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(duì)于信號(hào)分析來說是不可少的。它是利用頻率域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析、研究，同時(shí)也應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如通訊發(fā)射機(jī)以及干擾信號(hào)的測(cè)量，頻譜的監(jiān)測(cè)，器件的特性分析等等，各行各業(yè)、各個(gè)部門對(duì)頻譜分析儀應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)也不盡相同。下面結(jié)合我臺(tái)DSNG衛(wèi)星移動(dòng)站的工作特點(diǎn)，就電視信號(hào)傳輸過程中利用頻譜分析儀捕捉衛(wèi)星信標(biāo)，監(jiān)控地面站工作狀態(tài)等方面，簡(jiǎn)要介紹一下頻譜分析儀的工作原理?？茖W(xué)發(fā)展到今天，我們可以用許多方法測(cè)量一個(gè)信號(hào)，不管它是什么信號(hào)。通常所用的最基本的儀器是示波器，觀察信號(hào)的波形、頻率、幅度等。但信號(hào)的變化非常復(fù)雜，許多信息是用示波器檢測(cè)不出來的，如果我們要恢復(fù)一個(gè)非正弦波信號(hào)F，

2、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(hào)的矢量迭加（見圖1）。從分析手段來說，示波器橫軸表示時(shí)間，縱軸為電壓幅度，曲線是表示隨時(shí)間變化的電壓幅度。這是時(shí)域的測(cè)量方法，如果要觀察其頻率的組成，要用頻域法，其橫坐標(biāo)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(diǎn)上功率幅度的分布，就可以了解這兩個(gè)（或是多個(gè)）信號(hào)的頻譜。有了這些單個(gè)信號(hào)的頻譜，我們就能把復(fù)雜信號(hào)再現(xiàn)、復(fù)制出來。這一點(diǎn)是非常重要的。對(duì)于一個(gè)有線電視信號(hào)，它包含許多圖像和聲音信號(hào)，其頻譜分布非常復(fù)雜。在衛(wèi)星監(jiān)測(cè)上，能收到多個(gè)信道，每個(gè)信道都占有一定的頻譜成份，每個(gè)頻率點(diǎn)上都占有一定的帶寬。這些信號(hào)都要從

3、頻譜分析的角度來得到所需要的參數(shù)。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)來說，目前有兩種方法對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行分析。 其一是對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域的采集，然后對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，將其轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)。我們把這種方法叫作動(dòng)態(tài)信號(hào)的分析方法。特點(diǎn)是比較快，有較高的采樣速率，較高的分辨率。即使是兩個(gè)信號(hào)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(shù)字采樣，所能分析信號(hào)的最高頻率受其采樣速率的影響，限制了對(duì)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(cè)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(hào)的分析，如聲音，振動(dòng)等。另一方法原理則不同。它是靠電路的硬件去實(shí)現(xiàn)

4、的，而不是通過數(shù)學(xué)變換。它通過直接接收，稱為超外差接收直接掃描調(diào)諧分析儀。我們叫它為掃描調(diào)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(diǎn)是掃描調(diào)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(huì)很強(qiáng)。目前的工藝水平，器件可達(dá)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(dá)到較高分辨率時(shí)，其分析測(cè)量的時(shí)間會(huì)有所增加。在實(shí)際工作中，無線信號(hào)衛(wèi)星信號(hào)的監(jiān)督，由于其頻率很高，都是采用掃描調(diào)諧的方式。它所能給我們的信息沒有相位參數(shù)，只有幅度、頻率。它是一種標(biāo)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(diào)諧器

5、件的控制，還有很高的動(dòng)態(tài)范圍。下面我們著重介紹一下掃描調(diào)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(jī)的方式來實(shí)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(cè)信號(hào)下變至中頻21.4MHz，然后在中頻上進(jìn)行處理，得到幅度。在下變頻的過程中，是由本振來實(shí)現(xiàn)下變頻的。本振信號(hào)是掃描的，本振掃描的范圍覆蓋了所要分析信號(hào)的頻率范圍。所以調(diào)諧是在本振中進(jìn)行的。全部要分析的信號(hào)都下變頻到中頻進(jìn)行分析并得到譜頻。這與日常所用的電視機(jī)、收音機(jī)的原理是一樣的。但是有線電視輸出信號(hào)范圍很廣，比如有50個(gè)頻道播放。這50個(gè)信號(hào)是同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)的，其總功率是迭加的。而所看的電視節(jié)目只能是其

6、中之一。同理，送入頻譜儀的輸入端口信號(hào)是所采集信號(hào)的總和，其中包括所要分析的特定信號(hào)，所輸入到頻譜儀的功率是總功率。由此要引入一個(gè)參數(shù)-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(hào)功率總和不能超過1瓦，否則將會(huì)燒毀儀器的衰減器和混頻器。例如，我們要監(jiān)測(cè)一個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，假設(shè)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(hào)是由很多信號(hào)迭加組成的，若是在其它某一頻率上包括一個(gè)很強(qiáng)的信號(hào)，即使你沒有看到這個(gè)大功率信號(hào)，若輸入信號(hào)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(hào)并不是你所要分析的信號(hào)。這是我們?cè)谌粘９ぷ髦行瓒嗉有⌒牡模驗(yàn)?/p>

7、更換混頻器的費(fèi)用是很高的。當(dāng)然，頻譜儀在輸入信號(hào)時(shí)并沒有直接將其接入混頻器，而是首先接入一個(gè)衰減器。這不會(huì)影響最終的測(cè)量結(jié)果，完全是為了儀表內(nèi)部的協(xié)調(diào)，如匹配、最佳工作點(diǎn)等等。它的衰減值是步進(jìn)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(huì)損壞器件。另外，還應(yīng)注意不能有靜電，因?yàn)殪o電的瞬時(shí)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(huì)有很好的效果，當(dāng)然要有保護(hù)接地會(huì)更好。在中頻，所有信號(hào)的功率幅度值與輸入信號(hào)的功率是線性關(guān)系。輸入信號(hào)功率增大，它也增大，反之相同。所以我們檢測(cè)中頻信號(hào)是可行的。另外，為了有效檢測(cè)，要有一個(gè)內(nèi)部中頻信號(hào)放大?；祛l器本身

8、有差落衰減，本頻和射頻混頻之后它并不是只有一個(gè)單一中頻出來，它的中頻信號(hào)非常豐富，所有這些信號(hào)都會(huì)從混頻器中輸出。在眾多的諧波分量中，只對(duì)一個(gè)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(gè)帶通濾波器把中心頻率設(shè)在21.4MHz，濾除其它信號(hào)，提取21.4MHz的中頻信號(hào)。通過中頻濾波器輸出的信號(hào)，才是我們所要檢測(cè)的信號(hào)。濾波器在工作中有幾個(gè)因素：中心頻率是21.4MHz，固定不變，其30dB帶寬可以改變。比如對(duì)廣播信號(hào)來說，其帶寬一般是幾十kHz，若信號(hào)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(hào)全部進(jìn)來。如果太寬，就會(huì)混入其它信號(hào)；如

9、果太窄，信號(hào)才進(jìn)來一部分，或是低頻成份，或是高頻成份。這樣信號(hào)是解調(diào)不出來的。中頻帶寬設(shè)置根據(jù)實(shí)際工作的需要來決定的。當(dāng)然它會(huì)影響其它很多因素，如底噪聲、信號(hào)解調(diào)的失真度等。經(jīng)過中頻濾波器的中頻信號(hào)功率就是反應(yīng)了輸入信號(hào)的功率。檢測(cè)的方法就是用一個(gè)檢波器，將它變?yōu)殡妷狠敵?，體現(xiàn)在縱軸的幅度。當(dāng)然還要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和一些數(shù)據(jù)處理，加一些修正和一些對(duì)數(shù)、線性變換。這足以給我們帶來信號(hào)分析上的許多方便。頻譜分析是要分析頻域的。一個(gè)信號(hào)要分析兩個(gè)參數(shù)，一是幅度，二是頻率。幅度已經(jīng)得出，而頻率和幅度要對(duì)應(yīng)起來，在某一頻率是什么幅度。 下面介紹一下頻率是如何測(cè)量的，如何與幅度對(duì)應(yīng)起來。其實(shí)很簡(jiǎn)單。它是通過

10、本振與掃描電壓對(duì)應(yīng)起來的。本振是一個(gè)壓流振蕩器。本振信號(hào)是個(gè)掃描信號(hào)。掃描控制是由掃描控制器來完成的。它同時(shí)控制顯示器的橫坐標(biāo)。從左到右當(dāng)掃描電壓在OV時(shí)，在顯示器上是0點(diǎn)，對(duì)本振信號(hào)來說是F1點(diǎn)，即起始頻率點(diǎn)。當(dāng)掃描電壓到10V時(shí)，在顯示器上是終止頻率點(diǎn)，本振電壓就是在終止頻率點(diǎn)，中間是線性的。通過這樣的方法，使得顯示器坐標(biāo)的每一點(diǎn)與本振F1、F2的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來（射頻信號(hào)是本振信號(hào)減去中頻信號(hào)21.4MHz。當(dāng)我們操作頻譜儀進(jìn)行分析時(shí)，實(shí)際是在改變本振信號(hào)的頻率）。下面簡(jiǎn)單介紹一下用頻譜分析儀來評(píng)價(jià)發(fā)射機(jī)的方法。先了解一下發(fā)射機(jī)最基本的框圖，見圖3。首先是一個(gè)調(diào)制部分將基帶信號(hào)調(diào)制到中頻信

11、號(hào)，然后將中頻信號(hào)上變頻到射頻信號(hào)上，還有一個(gè)與之相對(duì)的本振信號(hào)，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)放，再進(jìn)行功率放大之后送到天線上發(fā)射。如何用頻譜儀對(duì)這樣一個(gè)發(fā)射機(jī)進(jìn)行測(cè)量。首先對(duì)它的發(fā)射信號(hào)從測(cè)量端口進(jìn)行測(cè)量（若是把發(fā)射信號(hào)直接送入頻譜儀，必然會(huì)把儀器燒壞）。在這里我們要測(cè)其功放的失真，發(fā)射信號(hào)的頻率、功率。對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)部預(yù)放失真、增益、噪聲系數(shù)，混頻器的輸出功率，輸入功率進(jìn)行測(cè)量，得到混頻器的差落損耗。對(duì)混頻器的輸出功率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，了解其工作點(diǎn)。對(duì)混頻器的本振信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，得出本振信號(hào)的輸出頻率，了解其頻率精度。這個(gè)頻率精度也就決定了發(fā)射機(jī)的精度。 通過以上這些測(cè)量，可以得到對(duì)于發(fā)射機(jī)內(nèi)部信號(hào)、器件和輸出

12、信號(hào)的多項(xiàng)參數(shù)，以描述這個(gè)發(fā)射機(jī)的性能。作為通訊的監(jiān)測(cè)，一般不去檢測(cè)其內(nèi)部的器件，只檢測(cè)其頻率、功率。只要這兩項(xiàng)指標(biāo)正常，就可以判定這部發(fā)射機(jī)是正常工作。了解頻譜儀的功能，必須要考察頻譜儀的內(nèi)部噪聲、失真等等。一個(gè)放大器，要測(cè)它的失真、三階交調(diào)失真和諧波失真。三階交調(diào)失真是當(dāng)對(duì)一個(gè)放大器輸入二個(gè)頻率相近（如差10kHz）的信號(hào)，幅度一樣，由于放大器是非線性器件，在對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行功率放大時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一些其它信號(hào)，如2F1-F2和2F2-F1，這兩種信號(hào)就是三階交調(diào)失真（見圖4上）。它的特性非常靠近中間的信號(hào)，上面和下面都相差10kHz均勻排開。假設(shè)這個(gè)信號(hào)的帶寬是20kHz，這兩個(gè)交調(diào)失真的信

13、號(hào)肯定會(huì)進(jìn)到信號(hào)的帶寬內(nèi)，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾。為了不干擾正常的通訊，我們必須測(cè)量這失真信號(hào)的大小。描述的方法是這失真信號(hào)的幅度與正常的信號(hào)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(dāng)對(duì)放大器輸入一個(gè)點(diǎn)頻信號(hào)F1，這個(gè)放大器會(huì)造成F2、F3，兩倍或三倍的多次諧波。若是正好在2F1等處有其它信號(hào)，就會(huì)造成干擾（見圖4下）。 一個(gè)放大器存在以上兩種失真。我們用頻譜儀去測(cè)量這些失真的大小。定義三階交調(diào)失真為載波信號(hào)與失真信號(hào)的功率差。定義諧波失真為載波信號(hào)與某次諧波的功率差。輸入被測(cè)放大器兩個(gè)信號(hào)F1、F1+10kHz，然后送入頻譜儀進(jìn)行測(cè)量。用兩個(gè)信號(hào)源通過混合器再經(jīng)過衰減器進(jìn)

14、入一個(gè)帶通濾波器，以確保進(jìn)入放大器的信號(hào)只是F1和F1+10kHz，沒有其它成份。這個(gè)放大器產(chǎn)生交調(diào)失真的值是大于50dB，也就是失真信號(hào)與要放大的信號(hào)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(cè)量諧波失真要關(guān)閉一個(gè)信號(hào)發(fā)生器的輸出），見圖5。由于頻譜儀內(nèi)部含有混頻器，其特點(diǎn)是與有源器件放大器一樣的。當(dāng)輸入信號(hào)為兩個(gè)信號(hào)或是點(diǎn)頻信號(hào)時(shí)，這個(gè)混頻器也會(huì)產(chǎn)生以上所述的失真，并在頻譜儀上反應(yīng)出來，給測(cè)量帶來誤差。如何把頻譜儀誤差降低變?yōu)榭蓽y(cè)？對(duì)于一種測(cè)量，可以使它成為可測(cè)，也可以使它成為不可測(cè)。這完全取決于頻譜儀的設(shè)置。包括對(duì)衰減器、頻率范圍、分辨率帶寬的設(shè)置。頻譜儀

15、的設(shè)置主要有頻率范圍、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，而動(dòng)態(tài)范圍又會(huì)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(hào)如果超過線性工作區(qū)也會(huì)有誤差。還有靈敏度。要從以上幾個(gè)主要方面來考慮頻譜儀對(duì)輸入的信號(hào)是否可測(cè)。現(xiàn)在來看第一項(xiàng)參數(shù)頻率范圍。這個(gè)參數(shù)要從兩個(gè)方面看，一是頻率范圍的設(shè)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(cè)到二次、三次諧波。 當(dāng)我們用一個(gè)頻譜儀測(cè)量一個(gè)放大器的諧波失真的時(shí)候，若這個(gè)放大器工作點(diǎn)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(cè)寬度。如果頻譜儀是1.8GHz的，那么就不

16、能測(cè)量；如果是26.5GHz的頻譜儀，當(dāng)然可以測(cè)到它的三次，四次諧波。第二類指標(biāo)是分辨率。這是頻譜分析儀中非常重要的參數(shù)設(shè)置。分辨率表示當(dāng)要測(cè)量的是F1、而在F1的附近有另一個(gè)F2（見圖7）。但它們的功率不一樣，這時(shí)看能不能將它們區(qū)分開。將這個(gè)中頻帶寬設(shè)置成三種不同的寬度，下面所對(duì)應(yīng)的就是在這一帶寬設(shè)置時(shí)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(hào)的識(shí)別能力和測(cè)量的結(jié)果。 分辨率實(shí)際上就是分辨兩個(gè)信號(hào)的能力，中頻濾波器的3dB帶寬就是分辨率帶寬（見圖8）。 對(duì)信號(hào)的分辨除了分辨率帶寬會(huì)影響之外，還有一個(gè)參數(shù)，濾波器

17、的形狀因數(shù)（見圖9），即濾波器60dB對(duì)3dB帶寬之比值。形狀因數(shù)越小越接近3dB帶寬。越陡峭就越接近于矩形，這時(shí)分辨能力就越強(qiáng)。所以說形狀因數(shù)越小，分辨能力越強(qiáng)。 模擬濾波器一般為15:1或是11:1，而數(shù)字濾波器是5:1。對(duì)于一個(gè)信號(hào)的分辨能力還有兩個(gè)因素：剩余調(diào)頻和噪聲邊帶（見圖10)。 剩余調(diào)頻是本振信號(hào)的抖動(dòng)，這是無法避免的工藝問題。這種抖動(dòng)決定了它能分辨信號(hào)間的小頻率范圍。如果兩個(gè)信號(hào)相差頻率是小于這個(gè)抖動(dòng)范圍，那么就無法把這兩個(gè)信號(hào)分辨出來。所以剩余調(diào)頻這個(gè)指標(biāo)就決定了頻譜分析儀的最小可分辨的頻率差。 對(duì)于HP-859X來說是20Hz，對(duì)于ESA來講是10Hz

18、。噪聲邊帶在信號(hào)響應(yīng)基底上表現(xiàn)得不穩(wěn)定，這個(gè)噪聲可能掩蓋近端（靠近載波）的低電平信號(hào)。這個(gè)噪聲是由本振的抖動(dòng)引起的，在頻率域上的體現(xiàn)。這個(gè)邊帶噪聲降低了分辨能力。對(duì)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(shù)做小是相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)的。所以我們?cè)u(píng)定一個(gè)頻譜儀的時(shí)候不僅要考慮它的邊帶噪聲，也要考察它的形狀因數(shù)。對(duì)于HP-859X的頻譜儀，當(dāng)分辨率帶寬變得很窄，在300Hz以下時(shí)，其濾波器就自動(dòng)切換到數(shù)字濾波器上。對(duì)于859X的頻譜儀其內(nèi)部的濾波器全是模擬的，沒有數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器的測(cè)量速度要高于模擬。用不同設(shè)置的分辨率帶寬去測(cè)量交調(diào)信號(hào)。如圖1

19、1所示。當(dāng)測(cè)量F1和F1+10kHz（F2）信號(hào)時(shí)，分辨率帶寬BW設(shè)置成10kHz，與兩個(gè)信號(hào)頻率差別是一樣的，這種情況下我們看到的是最外面的曲線，正好將兩個(gè)信號(hào)分開。但不太容易分辨，只是知道是有兩個(gè)信號(hào)存在。我們將BW下調(diào)一級(jí)，變成3kHz，圖11中的中間那條曲線，就可以將兩個(gè)信號(hào)分辨得非常清楚。但它的交調(diào)失真還是看不出來。我們?cè)侔袯W進(jìn)一步降低成為1kHz（實(shí)際是提高了分辨率），我們就可以更清晰地看到F1和F2，同時(shí)也看到兩個(gè)失真信號(hào)。分辨率帶寬降低能提高分辨率，但對(duì)測(cè)量來說分辨率降低會(huì)增加掃描時(shí)間。這時(shí)我們可以對(duì)掃描時(shí)間進(jìn)行人為設(shè)置，加快其掃描速度，提高測(cè)量速度。但是，由于掃描時(shí)間的改變

20、會(huì)造成測(cè)量上的誤差，具體就是頻率升高，而幅度降低（見圖12）。所以作為一種快速測(cè)量而不要求太高測(cè)量精度時(shí)，可以采用這種方法，但若要較高精度的測(cè)量，必須要使BW與測(cè)量時(shí)間置于自動(dòng)聯(lián)動(dòng)，方可滿足準(zhǔn)確測(cè)量的要求。頻譜分析儀第三個(gè)重要指標(biāo)-動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍表示當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，測(cè)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(diǎn)（有時(shí)為0.5dB）。頻譜儀內(nèi)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(cè)得的功率值就是不準(zhǔn)確的。那么我們?nèi)绾闻袛嗍欠翊嬖?/p>

21、壓縮呢？可以利用頻譜儀內(nèi)部的衰減器或外接衰減器來進(jìn)行判斷。將衰減器的衰減量設(shè)置在10dB時(shí)，測(cè)量混頻器的輸出功率。再將衰減器的衰減量增加10dB，再去測(cè)量混頻器輸出功率也應(yīng)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(dāng)頻譜儀工作在線性區(qū)域的時(shí)候，混頻器仍然產(chǎn)生內(nèi)部失真，因?yàn)樗怯性吹姆蔷€性器件。在最差的情況下，內(nèi)部失真完全可以覆蓋被測(cè)件的失真產(chǎn)物或是外來的諧波失真。即使當(dāng)內(nèi)部失真低于要測(cè)信號(hào)的失真，也會(huì)引起測(cè)量誤差。因?yàn)楫?dāng)基波信號(hào)進(jìn)入到頻譜儀時(shí)，它同樣會(huì)產(chǎn)生二次和三次諧波。這種失真是由頻譜儀內(nèi)部產(chǎn)生的。這一失真會(huì)與輸入信號(hào)的失真混

22、疊起來，最后輸出的諧波分量要比真實(shí)的失真高。這就造成了一定的測(cè)量誤差。這要求頻譜儀所產(chǎn)生的內(nèi)部失真要盡量地小，使最后迭加出來的信號(hào)，趨近于被測(cè)信號(hào)。 如何降低頻譜儀內(nèi)部的諧波失真和交調(diào)失真。這可利用失真特性，二次或三次諧波在數(shù)學(xué)公式上都存在這樣的特點(diǎn)，即若存在一個(gè)頻率為F的信號(hào)，其二次諧波為2F，三次諧波為3F。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)F1、F2存在，其交調(diào)失真有2F1-F2、2F2-F1等等，見圖13。 當(dāng)F信號(hào)功率變化1時(shí)，2F功率會(huì)變化2，它的三次諧波會(huì)變化3。變化量分別是其2倍和3倍。也就是說當(dāng)輸入功率降低1dB，二次諧波和三次諧波分別會(huì)降低2dB和3dB。交調(diào)失真是當(dāng)F1、F2分別變化1

23、，2F1-F2和對(duì)應(yīng)的2F2-F1均變化3，這就是其特點(diǎn)。在測(cè)量時(shí)，頻譜分析儀本身產(chǎn)生的二次諧波信號(hào)越高，它測(cè)量的范圍越差。我們用輸入信號(hào)F0的功率值和產(chǎn)生信號(hào)諧波功率值之差來進(jìn)一步定義動(dòng)態(tài)范圍。凡是被測(cè)信號(hào)落在這一范圍之內(nèi)，都可以測(cè)出。如何使動(dòng)態(tài)范圍增大（見圖14），我們可以利用上面所說的數(shù)學(xué)特性，只要將F0的功率降低1dB，2F0會(huì)降低2dB。這就使動(dòng)態(tài)范圍增大了1dB。若F0的功率降低10dB，其動(dòng)態(tài)范圍也會(huì)隨之增大10dB。三次失真的降低速度會(huì)更快。二次諧波和三次諧波的動(dòng)態(tài)范圍是呈線性變化的，只是斜率不一樣。我們用動(dòng)態(tài)范圍和功率值建立一個(gè)坐標(biāo)系，可以得到圖15的曲線，橫坐標(biāo)實(shí)際是混頻器

24、F0輸入功率值，縱坐標(biāo)就是內(nèi)部失真電平。在動(dòng)態(tài)范圍的圖上劃出由基波產(chǎn)生的二次和三次失真產(chǎn)物與基波信號(hào)的相對(duì)關(guān)系。當(dāng)一個(gè)混頻器F0的功率為0dB，它的二次諧波失真信號(hào)的功率是固定的，差值也是固定的?？梢钥闯觯?dāng)功率降低越低，動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍就越大。對(duì)于小信號(hào)的測(cè)量還有一個(gè)影響因素是它的噪聲底。一個(gè)被測(cè)信號(hào)在儀器本身的失真范圍之下是不可測(cè)的，若隱含在儀器本身的噪聲底之下也是無法檢測(cè)的。那么噪聲底由誰來決定？噪聲底的第一個(gè)因素是衰減量（見圖16）。當(dāng)衰減器的衰減量為10dB時(shí)，我們可以看到這些噪聲曲線，同時(shí)看到一個(gè)小信號(hào)。當(dāng)衰減量變成20d

25、B，噪聲底會(huì)抬高10dB，小信號(hào)就會(huì)被覆蓋在平均噪聲功率之下，變成不可測(cè)量。所以衰減量會(huì)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(shí)際的測(cè)量中，顯示的信號(hào)電平不會(huì)隨衰減的增加而下降。這是因?yàn)楫?dāng)衰減降低了加到檢波器的信號(hào)電平時(shí)，中頻放大器會(huì)增加10dB來補(bǔ)償這個(gè)損失，這使熒光屏上的信號(hào)幅度保持不變。但噪聲電平被放大、增加了10dB。另一個(gè)因素是中頻濾波器的帶寬（見圖17），帶寬越寬，進(jìn)來的噪聲越多，功率當(dāng)然也就越高。帶寬降低10倍，噪聲功率也會(huì)降低10倍；帶寬降低100倍，噪聲功率也會(huì)降低100倍。BW從100kHz變成10KHz，其噪聲平均顯示電平會(huì)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(dāng)頻譜儀設(shè)置的分辨帶寬以及衰減量固定時(shí)，那么它的噪聲底也就固定了。這時(shí)信號(hào)的檢測(cè)能力也決定了。當(dāng)小信號(hào)低于噪聲底時(shí)就不可測(cè)量，高于噪聲底就變得可測(cè)。這個(gè)測(cè)量范圍就是被測(cè)信號(hào)與噪聲底的比值。信號(hào)若比噪聲底高10dB，可測(cè)范圍就是10dB。這一信噪比我們置于縱坐標(biāo)上，輸入功率在橫坐標(biāo)上。（見圖18）當(dāng)噪聲底固定的話，假設(shè)把BW設(shè)置在1kHz時(shí)，衰減量不變，那么它的噪聲是不變的，這時(shí)設(shè)輸入功率為-40dB，信噪比是75dB。當(dāng)輸入功率為-30dB時(shí)，信噪比為85dB。從此看