频谱分析仪的工作原理和使用方法

1、频谱分析仪的工作原理和用途。概述2。频谱分析仪的工作原理。频谱分析仪性能参数的基本概念。频谱分析仪的测量精度。使用频谱分析仪应注意的问题。频谱分析仪示例E4405B。1.概述1.1时域分析1.2频域分析1.3频谱分析仪的发展2频谱分析仪的工作原理2.1频谱分析仪的类型2.1.1实时频谱分析仪2.1.2扫频频谱分析仪2.2超外差扫频频谱分析仪的工作原理2.3频谱分析仪性能参数的基本概念3.1分辨率(RBW) 3.2选择性3.3残余频率调制3.4边带噪声(相位噪声)3.5自适应关系， 频谱分析仪的工作原理和使用方法3.6动态范围3.7灵敏度3.8视频带宽(VBW) 3.9信号/失真3.10信号/噪

2、声4频谱分析仪的测量精度4.1频率测量精度4.2幅度测量精度5使用频谱分析仪时应注意的问题6频谱分析仪使用示例E4405B 6.1E4405B的前后面板开关，旋钮和连接器的功能6.2测量示例测量调幅信号波形6.3测量示例理解校准证书，1概述， 1.1时域分析1.2频域分析1.3分光计的发展，1概述，无论您是电子设备或系统的设计和制造工程师，还是电子设备或系统的现场维护/维修人员，您都需要一个能够观察和帮助您分析设备或系统产生的电信号或电信号通过设备或系统后的质量变化的人，例如信号的功率和幅度、调制或边带等。 通过分析，您可以验证您的设计，确定设备或系统的性能，识别故障点并找出问题，这就是信号特

3、性分析。目前，信号分析主要在时域、频域和调制域进行。1概述，1概述，1.1时域分析所谓的时域分析是观察和分析电信号随时间的变化。例如，信号的振幅、周期或频率。示波器常用于时域分析。然而，示波器不能提供足够的信息，所以使用频域分析来分析信号。1.2频域分析观察和分析信号幅度(电压或功率)与频率之间的关系，可以获得时域测量中无法获得的独特信息。例如谐波分量、寄生信号、互调和噪声边带。频域中最典型的信号分析是测量调制、失真和噪声。通常，用于信号频域分析的仪器是频谱分析仪。1.2频域分析、1.2频域分析和频谱分析仪是信号频域特性分析的重要工具。它将由许多频率成分组成的复杂信号分解成各种频率成分。每个频

4、率分量的电平依次显示。频域分析和测量有许多独特的优势。通过频谱分析很容易测量信号的频率、功率、谐波成分、调制伪像和噪声。1.2摄谱仪的发展，第一代扫频摄谱仪诞生于20世纪30年代末。20世纪60年代末，频谱仪可以提供频率和振幅校准，前端预选频谱仪问世，标志着频谱仪进入定量测试时代。20世纪70年代末，随着集成电路技术、快速模数转换技术、频率合成技术、数字存储技术，特别是微处理器技术的飞速发展，光谱仪的技术指标得到了极大的提高。频率范围扩展到100赫兹至20赫兹，分辨率带宽达到10赫兹。目前，频谱分析仪的测量频率范围已达到30Hz-50GHz，外混频可扩展至毫米波段，分辨率带宽为1Hz-3MHz

5、，测量信号的动态范围为100dB，平均噪声为-110dBm。2、频谱分析仪的工作原理，2.1型频谱分析仪2.1.1实时频谱分析仪2.1.2扫频频谱分析仪2.2超外差扫频频谱分析仪的工作原理2.3基波和谐波混频，2频谱分析仪的工作原理，我们知道当一个信号周期性或准周期性地变化时非周期信号(如随机信号)可视为具有无限周期t的周期信号，即频率间隔无穷小，其谱线是连续的，称为连续谱。2.1.1实时频谱分析仪，即所谓的实时频谱分析仪，是指实时显示某一时刻信号所有频率分量的分析结果。参见图2.2。图2.2实时频谱分析仪，2.1.1实时频谱分析仪。待测输入信号经宽带前置放大器放大后，通过解复用器送到多个并联

6、的带通滤波器。每个滤波器从要测量的信号中选择其相应的光谱分量，该光谱分量由检测器检测并发送到各种显示器以保持和显示。我现在不需要它。另一种快速傅里叶变换(FFT)频谱分析仪也是一种实时频谱分析仪，如图2.1所示。2.1.1实时频谱分析仪，快速傅里叶变换频谱分析仪也是实时频谱分析仪，如图2.1所示。图2.1傅立叶分析仪，2.1.1实时频谱分析仪，图2.3是傅立叶分析仪的原理框图。由于采样和模数转换速度的限制，快速傅里叶变换频谱分析仪不能用于高频和微波频段的频谱分析仪。图2.3傅立叶分析仪、2.1.2扫频频谱分析仪、调谐滤波器频谱分析仪的原理框图使用扫频发生器驱动调谐滤波器，并在整个频率范围内改变

7、带通滤波器的中心频率。随着中心频率的移动，依次选择测量信号的频谱分量，然后通过滤波器和视频放大，然后应用于显示器的垂直偏转电路。而水平偏转的输入信号来自驱动和调谐带通滤波器的同一扫描发生器。这样，水平轴可以用来表示频率。超外差频谱分析仪目前被广泛使用。它可分为扫中频和扫高频(扫前端)。大多数老式光谱仪扫描中频。因为扫描宽度不大，所以也被称为窄带光谱仪。扫频中频光谱仪的另一个缺点是可能有更多的杂波干扰和虚假响应，动态范围小，灵敏度低，现在基本消除了。2.1.2扫频频谱分析仪，2.1.2扫频频谱分析仪，以及2.2超外差扫频频谱分析仪的工作原理。现代扫描前端超外差频谱分析仪的框图如图2.6所示。主要

8、部件有射频输入衰减器、预选器或低通滤波器、混频器、中频放大器、中频滤波器、检波器、视频放大器、本地振荡器、扫描发生器和液晶显示器。2.2超外差扫描频谱分析仪的工作原理，图2.6扫描前端超外差扫描频谱分析仪的原理框图，2.2超外差扫描频谱分析仪的工作原理，输入信号经射频衰减后控制在频谱分析仪的安全输入电平内，并调整到混频器的最佳信号电平，防止了混频压缩和失真。信号通过预选器和低通滤波器进入混频器。信号混合后，在其输出端有原始信号、本机振荡器信号、两个输入信号的和频信号/差频信号以及其它高次谐波信号。通常我们把它的差频信号，称为中频信号。中频滤波器滤除中频信号并放大它。中频信号被检测和视频滤波，然

9、后应用于显示器进行显示。视频过滤器的功能是对显示屏上显示的轨迹进行平均或平滑。光谱仪显示的谱线是光谱仪内部噪声与测量信号叠加的总效应。为了减少噪声对信号幅度的影响，应该对检测到的信号进行视频滤波或视频平均。当选定的视频带宽等于或小于选定的分辨率带宽(RBW)时，视频电路的响应不能跟上中频电路信号的变化，因此显示的信号被平均和平滑。它们之间的比例越小，平滑效果越好。视频平均是智能光谱仪提供的另一个平滑选项。它逐点平均扫描数据，因此显示的谱线更平滑。2.2虽然这种基波混频方法有优点，但设备复杂且不经济。事实上，本地振荡器的谐波可以用来与信号混合，从而大大扩展了工作频带。图像频率干涉光谱仪是一个超外

10、差接收机，其混频器是宽带的。因此，当光谱仪用于测量信号时，不仅出现所需的信号频率线，而且出现不需要的图像光谱。光谱仪是超外差接收器，其混频器是宽带的。因此，当光谱仪用于测量信号时，不仅出现所需的信号频率线，而且出现不需要的图像光谱。如图所示，只要它是满意的；条件，并将出现在光谱仪的显示屏上，这就是图像频率干扰。抑制图像频率响应干扰的方案有两种：预选器和上变频高中频。(1)预选器的跟踪技术，即宽带YIG调谐滤波器和低相位噪声YIG调谐振荡器之间频率关系的统一调整，是宽带频谱分析仪的关键技术。(2)为了抑制图像频率响应的影响，高中频放大器必须增加中频。使用上转换方案，宽带光谱仪总是分为高和低波段。

11、由于预选器的频率下限的限制，预选器用于高频带。低频部分采用高中频上变频方案。对于低频带(9千赫2.95千兆赫)，本地振荡器为(48)千兆赫，第一中频为；因此，在该频带中很好地抑制了图像频率信号干扰的影响。2.3基波和谐波混合，以及多响应本地振荡器的基波和谐波与同一信号混合产生同一中频。谐波响应本地振荡器的基波和谐波与信号的多个频率分量混合以产生相同的中频。3频谱分析仪性能参数的基本概念，3.1分辨率(RBW) 3.2选择性，3.3残留调频，3.4边带噪声(相位噪声)，3.5自适应关系，3.6动态范围，3.7灵敏度，3.8视频带宽(VBW) 3.9信号/失真，3.10信号/噪声，3频谱分析仪性能

12、参数的基本概念。当我们选择频谱分析仪进行测量时，我们必须知道频谱(最低频率和最高频率)。2振幅测量范围(即最大输入电平和最小可测量信号)。3.用分光计同时测量两个不同频率的信号特征(动态范围和分辨率)。4.用分光计测量不确定度(包括振幅和频率)。3.1分辨率带宽(RBW)，代表分光计清晰分离两个等幅信号的能力。理论上，被测信号以谱线的形式显示在光谱仪的显示屏上，但实际上，信号不可能是无限窄的谱线，它具有一定的宽度和形状。光谱仪的分辨率取决于中频滤波器的带宽，因此也称为光谱仪的分辨率带宽。滤波器的带宽通常用3dB(功率)或6dB(电压)来描述。带宽越小，分辨率越高。因此，中频滤波器的3dB带宽决

13、定了区分两个等幅信号的最小频率间隔。3.1分辨率带宽(RBW)、3.1分辨率带宽(RBW)和3.2选择性，这表示光谱仪能够清楚地区分振幅不相等的两个信号，也称为形状因子。通常定义为中频滤波器的60dB带宽与3dB带宽之比。只有当两个相差60dB的不等幅信号之间的频率间隔至少为60dB带宽的一半时，才能区分小信号，因此选择性是区分不等幅信号的关键参数。3.2选择性，3.2选择性，3.2选择性。事实上，形状因子指示滤波器特性曲线偏离矩形的程度，并且还指示其具有消除较低干扰信号或噪声的能力。波形因子越小，曲线越接近矩形，显示的谱线的下端越清晰。60dB带宽也是区分大谱线附近小谱线的决定性因素，60d

14、B带宽内的小谱线将是明显的现代光谱仪中设计的模拟滤波器采用同步调谐式，有4个以上的极点，幅频特性为高斯分布。高质量光谱仪的选择性可达15:1133601。3.2选择性、3.3剩余频率调制和光谱仪的本地振荡器稳定性影响分辨率的进一步提高。本地振荡器的短期不稳定性是残余频率调制。典型光谱仪的剩余频率调制可以达到：开环本振为1千赫，锁频本振为30千赫，合成本振为1千赫。3.3残余频率调制、3.3残余频率调制、3.4边带噪声(相位噪声)，这些都会影响近端(载波)低电平信号的分辨率。相位噪声被指定为低于载波dBc或dB，并且仅当系统的噪底信号足够高时才能显示。因为系统的相位噪声曲线实际上覆盖了一个小信号

15、，另一个小信号不能在光谱仪上显示。相位噪声指数归一化为1Hz带宽。因此，如果我们需要测量一个离载波10千赫、比载波低50分贝的信号，而RBW是1千赫，我们需要光谱仪系统本身的相位噪声指数是离载波10千赫和-80分贝/赫兹；使用等式-50 DBC-10 log(1k Hz/1hz)=-50-30=-80 DBC。50dbc/1khz的径向基宽归一化为80dBc/1Hz。3.5自适应关系，上面分析的分辨率带宽是指电路处于稳态时的指标，但根据光谱仪的实际情况，还有另一个非常重要的因素影响光谱仪的有效分辨率，即光谱仪的扫描时间。如果频率变化率(即扫描速度)太快，某个频率分量将在达到稳定振幅值之前变成另

16、一个频率，因此它不会在每个频率达到其应有的振幅。与中频滤波器的曲线(即慢扫描频率下的显示)相比，输出波形明显被抑制、展宽和延迟(如图所示)。分辨率：分辨率带宽决定测量时间。3.5自适应关系，3.6动态范围是光谱仪测量信号幅度的主要技术性能，定义为在给定的测量精度下，光谱仪在输入端可以同时测量的最大信号和最小信号之比，它代表同时测量两个信号之间幅度差的能力。3.7平均噪声水平频谱分析仪最重要的用途之一是探测和测量低电平信号，而频谱分析仪的灵敏度是它能测量的最小信号的量度。理论上，50电阻负载的热噪声功率谱密度为-174dBm。(其中，电阻的噪声功率谱密度)。理想和完美的接收器将不再在热噪声功率的基础上叠加任何噪声功率。根据接收器理论，最小可测量信号电平由以下公式确定。fdB型-整机噪声系数；接收机3dB带宽(单位为赫兹)、3.8视频带宽(VBW)和视频带宽(VBW)不影响频谱分析仪的频率分辨率和灵敏度，但可以提高低信噪比测量的分辨率和重复性。灵敏度/显示器平均噪声水平值：视频带宽，3.8视频带宽(VBW)，3.8视频带宽(VBW)，一般视频带宽(vbw)应为(0.10.01)分辨率带宽(RBW)。从公式中可以看出，灵敏度主要受整机噪声系数和光谱仪中频带宽的限制。噪声主要是中频放大器中频滤波器中频带宽中的噪声能量，因此显示噪声的最低平均水平对应于最窄的分辨率带宽。频谱分析