頻譜儀原理與使用

頻譜儀原理與使用劉波副教授南京通信工程學(xué)院1一、頻譜儀簡(jiǎn)介：為什么要用頻譜儀衛(wèi)星通信信號(hào)頻率很高（數(shù)十兆赫到十幾吉赫）、幅度很小（接收信號(hào)經(jīng)放大后通常僅幾毫伏甚至更低）不便用示波器觀測(cè)。衛(wèi)星通信頻帶內(nèi)通常有多個(gè)不同頻率的調(diào)制載波同時(shí)存在，且在信號(hào)上疊加有相當(dāng)大的噪聲，示波器無法觀測(cè)。對(duì)信號(hào)的微小失真，從時(shí)域有時(shí)很難觀測(cè)。對(duì)衛(wèi)星通信信號(hào)通常用頻譜儀在頻域進(jìn)行觀測(cè)，而不是用示波器在時(shí)域進(jìn)行觀測(cè)。2一、頻譜儀簡(jiǎn)介：功能與用途與在時(shí)域上顯示電壓變化的示波器不同，頻譜儀可在頻域上顯示功率變化頻譜儀的水平坐標(biāo)為頻率軸，垂直坐標(biāo)為功率軸頻譜儀主要用于觀測(cè)和記錄某個(gè)指定頻段內(nèi)的信號(hào)頻譜通過對(duì)信號(hào)的頻譜觀測(cè)，可以了解信號(hào)在頻域的分布情況以及信號(hào)的質(zhì)量通過對(duì)某部件輸入、輸出信號(hào)頻譜的測(cè)量，得到部件的技術(shù)指標(biāo)3二、頻譜儀工作原理：原理框圖頻譜儀的原理框圖如上圖所示輸入信號(hào)經(jīng)由衰減器和濾波器，被送到混頻器混頻器的本振頻率通常為周期性的掃頻信號(hào)混頻輸出經(jīng)過中頻放大、帶通濾波、對(duì)數(shù)放大、包絡(luò)檢波及視頻濾波，被送到顯示器的Y軸掃描信號(hào)發(fā)生器在控制本振頻率掃頻的同時(shí)，控制顯示器X軸掃描4二、頻譜儀工作原理：工作原理輸入衰減器和濾波器（預(yù)選器）限制送給混頻器的信號(hào)電平和帶寬，保證混頻器正常工作在混頻器中，輸入信號(hào)與本振混頻，得到中頻信號(hào)本振信號(hào)一般由頻率合成器產(chǎn)生，可在某一范圍內(nèi)掃描中頻放大器及衰減器對(duì)混頻器輸出中頻信號(hào)的電平進(jìn)行調(diào)整中頻帶通濾波器選出中頻信號(hào)中頻放大器及濾波器常采用多級(jí)級(jí)聯(lián)，中頻帶寬由最后一級(jí)濾波器帶寬決定。該帶寬可以受控改變，且決定頻譜儀的分辨帶寬（RBW）包絡(luò)檢波器的輸入信號(hào)通常由對(duì)數(shù)放大器壓縮信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，并且調(diào)整其電平范圍低通濾波器的帶寬（視頻帶寬VBW）影響顯示信號(hào)頻譜的平滑度現(xiàn)代頻譜儀基本都采用高性能微處理器及DSP器件，使頻譜儀的測(cè)量功能得到大大提高5二、頻譜儀工作原理：主要性能指標(biāo)頻率范圍（FrequencyRange）主要由輸入預(yù)選器、本振和混頻器頻率范圍決定決定頻譜儀能觀測(cè)信號(hào)的頻率范圍分辨帶寬（ResolutionBandwidth－RBW）由中頻濾波器或數(shù)字濾波器帶寬決定分辨帶寬越寬，濾波器穩(wěn)定時(shí)間越短，可提供較快的測(cè)量；分辨帶寬越窄，具有更高的頻率分辨力和更低的噪聲電平頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度（FrequencyAccuracy&Stability）視頻帶寬（Video

Bandwidth－VBW）選擇較窄的視頻帶寬，可以得到較為平滑的譜線本振相位噪聲（LOPhaseNoise）由本振頻率合成器決定決定測(cè)量單頻信號(hào)相位噪聲的下限影響能觀測(cè)到的多頻、窄帶信號(hào)的電平范圍6二、頻譜儀工作原理：主要性能指標(biāo)（續(xù)一）最大輸入信號(hào)電平（MaximumSafeInputLevel）主要由輸入衰減器、放大器決定一般分最大連續(xù)功率和最大脈沖功率輸入信號(hào)電平超過最大輸入信號(hào)電平時(shí)，會(huì)損壞頻譜儀平均顯示噪聲電平（DisplayedAverageNoiseLevel）決定頻譜儀能顯示的最小信號(hào)電平，有時(shí)也稱“靈敏度”分辨帶寬越窄，平均顯示噪聲電平越小頻響（FrequencyResponse）影響寬帶信號(hào)測(cè)量結(jié)果幅度準(zhǔn)確度（AmplitudeAccuracy）二次諧波失真（SecondHarmonicDistortion）影響二次諧波失真測(cè)試范圍三階互調(diào)失真（ThirdOrderIntermodulationDistortion）影響三階互調(diào)失真測(cè)量范圍掃描點(diǎn)數(shù)（SweepPoints）掃描點(diǎn)數(shù)為顯示屏在水平方向上的取樣點(diǎn)數(shù)量掃描點(diǎn)數(shù)越多，在水平軸上的顯示精度就越高7掃描時(shí)間（SweepTime）頻譜儀X軸方向掃描一次所用時(shí)間掃描時(shí)間與觀測(cè)頻率寬帶（Span）、RBW、VBW；Span越寬、RBW和VBW越窄、掃描時(shí)間越長(zhǎng)。掃描時(shí)間通常由頻譜儀自動(dòng)設(shè)置對(duì)應(yīng)于不同型號(hào)，掃描時(shí)間最長(zhǎng)可為300s、1500s、乃至4000s掃描時(shí)間越長(zhǎng)，在0span條件下檢測(cè)電平變化的范圍就越大觸發(fā)方式（TriggerType）通常有FreeRun,Single,Line,Video,Offset,Delayed,External等觸發(fā)方式需要觀測(cè)特定時(shí)間的信號(hào)頻譜時(shí)，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)挠|發(fā)方式二、頻譜儀工作原理：主要性能指標(biāo)（續(xù)二）8其它測(cè)試功能調(diào)制分析噪聲系數(shù)測(cè)試發(fā)射損耗測(cè)試EMI測(cè)試其它使用性能頻譜存儲(chǔ)、打印、輸出編程、遙控二、頻譜儀工作原理：主要性能指標(biāo)（續(xù)三）9中心頻率（CenterFrequency）和頻率寬度（FrequencySpan）中心頻率和掃頻寬帶決定頻譜儀觀測(cè)頻率范圍頻譜儀中心頻率指X軸中心點(diǎn)頻率，與觀測(cè)信號(hào)的中心頻率相同頻譜儀頻率寬度指X軸從最左端（低端）到最右端（高端）對(duì)應(yīng)的帶寬，應(yīng)略大于觀測(cè)信號(hào)帶寬也可以通過設(shè)置起始頻率（StartFrequency）和終止頻率（StopFrequency）來設(shè)置頻譜儀觀測(cè)頻率范圍CenterFrequency=（StartFrequency+StopFrequency）÷2FrequencySpan=StopFrequency-StartFrequency三、頻譜儀使用：參數(shù)設(shè)置10參考電平（ReferenceLevel）和電平刻度（Scale/Div）參考電平為頻譜儀Y軸方向最上端對(duì)應(yīng)的電平電平刻度為頻譜儀Y軸方向每格代表的電平分貝數(shù)（Y軸以對(duì)數(shù)方式顯示時(shí)）調(diào)整參考電平時(shí)，應(yīng)使觀測(cè)信號(hào)最大電平不超過參考電平調(diào)整電平刻度時(shí)，應(yīng)使所關(guān)心的信號(hào)電平變化顯示比較明顯，或所關(guān)心的電平范圍能在頻譜儀上顯示出來功率顯示值=ReferenceLevel–Scale/Div*n

（n為電平刻度數(shù)）輸入衰減（InputAttenuation)對(duì)保護(hù)頻譜儀輸入級(jí)非常重要，強(qiáng)烈建議設(shè)置成自動(dòng)調(diào)整方式輸入衰減越大，頻譜儀底噪聲電平越高在確定輸入信號(hào)電平足夠?。ㄈl段電平）時(shí)，把輸入衰減設(shè)為0dB可提高觀察微弱信號(hào)的能力三、頻譜儀使用：參數(shù)設(shè)置（續(xù)一）11分辨帶寬（RBW）通常由頻譜儀根據(jù)頻率寬度自動(dòng)設(shè)置觀察調(diào)制載波時(shí)，RBW通常應(yīng)小于信號(hào)帶寬的十分之一觀察單頻信號(hào)時(shí)，寬的RBW容易漏掉單頻信號(hào)附近的低電平信號(hào)RBW越窄，掃描時(shí)間越長(zhǎng)視頻帶寬（VBW）和視頻平均通常與RBW保持某一比例（該比例可手動(dòng)改變），由頻譜儀自動(dòng)設(shè)置窄的VBW可減小噪聲及信號(hào)的隨機(jī)起伏，使顯示頻譜越光滑，同時(shí)掃描時(shí)間越長(zhǎng)當(dāng)被觀測(cè)信號(hào)的信噪比較低時(shí)，窄的VBW可使故測(cè)信號(hào)顯示得更明顯視頻平均與很窄得視頻帶寬效果基本相同三、頻譜儀使用：參數(shù)設(shè)置（續(xù)二）12掃描時(shí)間（SweepTime）通常由頻譜儀根據(jù)頻率寬度、RBW和VBW自動(dòng)設(shè)置掃描時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)到的信號(hào)電平降低、頻率右移掃描方式（Sweep）連續(xù)掃描（ContinusSweep）單次掃描（SingleSweep）DisplayLine便于測(cè)量一定帶寬的信號(hào)電平時(shí)光標(biāo)（Marker）尋找最大值（PeakSearch）把光標(biāo)移到中心頻率（MarkertoCF）把光標(biāo)移到參考電平（MarkertoReferenceLevel)DeltaMarker三、頻譜儀使用：參數(shù)設(shè)置（續(xù)三）13掃跡（Trace）頻譜儀一般有2～3個(gè)掃跡，單通常情況下只用一個(gè)掃跡實(shí)時(shí)掃描掃跡（ClearWrite）最大值保持掃跡（MaxHold）最小值保持掃跡（MinHold）觀測(cè)突發(fā)信號(hào)時(shí)，常用最大值保持掃跡三、頻譜儀使用：參數(shù)設(shè)置（續(xù)四）14單頻信號(hào)觀測(cè)1選用合適的RBW三、頻譜儀使用：頻譜觀測(cè)15三、頻譜儀使用：頻譜觀測(cè)單頻信號(hào)觀測(cè)2選用合適的掃描時(shí)間16三、頻譜儀使用：頻譜觀測(cè)單頻信號(hào)觀測(cè)3選用合適的視頻帶寬17三、頻譜儀使用：頻譜觀測(cè)單頻信號(hào)觀測(cè)4選用本振相位噪聲滿足要求的頻譜儀18三、頻譜儀使用：頻譜觀測(cè)調(diào)制載波觀測(cè)選用合適的頻率寬度和RBW、VBW及電平刻度19突發(fā)載波觀測(cè)利用頻譜儀最大值保持功能三、頻譜儀使用：頻譜觀測(cè)20單載波功率測(cè)量：適當(dāng)調(diào)整CenterFrequency、Span、ReferenceLevel和RBW，使載波的峰值落在顯示范圍內(nèi)按PeakSearch，讀出光標(biāo)的功率值PMarker計(jì)算載波功率

PCW=PMarker+AttnCoupler+AttnSA

式中，AttnCoupler為測(cè)試端口到頻譜儀輸入端口之間的耦合衰減與電纜損耗之和，AttnSA為頻譜儀輸入衰減值單載波的功率和頻率穩(wěn)定度測(cè)量：適當(dāng)調(diào)整頻譜儀設(shè)置，使載波的峰值落在顯示范圍內(nèi)按Marker→CF，Marker→RefLvl，以及向上按鍵，使載波的峰值落在中心頻率的參考電平以下10dB處定時(shí)按PeakSearch，讀取并記錄光標(biāo)所對(duì)應(yīng)的功率和頻率值對(duì)測(cè)試記錄作統(tǒng)計(jì)處理頻譜儀功率穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度應(yīng)優(yōu)于被測(cè)信號(hào)指標(biāo)三、頻譜儀使用：?jiǎn)屋d波的功率和穩(wěn)定度測(cè)量21通過測(cè)量C/N計(jì)算Eb/N0將DisplayLine設(shè)為On用旋鈕調(diào)整DisplayLine，使之與載波峰值相重合，并讀取相應(yīng)的電平值，該值為C＋N繼續(xù)調(diào)整DisplayLine，使之與底噪聲相重合，并讀取相應(yīng)的電平值，該值為N從（C+N)/N計(jì)算出C/N利用C/N計(jì)算Eb/N0 C/N=C0/N0Eb=C0×Rs/Rb Eb/N0=(C/N)×(Rs/Rb)（Rb為信息速率

Rs為調(diào)制符號(hào)速率）

三、頻譜儀使用：Eb/N0測(cè)量122利用頻譜儀直接測(cè)量（設(shè)備驗(yàn)收時(shí)）設(shè)置頻譜儀功率測(cè)量的信道帶寬與被測(cè)信道帶寬相同關(guān)閉噪聲源，打開頻譜儀視頻平均，用頻譜儀直接測(cè)量信號(hào)功率C關(guān)閉信號(hào)，打開噪聲源，用頻譜儀直接測(cè)量噪聲功率密度N0通過C及Rb計(jì)算Eb Eb=C/Rb求出Eb/N0三、頻譜儀使用：Eb/N0測(cè)量223間接測(cè)量頻譜儀本振相位噪聲要優(yōu)于對(duì)被測(cè)信號(hào)相位噪聲的要求調(diào)整頻譜儀中心頻率，使被測(cè)載波位于屏幕中心調(diào)整參考電平使被測(cè)載波峰值點(diǎn)位于屏幕頂線頻率寬度約為欲測(cè)頻率偏移量的10倍頻譜儀RBW設(shè)為頻率偏移量的1/10調(diào)整頻譜儀VBW，使噪聲頻譜比較光滑從頻譜儀讀出單邊噪聲密度L計(jì)算該頻率偏移量的相位噪聲密度相位噪聲＝L＋1.7－10log（RBW）（單位dBc/Hz)三、頻譜儀使用：相位噪聲測(cè)量124直接用頻譜儀測(cè)量頻譜儀要安裝有相應(yīng)的硬件與軟件三、頻譜儀使用：相位噪聲測(cè)量225三階載波互調(diào)比（C/IM)測(cè)試在非線性放大器帶寬范圍內(nèi)的兩個(gè)等幅單載波、與它們所產(chǎn)生的三階互調(diào)產(chǎn)物之間的電平差值定義為C/IM調(diào)整頻譜儀，使兩個(gè)單載波與兩個(gè)三階互調(diào)產(chǎn)物的峰值、以及噪聲底都能落在顯示范圍內(nèi)按PeakSearch，使光標(biāo)落在較高的一個(gè)單載波上按MarkerDelta，并調(diào)整光標(biāo)，使光標(biāo)落在較高的一個(gè)三階互調(diào)產(chǎn)物上兩個(gè)光標(biāo)之間的電平差值（dB數(shù)）即為互調(diào)比C/IM三、頻譜儀使用：互調(diào)失真測(cè)試C/IM26測(cè)試方法測(cè)試信號(hào)通常為衛(wèi)星信標(biāo)地面天線的自動(dòng)跟蹤性能測(cè)量用手控方式調(diào)整方位角和俯仰角，使天線偏離衛(wèi)星啟動(dòng)天線自動(dòng)跟蹤功能衛(wèi)星信標(biāo)的電平變化反映了自動(dòng)跟蹤天線的對(duì)星狀態(tài)和精度“動(dòng)中通”天線的跟蹤性能測(cè)量“動(dòng)中通”為能在行進(jìn)中自動(dòng)對(duì)星的車載天線跟蹤性能測(cè)試應(yīng)在特定的路況和駕駛條件下進(jìn)行正極化的衛(wèi)星信標(biāo)電平主要隨天線的指向角而變反極化的衛(wèi)星信標(biāo)電平隨天線的指向角和極化角而變通過測(cè)試、記錄并且比較正反極化衛(wèi)星信標(biāo)的電平變化，可以驗(yàn)證車載天線在行進(jìn)中的跟蹤性能和極化失準(zhǔn)情況三、頻譜儀使用：天線跟蹤性能測(cè)量27三