第9章頻譜分析儀的使用

1、 第9章 頻譜分析儀的使用 1學會頻譜分析儀的使用(GSP-827型)2掌握頻譜分析儀的工作原理3了解頻譜分析儀的工作特性學習目標9.1概述 1、信號的定義及種類 信號的概念廣泛出現于各領域中。這里所說的均指電信號，按照信號隨時間變化的特點，可分為確定信號與隨機信號， 連續(xù)時間信號與離散時間信號 ，周期信號與非周期信號。 科學發(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V

2、2信號的矢量迭加（見圖9.1-1）。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、復制出來。F1、V1F2、V2 圖9.1-1 信號分析從技術實現來說，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

3、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。 也是我們本章主要介紹的一種儀器。2、頻譜及頻譜測量：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

4、的幅度譜稱為頻譜。頻譜測量即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。 3、 頻譜的兩種基本類型：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。連續(xù)頻譜，可視為譜線間隔無窮小，如非周期信號和各種隨機噪聲的頻譜4、周期性信號的頻譜特性： 1）離散性：頻譜是離散的，由無窮多個沖激函數組成；2）諧波性：譜線只在基波頻率的整數倍上出現，即譜線代表的是基波及其高次諧波分量的幅度或相位信息； 3）收斂性：各次諧波的幅度隨著諧波次數的增大而逐漸減小5、信號頻譜分析的內容： 通常頻譜分析是以付里葉分析為理論基礎，可對不同頻段的信號進行線

5、性或非線性分析。信號頻譜分析的主要內容包括兩部分：1）對信號本身的頻率特性分析，如對幅度譜、相位譜、能量譜、功率譜等進行測量，從而獲得信號在不同頻率處的幅度、相位、功率等信息； 2）對線性系統(tǒng)非線性失真的測量，如測量噪聲、失真度、調制度等。 GSP-827型頻譜分析儀的使用 GSP-827型頻譜分析儀1、面板介紹（面板結構如圖-1 ）顯示區(qū) 子菜單組 頻率、幅度、展幅 測量群組 控制群組 狀態(tài)群組 編輯鍵 輸入端口 旋鈕鍵 方向鍵 圖-1 GSP-827 頻譜儀面板結構2、熟悉GSP-827型頻譜分析儀的面板主要按鍵簡介：1）Frequency (頻率功能) 按鍵：可以通過數字鍵盤輸入、上/下

6、方向鍵輸入、旋鈕輸入 Center (中心頻率): 按下此旋鈕即可設置中心頻率的大小。 Start（開始頻率）：進行掃頻信號范圍的起始頻率設置。 Stop （截止頻率）：進行掃頻信號范圍的停止頻率設置 Step （步進）：選用上/下方向鍵調整頻率時，每一步頻率調整的大小在Step功能界定。 Peak to Center ：會在顯示器上找到峰值信號，然后改變中央頻率為峰值信號的頻率。2）Span（掃頻寬度）按鍵： Span（掃頻寬度）：界定測量的頻率范圍（即掃頻信號的范圍，該鍵的使用必須與Center配合）。 Fullspan（全展幅）：設定為開始頻率為零，結束頻率為2700MHz。 Zeros

7、pan (零展幅)：會停止頻率掃描并停留在中央頻率的位置，也就是只測量中央頻率。 Last Span: 回到最后設定的頻寬3） Amplitude (振幅)按鍵：RefLevel (參考準位)：在顯示器的最上層，建議信號的大小在RefLeve之下，以得到較精確的準位。Scale(刻度)：以10-5-2-1的順序切換刻度，注意精確度不會隨著不同刻度而改變，此為圖像放大功能。Unit(單位)：包括dBm、dBuv、dBmv和dBm/Hz4） BW（頻寬）按鍵：所有功能都有自動和手動模式，在全自動模式，這些參數都與Span互有關聯，也就是說，在不同的Span設定下，機器會自動選擇適當的RBW和VBW

8、組合。RBW（射頻帶寬）：在手動模式下，可選擇3kHz、30kHz、300kHz、4MHz。VBW （視頻帶寬）SwpTm（掃描時間）:直接輸入時，最少為100msec.5）Marker(光標)：可以通過Marker功能來分析具體的頻率和幅度。本機提供兩種光標操作模式，單一光標模式和多種光標模式。多種光標模式可以開啟高達十個光標，Markers to Peaks功能可使光標去尋找峰值信號，測量的頻率和幅度顯示在光標列表上。6） Peak Search(峰值搜索)：使用光標尋找峰值信號。 To Peak按下此鍵，屏幕上會出現一個峰值標記信號，此信號會出現在第一個峰值信號上。Next Peak :

9、 標記會自動跳到下一個峰值信號上。 Peak Right: 標記會向右移。Peak Left : 標記會左移。 Mark to center : 標記會移到中心位置的譜線上。儀器上還有一些其他按鍵，可參照說明書進行了解。3、三個主要按鍵說明 三個主要按鍵包括 ：頻率控制 、展幅控制、幅度控制1） Frequency頻率控制鍵：圖-2為其功能菜單。 測量頻率有兩個設定法：Center/Span 和Start/Stop。Span 代表測量的頻寬，在不知道測試頻率時,通常使用Center 和Span 。在特定的測試頻率使用Start和Stop 。 圖 -2 Frequency的功能菜單具體操作介紹：

10、 F1：Center設定，如圖-3，1、可直接用數字鍵設定；2、可用上/下方向鍵：向上或向下調整頻率，每一步階頻率調整的大小已在Step 功能界定。3、旋鈕：以旋轉方式調整中央頻率，每一調整步階為頻寬的1/500。 圖 -3 F1（center）的操作F2和F3：Start和Stop設置，如圖 -4。通常用數字鍵輸入；也可通過上/下鍵和旋轉鍵設置。 圖-4 F2、F3的操作F5：Peak to Center 會先找到峰值信號的頻率，然后改變中央頻率為峰值頻率，如圖-5所示。執(zhí)行這個功能時，不是所有光標都能被開啟。 圖-5 F5的操作2）Span功能詳細說明:如圖-6F1：Span 是界定測量的

11、頻率范圍F2：全展幅(Full Span) 的設定為2700MHz，也就是開始頻率為0，結束頻率為2700MHzF3：零展幅(Zero Span)會停止頻率掃描并停留在中央頻率的位置，也就是只測量中央頻率F4：LastSpan，最后一次的展幅圖 -6 Span 功能具體講解 F1（span）的操作如圖-7：上/下方向鍵和旋鈕：以1-2-5 的順序改變展幅(Span)。例如：1M、2M、5M、10M、20M、 50M、等等，在1kHz 頻寬之前的是0，最后在2.5GHz 之后的是 。編輯：用數字鍵輸入 圖-7 F1（Span）的操作3）振幅功能（如圖-8）說明 F1：參考準位(Ref Level

12、)，顯示在屏幕最上層，一般在Ref Level 之下輸入信號F2：Scale以10-5-2-1 的順序切換刻度，此為圖像放大的功能F3：單位(Unit）包括dBm、dBuV、dBmv 和dBm/HzF4：增益和消耗(ExtGain/Loss)的功能容許應用上引起的振幅偏移F5：Input Z 可切換50 和75 間的輸入阻抗，為軟件調整F6：Input Z Cal 可提供75 圖-8 Amplitude 功能菜單具體操作：F1（Ref Level）的操作（如圖-9）： 圖-9 F1（Ref Level）的操作 F2（Scale）的操作如圖 圖-10 F2（Scale）的操作 4、測量群組 測量

13、群組：包括光標(Marker)，峰值搜尋(Peak Search)，波形軌跡(Trace)、電源量測(Pwr Measure)和限制線(Limit Line)等鍵。1） Marker鍵，提供單一光標模式與多光標模式。單一光標模式只具有普通（Normal）模式，多光標模式還具有Mkr 模式。如圖-11。圖-11 Marker的操作選擇一般（Normal）模式，制定光標頻率，如圖-12。 圖-12 Marker的Normal模式2）Peak Search鍵，菜單如圖-13。 圖-13 Peak Search鍵的菜單峰值找尋（Peak Search）的功能是用游標去尋找顯示器上的峰值信號。Mkr-C

14、enter功能是將中央頻率變成光標所在的頻率。Next Peak是讓游標去尋找顯示器上下一個峰值信號。Peak Right讓游標去尋找右邊下一個峰值信號。Peak Left讓游標去尋找左邊下一個峰值信號。追蹤（Track）是讓光標一直不斷的去尋找峰值信號并將其移到顯示器的中央。這里主要看一下To Peak的作用，如圖-14。 圖 -14 To Peak的作用5、控制功能：包括頻寬(BW)、觸發(fā)(Trigger)、顯示器(Display)、儲存/叫出(Save/Recall)等功能。這里主要介紹頻寬（BW）的應用，其組成如圖-15， 圖-15 頻寬（BW）菜單BW功能包括RBW、VBW和Swee

15、pTime。所有功能都有自動（Auto）和手動（Manual）模式，在全自動模式，這些參數都與展幅（Span）互有關聯，也就是說，在不同的Span設定下，本機會自動選擇最適當的RBW和VBW組合。BW的每一參數都可分別以手動模式設定。 在手動模式下，RBW的檔位有3k、30k、300k、和4MHz；VBW以1-3的順序，選擇在10Hz到1MHz之間。將 SweepTime 改為Manu 模式，直接可輸入掃描時間，最少為100ms.一般用戶會在調整中會出現調亂的現象，即掃描速度越來越慢，Span不知道正確的位置等等?？焖俚幕謴头椒ㄈ缦拢?先按系統(tǒng)菜單System,選子菜單中more第二頁，再按F

16、2 System Preset系統(tǒng)重置，即可恢復出廠時的狀態(tài)，請注意這時的亮度會變暗一點，還要調整顯示Display菜單下的LCD Cntrst設置滿意的亮度。其他的操作具體參照說明書 GSP-827型頻譜分析儀操作指導 對于信號的頻譜測量具體操作過程如下：（頻譜儀功能很多，其它應用參考說明書）被測信號輸入，a) Frequency頻率設置，以確定掃描寬度；（譜線輪廓在屏幕基本可見）b) Amplitude幅度設置，以確定Ref Levele與Unite，保證譜線在屏幕上高度合適；c) BW設置，一般將RBW設置為3k，保證譜線更加理想化；d) Peak Search設置，峰值找尋的功能是用游

17、標去尋找顯示器上的峰值信號；以確定譜線的頻率與幅度。實例操作 例：F40輸出方波信號，頻率為2MHz，幅度分為2Vpp ,用頻譜分析儀觀察基波及七次以內的諧波分量。操作步驟：a) 按【Frequency】鍵，子菜單F2（Star）設為0KHz，F3（Stop）設為16MHz；b) 按【Amplitude】鍵，子菜單F1（Ref level）設為0dB,F2(Scale)設為10dBm;c) 按【BW】鍵, 將RBW手動設置為3k; d) 按【Peak Search】鍵，用游標去尋找顯示器上的峰值信號，Next Peak讓游標去尋找顯示器上下一個峰值信號；并將每個峰值信號的參數顯示于屏幕右上角。

18、 GSP-827型頻譜分析儀操作練習 1、用F40輸出方波信號，頻率為2MHz，幅度分為2Vpp 或10mVpp，用頻譜分析儀觀察基波及七次以內的諧波分量。2、用F40和EE1641B分別輸出正弦波信號，頻率為2MHz，幅度為200mVpp，用頻譜分析儀觀察基波、二次諧波，三次諧波信號。理想的正弦波信號只有基波分量，二次以上諧波的幅度為零，現實中這是很難完全實現的，因此我們對正弦波信號定義了失真度，即諧波分量的有效值與基波分量有效值之比的百分比。我們可以通過失真度儀來測量信號的失真度，也可以對信號進行頻譜分析觀察其基波、二次諧波、三次諧波成分。頻率設置時可選擇Start 低于需要觀察的最低頻率

19、，Stop高于需要觀察的最高頻率。被觀察的信號頻譜完整的顯示在屏幕上后，可以通過多光標功能來分析具體的頻率和幅度。并依此比較兩種信號源的性能。3、用F40高頻信號發(fā)生器輸出調幅波信號：載波為正弦波，頻率1MHz，幅度10mVpp, 調制信號為正弦波，頻率20KHz.,調制深度50%。觀測其頻譜分布。 圖-16 調幅波的頻譜圖 調幅是將低頻的調制信號頻率搬移到高頻的載波信號附近，其頻譜分析如上圖-16。頻率設置時Center可選擇載波頻率，Span應大與調制信號頻率的兩倍。參考準位的設置應考慮輸入信號有效值的單位轉換，如10mVpp信號的有效值約為3.57mVrms,阻抗匹配為50時，電平值約等

20、于-36dBm。4、接收外部信號外差掃頻即外差接收機原理，用它可接收廣播信號、手機信號等。 同學們可根據以上對于儀器的使用，利用天線接收空中電磁波，進行練習。頻譜儀的操作注意事項  影響頻譜分析儀幅度譜跡線顯示的因素有頻率（橫軸）、幅度（縱軸）兩方面。1）頻率（1）與頻率顯示有關的頻譜儀指標  頻率范圍：頻譜儀能夠進行正常工作的最大頻率區(qū)間。（例GSP-827 頻率范圍9K2.7GHz）。掃描寬度（Span）：表示頻譜儀在一次測量（即一次頻率掃描）過程中所顯示的頻率范圍，可以小于或等于輸入頻率范圍。通常根據測試需要自動調節(jié)，或手動設置。(利用Star與Stop 設置正確)。

21、頻率分辨率：能夠將最靠近的兩個相鄰頻譜分量（兩條相鄰譜線）分辨出來的能力。頻率分辨率主要由中頻濾波器的帶寬（RBW） 和選擇性決定，但最小分辨率還受到本振頻率穩(wěn)定度的影響。在FFT分析儀中，頻率分辨率取決于實際采樣頻率和分析點數。掃描時間（ST）：進行一次全頻率范圍的掃描、并完成測量所需的時間。通常希望掃描時間越短越好，但為了保證測量精度，掃描時間必須適當。與掃描時間相關的因素主要有掃描寬度、分辨率帶寬、視頻濾波。相位噪聲：反映了頻率在極短期內的變化程度，表現為載波的邊帶。相噪由本振頻率或相位不穩(wěn)定引起，本振越穩(wěn)定，相噪就越低；同時它還與分辨率帶寬RBW有關，RBW縮小10倍，相噪電平值減小1

22、0dB。通過有效設置頻譜儀，相噪可以達到最小，但無法消除。 （2）與頻率顯示有關的頻譜儀功能設置鍵Span：設置當前測量的頻率范圍。中心頻率：設置當前測量的中心頻率。RBW：設置分辨率帶寬。通常RBW的設置與Span聯動。 2）幅度 （1）與幅度顯示有關的頻譜儀指標  動態(tài)范圍：同時可測的最大與最小信號的幅度之比。通常是指從不加衰減時的最佳輸入信號電平起，一直到最小可用的信號電平為止的信號幅度變化范圍。靈敏度：靈敏度規(guī)定了頻譜儀在特定的分辨率帶寬下、或歸一化到1Hz帶寬時的本底噪聲，常以dBm為單位。靈敏度指標表達的是頻譜儀在沒有輸入信號的情況下因噪聲而

23、產生的讀數，只有高于該讀數的輸入信號才可能被檢測出來。參考電平：頻譜儀當前可顯示的最大幅度值，即屏幕上頂格橫線所代表的幅度值（Ref Level）。（2）與幅度顯示有關的頻譜儀功能設置鍵縱坐標類型：選擇縱坐標類型是線性（V、mV、V等）還是對數（dB、dBc、dBm、dBv、dBv等）?？潭?div：選定坐標類型之后，選擇每格所代表的刻度值。參考電平：確定當前可顯示的最大幅度值，該值的單位與已選擇的坐標類型相同。3）  其他功能鍵Marker：開啟Marker功能，可以對當前顯示跡線所對應的測量值進行多種標識。常用功能如：尋找峰值(Pek Sercher)，即把Marker指向跡線的

24、幅度最大值處，并顯示該最大幅度值以及最大幅值點的頻率值；相對測量，使用2個Marker，測量它們各自所在位置的幅度、頻率差，等等。保存：可以保存如當前參數設置、測量結果以及屏幕顯示等各類數據，并提供多種保存方式，如：可存為文本文件、ASCII碼文件、位圖圖片文件等。輸入鍵：用于輸入將要設置的數值，如Span、中心頻率、RBW、參考電平等?？梢允褂脭底?、單位鍵，也可以扭動旋鈕連續(xù)調節(jié)。 GSP-827型頻譜分析儀主要技術指標1）2）頻率相位噪聲：-85dBc/Hz典型值1GHz 20可Hz3）振幅輸入范圍： -100dBm到+20dBm,1M到2.5GHz3k RBW -95dBm到+20dBm

25、, 2.5GHz到2.7GHz3k RBW -70dBm到+20dBm,150k到1MHz3k RBW -100dBm到+20dBm,50k到150kHz3k RBW4）幅度參考準位：-30到+20dBm 過載保護 -125 -105 dBm/Hz，150kHz 到1MHz -95 dBm/Hz，50k 到150 kHz6)、輸入阻抗：50/757)、RBW帶寬選擇：3kHz、30kHz、300kHz、4MHz8)、VBW頻寬 10Hz到1MHz以 1-3的步驟9）9.3 頻譜分析儀的基本原理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、

26、非實時分析法兩種實現方法。 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(xù)信號和周期信號的頻譜測量。通常用一系列窄帶濾波器濾出被測信號在各個頻率點的頻譜分量，這種同時并行作業(yè)的測量方法稱為實時分析。但需要大量的硬件。 頻譜分析儀一般采用非實時分析方法。根據工作原理，可將頻譜儀分為模擬式與數字式兩大類。模擬式頻譜儀是以模擬濾波器為基礎的，應用廣泛，我們這里主要討論模擬式頻譜儀頻譜分析儀工作原理（1）順序濾波式順序濾波頻譜儀，由多個通帶互相銜接的帶通濾波器和共用檢波器構成。用多個頻率固定且相鄰的窄帶帶通濾波器陣列來區(qū)分被測信號的各種頻率成分，因此得以全面記錄被測信號

27、。 順序濾波頻譜儀組成如圖輸入放大器輸入濾波器1濾波器2濾波器3濾波器n檢波器放大器階梯波掃描發(fā)生器fo1fo2fo3fonK圖 順序濾波式頻譜儀組成輸入信號經放大后送入一組帶通濾波器，這些濾波器的中心頻率分別為fo1fo2fon，由各個濾波器選出的頻率分量通過與階梯波掃描電壓同步的步進換接開關K順序接入檢波器，經檢波、放大后加到示波管垂直偏轉板。示波器水平偏轉板上加的即是上述的階梯波掃描電壓。 （2）外差式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（掃描信號發(fā)生器的頻率）來捕獲待測信號的不同頻率分量。也稱掃頻外差式頻譜儀。

28、掃頻外差式方案是實施頻譜分析的傳統(tǒng)途徑，在高頻段占據優(yōu)勢地位。 其組成框圖如9.3-2（a）： （a）組成框圖圖 外差式頻譜儀組成及頻譜圖（b）理想譜線（c）實際譜線這種方法的中頻窄帶濾波器是固定的，只要改變本級振蕩的掃頻信號頻率即能達到選頻目的。即輸入信號中的各個頻率成分在混頻器中與掃頻信號產生差頻，它們依次落入窄帶濾波器的通頻帶內，被濾波器選出，并經檢波器加到示波管的垂直偏轉板，即光點垂直偏移正比于該頻率分量的幅值。同時，由于示波管的掃描電壓就是掃頻信號的調制電壓，故水平軸已變成頻率軸。屏幕上將顯示輸入信號的頻譜圖。 實際上，高中頻很難實現帶通濾波和性能良好的檢波，需要進行多級變頻（混頻）

29、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。如圖 所示，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。 圖 多次變頻1） 帶通濾波器的影響由于帶通濾波器存在一定的帶寬，所以顯示的譜線并非理想的直線，而是一種窄帶濾波器的動態(tài)幅頻特性曲線。帶通濾波器的性能指標：帶寬，通常是指3dB帶寬，或稱半功率帶寬。如圖 圖 3dB 帶寬分辨率帶寬（RBW）：反映了濾波器區(qū)分兩個相同幅度、不同頻率的信號的能力。如圖9.3-5。 圖 分辨率帶寬2） 檢波器：在模擬式頻譜儀中，采用檢波器來產生與中頻交流信號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

30、。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。 3） 視頻濾波器通常，檢波器后面會有一級視頻濾波器，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。它的基本原理：視頻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于分辨率帶寬時，視頻系統(tǒng)跟不上中頻信號包絡的快速變化，因此使信號的起伏被“平滑”掉。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 < 0.01 時，平滑效果非常明顯。由于使用了濾波器，掃描時間受限于中頻濾波器和視頻濾波器的響應時間。若不滿足所需的最短掃描時間，濾波器未達到穩(wěn)態(tài)，會導致信號的幅度損耗和頻率偏移。為避免因此引起的測量誤差，分辨率帶寬RBW、視頻帶寬VBW、掃描時間ST及掃描寬度