频谱分析仪技术基础

1. 频谱分析仪技术基础

2. 8563A SPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz 议题 • 阐述频谱分析仪测量的主要应用 • 介绍频谱分析仪内部结构及工作原理 • 说明频率分辨率、灵敏度和动态范围等重要指标在分析仪测量中的重要作用 • 针对PHS测试，简述注意事项

3. 要达到的学习目标 • 熟练应用频谱分析仪 • 了解频谱分析仪结构原理，了解频谱 分析仪性能指标 • 掌握PHS测试频谱分析仪参数设置

4. 1 频谱分析仪应用 • 从事通信工程的技术人员，在很多时候需要对信号进行分析，针对不同观察域，分别用示波器、频谱分析仪和矢量分析仪观察信号 • 示波器只能观察信号的幅度、周期和频率；但频谱分析仪还可以分析信号的频率分布信息、频率、功率、谐波、杂波、噪声、干扰和失真，而矢量分析仪可以在频谱分析仪基础上分析数字调制信号调制质量

5. 频域和时域 • 早期的信号观察，主要依赖示波器在时域内观察信号；傅立叶变换告诉我们：任何时域内电信号都是由一个或多个不同频率、不同幅度和不同相位的正弦波组成的，但应用示波器无法观察到频域内信息，只能在时域内观察；应用频域测量，就能以频谱的形式显示出每个正弦波的幅度随频率变化的情况 • 下图是信号在时域和频域内观察的结果，由此可以清楚看出信号在频域观察的必要性：时域得到的是信号的波形信息，不能测量混合信号，如果存在干扰或失真信号，在时域上无法区分有用信号和无用信号 • 在频域上可以准确地测量有用信号和无用信号的各种参数

6. 幅度 (功率) 频率 时域测量 频域测量 时间

7. 2 频谱分析仪结构及原理 • 频谱分析仪的类型 • 频谱分析仪主要有傅立叶频谱分析仪和超外差式频谱分析仪 • FFT频谱分析仪：被分析的信号通过模数转换器采样，变成离散信号，采样值被保存在一个存储器中，经过离散FFT变换计算，计算出信号的频谱 • FFT频谱分析仪不足之处：FFT分析仪不适合脉冲信号的分析，而且由于A/D转换器速度的限制，FFT分析仪仅适合测量低频信号

8. 超外差频谱分析仪 • 这种频谱分析仪对输入信号的分析，并不是从时间特性计算得来的，而是由频域分析直接决定的。对于这样的分析，必须把输入频谱分成各个独立的部分。可调带通滤波器就是为此目的而使用的 • 超外差频谱分析仪内部结构如下图

9. RF 输入 衰减器 IF 增益 IF 滤波器 检波器 混频器 输入 滤波器 对数 放大器 视频 滤波器 本地 振荡器 扫频 发生器 频率基准 显示

10. 原理分析 • 信号分析过程如下：被测信号经过滤波和衰减后，和LO信号进入混频器混频转换成中频信号，因为LO频率可变，所以输入信号都可以被转换成固定中频，经放大后进入中频滤波器（中心频率固定），然后进入一个对数放大器，对中频信号进行压缩，然后进行包络检波，所得信号即视频信号，为了平滑显示，在包络检波之前通过可调低通滤波器，即视频滤波；视频信号在阴极射线管内垂直偏转，即显示出在信号的幅度，同时，由于显示的频率值是扫频发生器电压值的函数，所以对应被测信号的频率值，于是，被测信号的信息显示在LCD上 • 下面将对频谱分析仪每个独立部件的工作原理和相互之间的作用做详细说明

11. 低通滤波器 • 低通滤波器的主要作用是抑制镜像频率。下图是低中频频谱分析仪输入频率与镜像频率范围的关系，如果输入频率范围大于2IF，则两频率范围会重叠,所以要求输入滤波器在不影响主信号的情况下抑制镜像抑制 LO LO IF IM RF

12. 如果使用可调谐带通滤波器以抑制镜像频率，则由于较宽的调谐范围使滤波器极为复杂，所以采用高的第一中频使问题简化如果使用可调谐带通滤波器以抑制镜像频率，则由于较宽的调谐范围使滤波器极为复杂，所以采用高的第一中频使问题简化 • 这种配置下，镜像频率位于输入频率范围之上，由于两个频率范围不会重叠，故可利用低通滤波器抑制镜像频率，三者范围关系如下图 LO IF IM RF

13. 衰减器 • 衰减器主要有三个作用 • 保护频谱仪不受损坏：测量高电平信号时，为了不烧坏频谱分析仪，必须对信号进行衰减； • 提高测试的准确性：混频器是非线性器件，当混频器输入信号电平较高时，输出会产生许多产物，而且电平太高会干扰测试结果，使无互调范围减小；当输入信号电平在混频器1dB压缩点以上时，测试结果会不准确 • 提高频谱仪动态范围：通过设置步进衰减器调节进入混频器的电平，可以得到较大的动态范围

14. RF IF LO 混频器 • 混频器的作用就是将输入高频信号转换成中频信号，由于混频器是非线性器件，输出会有很多频率成分 ： 但我们需要的是 • 混频方式有两种：基波混频和谐波混频，基波混频是输入信号的基波混频，而谐波混频是通过本振信号的谐波来混频 • 谐波混频会造成相对高的转换损耗 • 混频器对输入RF小信号而言是线性网络，当输入信号幅度逐渐增大时，就存在着非线性失真问题，所以输入信号的幅值应低于频谱分析仪的1dB压缩点

15. 中频放大器 • 输入信号经过了前置衰减器，电平降低，为了恢复信号幅值，补偿输入衰减器的变化，在混频后对中频信号进行放大 • 在放大有用信号的同时，噪声和干扰信号也被同时放大

16. 中频滤波器 • 中频信号经放大后，然后经过中频滤波器，中频滤波器是一个带通滤波器，它选出需要的混频分量，抑制掉其他不需要的信号。中频滤波器的带宽决定了频谱分析仪的RBW范围 • 根据频谱分析仪类型不同，中频滤波器有模拟滤波器、数字滤波器和FFT滤波器

17. 模拟滤波器 • 模拟滤波器用来实现大的分辨率带宽。一般频谱仪为4级滤波电路，也有5级滤波电路产品，这样可分别得到14和10的波形因子，然而理想的高斯滤波器的波形因子为4.6 • 波形因子即带宽选择性，简称选择性。在实际测量中，经常会遇到这种情形，两个频率接近的信号幅度不等，大信号形成的响应曲线掩盖了小信号，使小信号丢失，所以很多公司产品提供了滤波器3dB带宽，表示等幅正弦信号频率相差多少时仍能将它们区分开，这样的合成响应曲线仍有两个峰值，中间下沉大约3dB,如下图所示

18. 3 dB 3 dB BW 60 dB 3 dB BW 选择性 = 60 dB BW • 有些频谱分析仪的带宽选择性定义为60dB与30dB带宽之比，如下图，也有的频谱分析仪的选择性用60dB和6dB带宽之比表示

19. 10 kHz RBW 3 dB 10 kHz • 两等幅信号的测试

20. 数字中频滤波器 • 通过数字滤波器可以获得很窄的带宽。和模拟滤波器相比，理想的高斯滤波器可以实现。数字滤波器在可接受的价格内有更好的选择性。如5级电路模拟滤波器的波形因子为10，高斯滤波器为4.6。另外，数字滤波器有更好的温度稳定性，无需调整，所以在带宽上更加精确 • 由于数字滤波器的瞬态相应已经确定，使用合适的修正系数可使数字滤波器获得比模拟滤波器在相同带宽的情况下更短的扫描时间 典型选择性 模拟 15:1 数字 5:1 模拟滤波器 数字 滤波器

21. FFT滤波器 • 如果单纯为了测试精度而设置非常窄的分辨率带宽，则会造成无法容忍的长时间扫描，因此在非常高的分辨率的情况下建议采用FFT滤波器，从时域特性计算频谱，见下图。当采用FFT滤波器时，频率非常高的信号不能通过A/D直接采样，须经过与本振混频变为中频并在时域对带通信号取样 A/D RAM FFT X(t)

22. 对数放大器 • 检波器之前有一个对数放大器，对数放大器按照对数函数来压缩信号电平（对于输入电压幅度v,输出电压幅度为logv），这大大减小了由检波器所检测的信号电平变化，而同时向用户提供校准成用分贝读数的对数垂直刻度，在频谱分析仪中，由于信号电平大幅度变化，故需要采用对数刻度 • 对数放大器的设计基于多级解调原理，将许多个具有固定增益（每一级的增益通常为10dB）的单元放大器级联起来。随后，将每一级放大器的输出逐个相加以提供线性输出电压，有些器件提供一个表示输入信号的相对相位的限幅输出 对数放大器

23. 检波器 • 频谱分析仪一般都是用包络检波器把IF信号变换成视频。包络检波器最简单的形式是一个二极管后面接一个并联的RC电路，如下图 • 峰值检波器由二极管和RC电路组成，其输出要跟随IF信号的包络而变化，它必然也具有一定的响应时间，这就是检波器的时间常数。时间常数太大，检波器就不能及时跟上包络变化的速度；扫描速度的快慢也会对检波器输出产生影响，扫描太快，检波器电路来不及响应，其输出幅度也就反映不出包络的变化

24. 检波方式 • 不同的检波方式在显示屏上会有不同的数据处理，频谱分析仪主要有以下检波方式： • 最大峰值检波 • 最小峰值检波 • 自动峰值检波 • 取样检波 • RMS检波器 • 平均值检波 • 准峰值检波 最大峰值检波 取样检波 最小峰值检波

25. 视频滤波器 • 视频滤波器在包络检波器之后，视频滤波器决定了视频带宽，视频滤波器是第一级低通设置，用于从视频信号中滤除噪声，平滑轨迹，从而使显示结果稳定。和分辨率带宽类似，视频带宽也会限制最大允许扫描速度，要达到最小的扫描时间需要增大视频带宽 • S/N比较低时，可以通过减小VBW来稳定显示，弱信号会在频谱中突现出来并且稳定可再现。在测量正弦波信号时，减小VBW，对电平无影响 经过视频滤波 未经视频滤波

26. 锯齿波发生器、本振和显示 • 锯齿波发生器既控制显示器上曲线的位置，又控制LO的频率，所以就可以通过校准，用显示器的水平轴来表示输入信号频率 • 任何振荡器都不是绝对稳定的，而是在一定程度上被随机噪声调频或调相的。LO的不稳定性会直接影响由LO和输入信号混频后的中频，因此，LO的相位噪声调制边带也会在显示器上任何谱分量的两边出现，LO越稳定，相位噪声越低 • YIG振荡器经常被用作本振，也由一些频谱仪采用压控振荡器作为本振，其调节范围较小，但较YIG调整起来更快；为了增加频谱仪的频率精度，本振信号可以是合成信号，也就是说，本振经锁相环锁定在参考信号上。参考信号通常由一个温控晶振产生，为了增加频率精度与长期的稳定性，大多数频谱仪广泛采用恒温控制晶振

27. 3 频谱分析仪性能指标 频谱分析仪有以下主要性能指标： • 滤波器特性 • 相位噪声 • 接收机的固有噪声 • 系统非线性 • 1dB压缩点 • 动态范围 • 测量精度 下面就这些指标分别讨论

28. 失真产物 分辩滤波器特性 • 中频滤波器需要矩形滤波器，但对频谱分析仪而言，矩形滤波器的瞬态响应是不合适的。由于这样的滤波器与较长的瞬态响应时间，输入信号的频谱应通过十分缓慢的本振调谐变到中频仪避免幅度误差。使用优化瞬态响应的高斯滤波器可以获得较短的测试时间 • 滤波器的特性常以波形系数来定义：SF＝BW（60dB）/BW(3dB)

29. 相位噪声 • 相位噪声是振荡器短时间稳定度的度量参数,尽管我们看不到频谱分析仪LO系统的实际频率抖动，但LO频率或相位不稳定的表现是可以观察到的，这就是相位噪声 • 相位噪声通常是以一个单载波的幅度为参考，并偏移一定的频率下的单边带相位噪声。这个数值是指在1Hz带宽下的相对噪声电平，故其单位为dBc(1Hz)或 dBc/Hz,c表示载波，由于相位噪声电平比载波电平低，所以定义为负值 • 相位噪声主要影响频谱分析仪的分辨率和动态范围 噪声边带

30. 分析仪的固有噪声 • 固有噪声可以理解为频谱分析仪的热噪声。固有噪声会导致输入信号信噪比的恶化。所以固有噪声是频谱分析仪灵敏度的度量指标，决定了频谱分析仪的最小可检测电平 • 指标中的显示噪声平均电平必须对应相应的分辨率带宽和衰减器设置，因为这两个指标对显示的噪声电平都有影响。典型情况下是设置衰减器为0dB和最小分辨率带宽 • RF衰减器设置和RBW对设置对显示噪声本底影响见下图

31. IF滤波器带宽对噪声电平的影响 100 kHz RBW 10 dB 10 kHz RBW 10 dB 1 kHz RBW 减小带宽 = 降低噪声

32. 10 dB 信号电平 RF输入衰减对噪声电平的影响 20dB衰减 10dB衰减

33. 接收机的非线性特性 • 由于频谱分析仪中含有半导体器件，所以存在非线性。然而频谱分析仪要求无失真显示被测输入信号，所以线性特性是频谱分析仪必须的性能参量，对于单正弦波信号输入的情况，由于存在非线性，会产生各次谐波，对于输入信号是两个幅度相等的正弦波信号的情况，除了产生谐波之外，同时也有互调产物，互调产物的阶数是所含频率各次项之和 • 频谱仪的线性主要由混频器和中频放大器决定，而输入射频衰减器实际上对线性是没有影响的。如果由射频衰减器改变混频器的输入电平，频谱仪产生的互调产物电平将依其阶数变化，而DUT产生的互调产物电平保持不变。所以调节衰减器可以判断频谱仪显示的互调产物的来源：如果增加RF衰减，而谐波和互调产物的相对电平保持不变，说明失真来自DUT，测量结果正确；如果谐波和互调产物的相对电平有变化，则说明有部分失真来自频谱分析仪内部，测量结果不正确 • 频谱仪常用截止点（T.O.I）和1dB压缩点来表征分析仪的非线性特性

34. 动态范围 • 动态范围是频谱分析仪同时处理不同电平信号的能力。动态范围的限值依赖于实际所要进行的测量，动态范围下限是由自然噪声或相位噪声决定的，动态范围的上限是由1dB压缩点或由频谱仪过载而造成的失真决定的 • 最大动态范围通常是在最小分辨率带宽情况下，显示的噪声做为下限，1dB压缩点作为上限。如果达到第一级混频器的输入电平高出1dB压缩点，那么将产生混频器的非线性失真，使用较小的RBW时，失真产物就会明显地显示出来（他们不会被噪声淹没），此时的频谱测量就不能明确反映被测设备的真实频谱

35. 测量精度 • 频谱仪测量精度分为频率测试精度和幅度测量精度 • 频率精度：频谱仪的本振通过锁相环同步到一个稳定的参考振荡器上，频谱分析仪的频率精度也就是参考源的精度，并且受参考源的温度和长期稳定度的影响。参考源通常采用温度补偿晶体振荡器和箱控晶体振荡器，产生的参考频率收到环境温度和操作期间老化的影响 • 幅度测量精度：其误差来源主要有频率响应，衰减器误差，中频增益误差，线性误差，带宽切换误差和失配误差

36. 4 PHS的频谱分析仪应用 • 针对PHS测试中对频谱分析仪的应用，作以下说明，由于频谱分析仪的应用大多用于杂散测试，所以主要针对杂散测试时仪器设置作说明

37. RBW • 通常情况下RBW等于被测频谱带宽，但为了提高测量精确性、灵敏度和效率，RBW也可以不同于频谱带宽。当RBW太大时，就会淹没杂散信号，RBW太小则扫描时间太长 • PHS载波OBW为300k,则测试频谱和杂散时RBW设置成300kHz RBW 显示

38. VBW • VBW反映的是频谱分析仪接收机中位于包络检波器之后的视频滤波器的带宽。视频带宽至少与分辩带宽相同，改变VBW的设置，可以减小噪声峰－峰值的变化量，提高较低信噪比信号测量的分辨率和复现率，易于发现隐藏在噪声中的小信号；在其他设置不改变的情 • 况下，减小VBW，扫描时间会增加，平滑效果更加明显 • 测试时VBW=RBW=300kHz 经过视频滤波 未经视频滤波

39. Attenuation • 为了保证精度和保护仪器免受损坏，测量大信号时要设置衰减,防止混频器过载，但由于仪器内部噪声不受衰减器影响，而在后面的中频放大时会被放大，而输入信号幅值不变，所以会降低信噪比。RF衰减为0时，灵敏度最高。 • 每增加10dB的衰减量，显示的噪声电平将提高10dB,所以在保证精度和仪器安全的情况下，尽量不要衰减过大

40. Sweep time • 频谱分析仪的扫描时间是扫描一次整个频率量程并完成测量所需要的时间，也称分析时间，我们一般都希望测量速度越快越好，因此希望扫描时间越短越好，和扫描时间有关联的主要有：span、RBW和VBW，而且检波器的时间常数对扫描时间也有影响 • 当VBW小于或等于RBW时，ST＝k×span/RBW/VBW，K为滤波器比例系数，扫描范围越大，扫描时间越长。RBW越小，精度提高，但每次扫描的带宽变窄，总的扫描时间会增加，VBW也同理。如果检波器时间常数太大，检波器就不能及时地跟上包络变化的速度，测试时间也必须增加 • 下图是扫描时间太短的结果示意图：频率升高，幅值下降 • PHS频谱测试时sweep time设为4s，也可设置Auto

41. 扫频过快

42. Display • 由于在视频滤波前的对数放大器，有压缩特性，所以在测量范围内，幅值越大，精确度越高，所以在显示器的70％～90％范围内测量最合适，测试时被测频谱置于频谱分析仪显示屏的70％～90％范围内 90％ 70％

43. detector mode • 频谱分析仪一般都以正峰值作为其主要检波方式，而把采样方式作为辅助检波方式。建议在测试杂散时采用正峰值检波方式，即peak方式，因为不管分辩带宽和视频带宽之比是多少，都不会丢失有用信号和杂散的信息。如果采用其他方式检波，如果仪器其他参数设置不合理，就会丢失有用信息

44. 参考资料 • 频谱分析仪技术基础 R&S • 射频通信电路 陈邦媛 科学出版社 • 《PHS空中接口纵横谈》

45. Thank You !