等。另一方法原理則不同。 它是靠電路的硬件去實現(xiàn)的， 而不是通過數學變換。 它通過直接接收，稱為超外差接收直接掃描調諧分析儀。 我們叫它為掃描調諧分析儀。;. .;.在工作中通常所用的 HP-859X系列頻譜儀都是此類的分析儀。 其優(yōu)點是掃描調諧分析法受器件的影響， 只要我們把器件頻率做得很高， 其分析能力就會很強。 目前的工藝水平，器件可達到 100GHz，最高甚至可做到 325GHz。其頻率范圍要比前一種分析方法大很多。 只是在達到較高分辨率時， 其分析測量的時間會有所增加。在實際工作中， 無線信號衛(wèi)星信號的監(jiān)督， 由于其頻率很高， 都是采用掃描調諧的方式。它所能給我們

5、的信息沒有相位參數，只有幅度、頻率。它是一種標量的分析方法。另外，這種方法有很高的靈敏度，它受到前端掃描調諧器件的控制，還有很高的動態(tài)范圍。下面我們著重介紹一下掃描調諧分析儀的基本原理，從圖 2 中，我們不難看出，它是用超外差接收機的方式來實現(xiàn)頻譜分析的。最基本的核心部分是它的混頻器?；竟δ苁菍⒈粶y信號下變至中頻 21.4MHz，然后在中頻上進行處理， 得到幅度。在下變頻的過程中， 是由本振來實現(xiàn)下變頻的。本振信號是掃描的， 本振掃描的范圍覆蓋了所要分析信號的頻率范圍。 所以調諧是在本振中進行的。全部要分析的信號都下變頻到中頻進行分析并得到譜頻。這與日常所用的電視機、收音機的原理是一樣的。但

6、是有線電視輸出信號范圍很廣， 比如有 50 個頻道播放。這 50 個信號是同時進入接收機的，其總功率是迭加的。而所看的電視節(jié)目只能是其中之一。同理，送入頻譜儀的輸入端口信號是所采集信號的總和，其中包括所要分析的特定信號，所輸入到頻譜儀的功率是總功率。由此要引入一個參數 - 最大燒毀功率。這一值是 1 瓦或是 +30dBm。也就是說輸入到頻譜儀的信號功率總和不能超過 1 瓦，否則將會燒毀儀器的衰減器和混頻器。例如，我們要監(jiān)測一個衛(wèi)星信號，假設其頻率為 12GHz，其功率可能只有 -80dBm 左右，這是很小的。 但要知道輸入信號是由很多信號迭加組成的， 若是在其它某一頻率上包括一個很強的信號，

7、即使你沒有看到這個大功率信號， 若輸入信號功率的總和大于 1 瓦，也是要燒毀頻譜儀的， 而其中的大功率信號并不是你所要分析的信號。這是我們在日常工作中需多加小心的， 因為更換混頻器的費用是很高的。當然，頻譜儀在輸入信號時并沒有直接將其接入混頻器， 而是首先接入一個衰減器。這不會影響最終的測量結果，完全是為了儀表內部的協(xié)調，如匹配、最佳工作點等等。它的衰減值是步進的，為 0dB、5dB、10dB，最大為 60dB。;. .;.還有的頻譜儀是不能輸入直流的， 否則也會損壞器件。 另外，還應注意不能有靜電，因為靜電的瞬時電壓很高， 容易把有源器件擊穿。 日常工作中把儀表接地就會有很好的效果，當然要有

8、保護接地會更好。在中頻，所有信號的功率幅度值與輸入信號的功率是線性關系。 輸入信號功率增大，它也增大，反之相同。所以我們檢測中頻信號是可行的。另外，為了有效檢測，要有一個內部中頻信號放大。 混頻器本身有差落衰減， 本頻和射頻混頻之后它并不是只有一個單一中頻出來， 它的中頻信號非常豐富， 所有這些信號都會從混頻器中輸出。 在眾多的諧波分量中， 只對一個中頻感興趣。 這就是前面所說的21.4MHz。這是在儀器器件中已做好的，用一個帶通濾波器把中心頻率設在21.4MHz，濾除其它信號，提取 21.4MHz的中頻信號。通過中頻濾波器輸出的信號，才是我們所要檢測的信號。濾波器在工作中有幾個因素：中心頻率

9、是 21.4MHz，固定不變，其 30dB帶寬可以改變。比如對廣播信號來說，其帶寬一般是幾十 kHz，若信號帶寬是 25kHz，中頻的帶寬一定要大于 25kHz。這樣，才能使所有的信號全部進來。如果太寬，就會混入其它信號；如果太窄，信號才進來一部分，或是低頻成份，或是高頻成份。這樣信號是解調不出來的。中頻帶寬設置根據實際工作的需要來決定的。 當然它會影響其它很多因素， 如底噪聲、信號解調的失真度等。經過中頻濾波器的中頻信號功率就是反應了輸入信號的功率。 檢測的方法就是用一個檢波器， 將它變?yōu)殡妷狠敵觯?體現(xiàn)在縱軸的幅度。 當然還要經過 D/A 轉換和一些數據處理， 加一些修正和一些對數、 線性

10、變換。這足以給我們帶來信號分析上的許多方便。頻譜分析是要分析頻域的。一個信號要分析兩個參數，一是幅度，二是頻率。幅度已經得出，而頻率和幅度要對應起來，在某一頻率是什么幅度。 下面介紹一下頻率是如何測量的，如何與幅度對應起來。其實很簡單。 它是通過本振與掃描電壓對應起來的。 本振是一個壓流振蕩器。 本振信號是個掃描信號。 掃描控制是由掃描控制器來完成的。 它同時控制顯示器的橫坐標。從左到右當掃描電壓在 OV時，在顯示器上是 0 點，對本振信號來說是 F1 點，即起始頻率點。當掃描電壓到 10V時，在顯示器上是終止頻率點，本振電壓就是在終止頻率點， 中間是線性的。 通過這樣的方法， 使得顯示器坐標

11、的每一點與本振 F1、 F2 的每一點對應起來（射頻信號是本振信號減去中頻信號21.4MHz。當我們操作頻譜儀進行分析時，實際是在改變本振信號的頻率）。;. .;.下面簡單介紹一下用頻譜分析儀來評價發(fā)射機的方法。先了解一下發(fā)射機最基本的框圖，見圖 3。首先是一個調制部分將基帶信號調制到中頻信號，然后將中頻信號上變頻到射頻信號上， 還有一個與之相對的本振信號，對射頻信號進行預放，再進行功率放大之后送到天線上發(fā)射。如何用頻譜儀對這樣一個發(fā)射機進行測量。 首先對它的發(fā)射信號從測量端口進行測量（若是把發(fā)射信號直接送入頻譜儀，必然會把儀器燒壞）。在這里我們要測其功放的失真，發(fā)射信號的頻率、功率。對發(fā)射機

12、內部預放失真、增益、噪聲系數，混頻器的輸出功率，輸入功率進行測量，得到混頻器的差落損耗。對混頻器的輸出功率進行準確測量， 了解其工作點。 對混頻器的本振信號進行測量， 得出本振信號的輸出頻率，了解其頻率精度。這個頻率精度也就決定了發(fā)射機的精度。通過以上這些測量，可以得到對于發(fā)射機內部信號、 器件和輸出信號的多項參數，以描述這個發(fā)射機的性能。 作為通訊的監(jiān)測， 一般不去檢測其內部的器件， 只檢測其頻率、功率。只要這兩項指標正常，就可以判定這部發(fā)射機是正常工作。了解頻譜儀的功能，必須要考察頻譜儀的內部噪聲、失真等等。一個放大器，要測它的失真、三階交調失真和諧波失真。 三階交調失真是當對一個放大器輸

13、入二個頻率相近（如差 10kHz）的信號，幅度一樣，由于放大器是非線性器件，在對這兩個信號進行功率放大時，也會產生一些其它信號，如 2F1-F2 和 2F2-F1，這兩種信號就是三階交調失真（見圖 4 上）。它的特性非?？拷虚g的信號，上面和下面都相差 10kHz 均勻排開。假設這個信號的帶寬是 20kHz，這兩個交調失真的信號肯定會進到信號的帶寬內， 對信號產生干擾。 為了不干擾正常的通訊， 我們必須測量這失真信號的大小。 描述的方法是這失真信號的幅度與正常的信號幅度之差，稱之為失真量。 另外一種放大器的失真是諧波失真。當對放大器輸入一個點頻信號 F1，這個放大器會造成 F2、 F3，兩倍或

14、三倍的多次諧波。若是正好在 2F1 等處有其它信號，就會造成干擾（見圖 4 下）。一個放大器存在以上兩種失真。 我們用頻譜儀去測量這些失真的大小。 定義三階交調失真為載波信號與失真信號的功率差。 定義諧波失真為載波信號與某次諧波的功率差。輸入被測放大器兩個信號 F1、 F1+10kHz，然后送入頻譜儀進行測量。用兩個信號源通過混合器再經過衰減器進入一個帶通濾波器， 以確保進入放大器的信號只是 F1 和 F1+10kHz，沒有其它成份。這個放大器產生交調失真的值是大于50dB，也就是失真信號與要放大的信號之間的差值幅度為50dB。它的二次諧波相差;. .;.40dB，三次諧波相差 50dB（測量

15、諧波失真要關閉一個信號發(fā)生器的輸出），見圖 5。由于頻譜儀內部含有混頻器，其特點是與有源器件放大器一樣的。當輸入信號為兩個信號或是點頻信號時，這個混頻器也會產生以上所述的失真，并在頻譜儀上反應出來，給測量帶來誤差。如何把頻譜儀誤差降低變?yōu)榭蓽y？對于一種測量， 可以使它成為可測， 也可以使它成為不可測。 這完全取決于頻譜儀的設置。包括對衰減器、頻率范圍、分辨率帶寬的設置。頻譜儀的設置主要有頻率范圍、 分辨率和動態(tài)范圍， 而動態(tài)范圍又會涉及到最大的輸入功率即燒毀功率，增益壓縮使小于 1W的輸入信號如果超過線性工作區(qū)也會有誤差。還有靈敏度。要從以上幾個主要方面來考慮頻譜儀對輸入的信號是否可測?，F(xiàn)在來

16、看第一項參數頻率范圍。這個參數要從兩個方面看， 一是頻率范圍的設置是否足夠的窄，具有足夠的頻率分辨能力，也就是窄的掃頻寬度（見圖 6）。二是頻率范圍是否有足夠的寬度，是否可以測到二次、三次諧波。當我們用一個頻譜儀測量一個放大器的諧波失真的時候，若這個放大器工作點是 1GHz，那么它的三次諧波就是 3GHz。這就是要考慮頻率范圍的最大可測寬度。如果頻譜儀是 1.8GHz 的，那么就不能測量；如果是 26.5GHz 的頻譜儀，當然可以測到它的三次，四次諧波。第二類指標是分辨率。 這是頻譜分析儀中非常重要的參數設置。 分辨率表示當要測量的是 F1、而在 F1 的附近有另一個 F2（見圖 7）。但它們

17、的功率不一樣，這時看能不能將它們區(qū)分開。 將這個中頻帶寬設置成三種不同的寬度， 下面所對應的就是在這一帶寬設置時所看到的曲線 （顯示線） 。很顯然中頻帶寬越窄分辨率越高，中頻帶寬越寬分辨率越低。 分辨率帶寬直接影響到小信號的識別能力和測量的結果。;. .;.分辨率實際上就是分辨兩個信號的能力， 中頻濾波器的 3dB 帶寬就是分辨率帶寬（見圖 8）。對信號的分辨除了分辨率帶寬會影響之外， 還有一個參數， 濾波器的形狀因數（見圖 9），即濾波器 60dB對 3dB帶寬之比值。形狀因數越小越接近 3dB 帶寬。越陡峭就越接近于矩形， 這時分辨能力就越強。 所以說形狀因數越小， 分辨能力越強。模擬濾波

18、器一般為 15:1 或是 11:1 ，而數字濾波器是 5:1 。對于一個信號的分辨能力還有兩個因素：剩余調頻和噪聲邊帶（見圖 10) 。剩余調頻是本振信號的抖動， 這是無法避免的工藝問題。 這種抖動決定了它能分辨信號間的小頻率范圍。 如果兩個信號相差頻率是小于這個抖動范圍， 那么就;. .;.無法把這兩個信號分辨出來。 所以剩余調頻這個指標就決定了頻譜分析儀的最小可分辨的頻率差。 對于 HP-859X來說是 20Hz，對于 ESA來講是 10Hz。噪聲邊帶在信號響應基底上表現(xiàn)得不穩(wěn)定，這個噪聲可能掩蓋近端（靠近載波）的低電平信號。 這個噪聲是由本振的抖動引起的， 在頻率域上的體現(xiàn)。 這個邊帶噪

19、聲降低了分辨能力。對于頻譜分析儀來說要降低邊帶噪聲是很困難的， 這涉及到其壓控振蕩器的制作工藝。而把濾波器的形狀因數做小是相對比較容易實現(xiàn)的。 所以我們評定一個頻譜儀的時候不僅要考慮它的邊帶噪聲，也要考察它的形狀因數。對于 HP-859X的頻譜儀，當分辨率帶寬變得很窄， 在 300Hz 以下時，其濾波器就自動切換到數字濾波器上。對于 859X 的頻譜儀其內部的濾波器全是模擬的，沒有數字濾波器。數字濾波器的測量速度要高于模擬。用不同設置的分辨率帶寬去測量交調信號。如圖11 所示。當測量 F1 和 F1+10kHz（F2）信號時，分辨率帶寬 BW設置成 10kHz，與兩個信號頻率差別是一樣的， 這

20、種情況下我們看到的是最外面的曲線， 正好將兩個信號分開。但不太容易分辨，只是知道是有兩個信號存在。我們將 BW下調一級，變成3kHz，圖 11 中的中間那條曲線，就可以將兩個信號分辨得非常清楚。但它的交調失真還是看不出來。我們再把 BW進一步降低成為 1kHz（實際是提高了分辨率），我們就可以更清晰地看到 F1 和 F2，同時也看到兩個失真信號。分辨率帶寬降低能提高分辨率， 但對測量來說分辨率降低會增加掃描時間。 這時我們可以對掃描時間進行人為設置，加快其掃描速度，提高測量速度。但是，由于掃描時間的改變會造成測量上的誤差， 具體就是頻率升高， 而幅度降低 （見圖12）。;. .;.所以作為一種

21、快速測量而不要求太高測量精度時， 可以采用這種方法， 但若要較高精度的測量，必須要使 BW與測量時間置于自動聯(lián)動，方可滿足準確測量的要求。頻譜分析儀第三個重要指標- 動態(tài)范圍。動態(tài)范圍表示當兩個信號同時出現(xiàn)時，測量其幅度差的能力。影響它的因素有最大輸入功率、非線性工作區(qū)域、 1dB壓縮點（有時為 0.5dB ）。頻譜儀內部的混頻器有一定的線性工作區(qū)域， 如果超過線性區(qū)域， 輸入功率的變化與輸出功率的變化即呈非線性。 輸出功率的變化量比輸入功率的變化量小， 造成功率壓縮。如果功率壓縮存在，我們所測得的功率值就是不準確的。那么我們如何判斷是否存在壓縮呢？可以利用頻譜儀內部的衰減器或外接衰減器來進行

22、判斷。將衰減器的衰減量設置在 10dB 時，測量混頻器的輸出功率。再將衰減器的衰減量增加 10dB，再去測量混頻器輸出功率也應線性地減小 10dB。若變化量不是 10dB，只有 7 或 8dB，說明混頻器已工作在非線性區(qū)域， 存在功率壓縮區(qū)。即使當頻譜儀工作在線性區(qū)域的時候， 混頻器仍然產生內部失真， 因為它是有源的非線性器件。 在最差的情況下， 內部失真完全可以覆蓋被測件的失真產物或是外來的諧波失真。 即使當內部失真低于要測信號的失真， 也會引起測量誤差。 因為當基波信號進入到頻譜儀時， 它同樣會產生二次和三次諧波。 這種失真是由頻譜儀內部產生的。 這一失真會與輸入信號的失真混疊起來， 最后

23、輸出的諧波分量要比真實的失真高。 這就造成了一定的測量誤差。 這要求頻譜儀所產生的內部失真要盡量地小，使最后迭加出來的信號，趨近于被測信號。 如何降低頻譜儀內部的諧波失真和交調失真。 這可利用失真特性， 二次或三次諧波在數學公式上都存在這樣的特點，即若存在一個頻率為 F 的信號，其二次諧波為 2F，三次諧波為 3F。當兩個信號 F1、F2 存在，其交調失真有 2F1-F2、2F2-F1 等等，見圖 13。當 F 信號功率變化 1時， 2F 功率會變化 2，它的三次諧波會變化 3。變化量分別是其 2 倍和 3 倍。也就是說當輸入功率降低 1dB，二次諧波和三次諧波分別會降低 2dB 和 3dB。

24、交調失真是當 F1、F2 分別變化 1， 2F1-F2 和對應的 2F2-F1 均變化 3，這就是其特點。 在測量時，頻譜分析儀本身產生的二次諧波信號越高，它測量的范圍越差。我們用輸入信號 F0 的功率值和產生信號諧波功率值之差來進一步定義動態(tài)范圍。 凡是被測信號落在這一范圍之內， 都可以測出。;. .;.如何使動態(tài)范圍增大（見圖14），我們可以利用上面所說的數學特性，只要將F0 的功率降低 1dB，2F0 會降低 2dB。這就使動態(tài)范圍增大了 1dB。若 F0 的功率降低 10dB，其動態(tài)范圍也會隨之增大 10dB。三次失真的降低速度會更快。二次諧波和三次諧波的動態(tài)范圍是呈線性變化的，只是斜

25、率不一樣。我們用動態(tài)范圍和功率值建立一個坐標系，可以得到圖15 的曲線，橫坐標實際是混頻器 F0 輸入功率值，縱坐標就是內部失真電平。在動態(tài)范圍的圖上劃出由基波產生的二次和三次失真產物與基波信號的相對關系。當一個混頻器F0 的功率為 0dB，它的二次諧波失真信號的功率是固定的， 差值也是固定的。 可以看出，當功率降低越低，動態(tài)范圍就越大。三次諧波更是如此。由此得出，混頻器輸入的功率越小，其動態(tài)范圍就越大。對于小信號的測量還有一個影響因素是它的噪聲底。 一個被測信號在儀器本身的失真范圍之下是不可測的， 若隱含在儀器本身的噪聲底之下也是無法檢測的。 那么噪聲底由誰來決定？噪聲底的第一個因素是衰減量

26、（見圖 16）。當衰減器的衰減量為 10dB 時，我們可以看到這些噪聲曲線，同時看到一個小信號。當衰減量變成 20dB，噪聲底會抬高 10dB，小信號就會被覆蓋在平均噪聲功率之下，變成不可測量。 所以衰減量會影響儀器的噪聲底， 并降低了信噪比。 所以要用盡可能小的輸入衰減以獲得最好的信噪比。;. .;.在實際的測量中， 顯示的信號電平不會隨衰減的增加而下降。 這是因為當衰減降低了加到檢波器的信號電平時，中頻放大器會增加 10dB 來補償這個損失，這使熒光屏上的信號幅度保持不變。但噪聲電平被放大、增加了10dB。另一個因素是中頻濾波器的帶寬（見圖17），帶寬越寬，進來的噪聲越多，功率當然也就越高

27、。帶寬降低 10 倍，噪聲功率也會降低 10 倍；帶寬降低 100 倍，噪聲功率也會降低 100 倍。 BW從 100kHz 變成 10KHz，其噪聲平均顯示電平會降低 10dB。所以說頻譜儀的噪聲是在一定的分辨帶寬下定義的。 廣義上說，頻譜分析儀的最低噪聲電平是在最小分辨率帶寬下得到的。當頻譜儀設置的分辨帶寬以及衰減量固定時， 那么它的噪聲底也就固定了。 這時信號的檢測能力也決定了。 當小信號低于噪聲底時就不可測量， 高于噪聲底就變得可測。這個測量范圍就是被測信號與噪聲底的比值。信號若比噪聲底高 10dB，可測范圍就是 10dB。這一信噪比我們置于縱坐標上， 輸入功率在橫坐標上。 （見圖 18）當噪聲底固定的話，假設把 BW設置在 1kHz時，衰減量不變，那么它的噪聲是不變的，這時設輸入功率為 -40dB，信噪比是 75dB。當輸入功率為 -30dB 時，信噪比為 85dB。從此