前言

頻譜分析是觀察和測(cè)量信號(hào)幅度和信號(hào)失真的一種快速方法，其顯示結(jié)果可以直觀反映出輸入信號(hào)的傅立葉變換的幅度。信號(hào)頻域分析的測(cè)量范圍極其寬廣，超過(guò)140dB，這使得頻譜分析儀成為適合現(xiàn)代通信和微波領(lǐng)域的多用途儀器。頻譜分析實(shí)質(zhì)上是考察給定信號(hào)源，天線，或信號(hào)分配系統(tǒng)的幅度與頻率的關(guān)系，這種分析能給出有關(guān)信號(hào)的重要信息，如穩(wěn)定度，失真，幅度以及調(diào)制的類型和質(zhì)量。利用這些信息，可以進(jìn)行電路或系統(tǒng)的調(diào)試，以提高效率或驗(yàn)證在所需要的信息發(fā)射和不需要的信號(hào)發(fā)射方面是否符合不斷涌現(xiàn)的各種規(guī)章條例。

現(xiàn)代頻譜分析儀已經(jīng)得到許多綜合利用，從研究開發(fā)到生產(chǎn)制造，到現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。新型頻譜分析儀已經(jīng)改名叫信號(hào)分析儀，已經(jīng)成為具有重要價(jià)值的實(shí)驗(yàn)室儀器，能夠快速觀察大的頻譜寬度，然后迅速移近放大來(lái)觀察信號(hào)細(xì)節(jié)已受到工程師的高度重視。在制造領(lǐng)域，測(cè)量速度結(jié)合通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)存取數(shù)據(jù)的能力，可以快速，精確和重復(fù)地完成一些極其復(fù)雜的測(cè)量。

有兩種技術(shù)方法可完成信號(hào)頻域測(cè)量(統(tǒng)稱為頻譜分析)。

1.FFT分析儀 用數(shù)值計(jì)算的方法處理一定時(shí)間周期的信號(hào)，可提供頻率;幅度和相位信息。這種儀器同樣能分析周期和非周期信號(hào)。FFT 的特點(diǎn)是速度快;精度高，但其分析頻率帶寬受ADC采樣速率限制，適合分析窄帶寬信號(hào)。

2.掃頻式頻譜分析儀可分析穩(wěn)定和周期變化信號(hào)，可提供信號(hào)幅度和頻率信息，適合于寬頻帶快速掃描測(cè)試。

圖1 信號(hào)的頻域分析技術(shù)

快速傅立葉變換頻譜分析儀

快速傅立葉變換可用來(lái)確定時(shí)域信號(hào)的頻譜。信號(hào)必須在時(shí)域中被數(shù)字化，然后執(zhí)行FFT算法來(lái)求出頻譜。一般FFT分析儀的結(jié)構(gòu)是：輸入信號(hào)首先通過(guò)一個(gè)可變衰減器，以提供不同的測(cè)量范圍，然后信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器，除去處于儀器頻率范圍之外的不希望的高頻分量，再對(duì)波形進(jìn)行取樣即模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式后，用微處理器(或其他數(shù)字電路如FPGA,DSP)接收取樣波形，利用FFT計(jì)算波形的頻譜，并將結(jié)果記錄和顯示在屏幕上。

FFT分析儀能夠完成多通道濾波器同樣的功能，但無(wú)需使用許多帶通濾波器，它使用數(shù)字信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立濾波器相當(dāng)?shù)墓δ堋母拍钌现v，F(xiàn)FT方法是簡(jiǎn)單明確的：對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，再計(jì)算頻譜。實(shí)際上，為了使測(cè)量具有意義，還需要考慮很多因素。

FFT的實(shí)質(zhì)是基帶變換，換句話說(shuō)，F(xiàn)FT的頻率范圍總是從0Hz開始并延伸到某個(gè)最高頻率處。這對(duì)需要分析較窄頻帶(不是從直流開始)的測(cè)量情況可能是一個(gè)重大限制。例如，F(xiàn)FT分析儀具有取樣頻率，F(xiàn)FT的頻率范圍是0Hz到128KHz。若N=1024，則頻率分辨力將是，故不能分辨間隔小于250Hz的譜線。

提高頻率分辨力的一種方法是增大時(shí)間記錄中的取樣點(diǎn)數(shù)N，這也增大FFT輸出的節(jié)點(diǎn)數(shù)。不過(guò)，問(wèn)題在于，這會(huì)增加FFT所要處理的數(shù)組長(zhǎng)度，從而增加計(jì)算時(shí)間。FFT算法的計(jì)算時(shí)間往往限制了儀器的性能(比如屏幕刷新速度)，所以增加FFT的長(zhǎng)度往往是可取的。

另一種方法是使用數(shù)字下變頻器，對(duì)于帶限信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字下變頻，這樣等效降低了采樣速率，可以提高頻率分辨力。ADC的輸出與數(shù)字正弦波相乘，借助數(shù)字混頻使數(shù)字正弦波的頻率降低。再用數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，數(shù)字濾波器通過(guò)利用適當(dāng)?shù)某檫x因子來(lái)形成適當(dāng)?shù)念l率間隔，這個(gè)帶寬可以做得很窄，可以形成窄到1Hz的頻率間隔和頻率分辨力。

圖2 在FFT分析儀中利用數(shù)字混頻器可以為頻變分析提供頻帶選擇

掃頻式頻譜分析儀工作原理

頻譜儀就是采用掃頻式原理來(lái)完成信號(hào)的頻域測(cè)試。

頻譜分析儀的功能是要分辨輸入信號(hào)中各個(gè)頻率成份并測(cè)量各頻率成份的頻率和功率。為完成以上功能，在掃描-調(diào)諧頻譜分析中采用超外差方式，它能提供寬的頻率覆蓋范圍，同時(shí)允許在中頻(IF)進(jìn)行信號(hào)處理。圖3是超外差式掃頻頻譜分析儀的結(jié)構(gòu)框圖。

輸入信號(hào)進(jìn)入頻譜儀后與本振(LO)混頻，當(dāng)混頻產(chǎn)物等于中頻(IF)時(shí)，這個(gè)信號(hào)送到檢波器，檢波器輸出視頻信號(hào)通過(guò)放大、采樣、數(shù)字化后決定CRT顯示信號(hào)的垂直電平。掃描振蕩器控制CRT顯示的水平頻率軸和本地振蕩器調(diào)諧同步，它同時(shí)驅(qū)動(dòng)水平CRT偏轉(zhuǎn)和調(diào)諧LO。

頻譜分析儀依靠中頻濾波器分辨各頻率成份，檢波器測(cè)量信號(hào)功率，依靠本振和顯示橫坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到信號(hào)頻率值。

這種掃描- 調(diào)諧分析儀的工作原理正象你家中的調(diào)幅(AM)接收機(jī)，只是調(diào)幅接收機(jī)的本振不是掃描的，而是用刻度旋鈕人工進(jìn)行調(diào)諧;另外不是用顯示器顯示信息而是用揚(yáng)聲器。

圖3 掃頻超外差式頻譜分析儀的簡(jiǎn)化框圖

基于掃描式工作原理，當(dāng)輸入信號(hào)為單點(diǎn)頻信號(hào)時(shí)，該信號(hào)需和掃描本振信號(hào)進(jìn)行混頻，這樣中頻信號(hào)也為頻率變化的掃頻信號(hào)，該掃頻信號(hào)通過(guò)中頻濾波器和檢波器后輸出波形為中頻濾波器頻響形狀。

圖4 掃頻式頻譜分析儀的測(cè)量過(guò)程

輸入衰減器

輸入衰減器是信號(hào)在頻譜儀中的第一級(jí)處理，頻譜分析儀輸入衰減器功能包含以下方面：

1. 保證頻譜儀在寬頻范圍內(nèi)保持良好匹配特性;

2 .保護(hù)混頻及其它中頻處理電路。防止部件損壞和產(chǎn)生過(guò)大非線性失真。

一般頻譜分析儀衰減器衰減范圍為：0~65dB; 可按照5dB步進(jìn)變化。當(dāng)改變輸入衰減器設(shè)置時(shí)，信號(hào)電平會(huì)受到影響。如衰減值由10dB變?yōu)?0dB，信號(hào)幅度人為被減小10dB，相應(yīng)檢波輸出也會(huì)降低，為補(bǔ)償該變化，頻譜儀內(nèi)部會(huì)利用放大器補(bǔ)償衰減影響。所以當(dāng)在改變衰減器設(shè)置時(shí)，輸入信號(hào)在頻譜儀上的顯示并不發(fā)生變化。

儀表自動(dòng)設(shè)置衰減器件的原則是保證：

輸入信號(hào)電平-衰減器設(shè)置<=混頻器工作電平

可以注意一下儀表的這幾個(gè)參數(shù)值是否滿足上式的關(guān)系。

所以，當(dāng)改變儀表輸入衰減器設(shè)置時(shí)，其內(nèi)部衰減器和中頻放大器會(huì)發(fā)生變化。中頻放大器決定信號(hào)在屏幕上的顯示位置。

頻譜儀工作時(shí)，其中頻放大器增益和衰減器設(shè)值連動(dòng)工作，當(dāng)改變輸入衰減器設(shè)置時(shí)，輸入信號(hào)顯示電平并不會(huì)發(fā)生變化。

混頻器

混頻器完成信號(hào)的頻譜搬移，將不同頻率輸入信號(hào)變換到相應(yīng)頻率。在混頻過(guò)程中會(huì)存在鏡相干擾問(wèn)題。

鏡相干擾舉例：

輸入信號(hào)頻率：800MHz; 本振信號(hào)頻率：780MHz;

中頻信號(hào)頻率：800-780=20MHz;

則鏡相干擾信號(hào)頻率：780-20=760MHz,

760MHz信號(hào)是800MHz信號(hào)的鏡相干擾。

這樣帶來(lái)的測(cè)量問(wèn)題就是頻譜儀的一個(gè)中頻信號(hào)顯示不能判斷是760MHz信號(hào)還是800MHz信號(hào)的響應(yīng)。

頻譜儀需采用相應(yīng)方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。頻譜分析儀利用兩種方法解決該問(wèn)題。

1.在低頻率段(<3GHz)，利用高混頻和低通濾波器抑制干擾。

2.在高頻率段(>3GHz)，利用帶通跟蹤濾波器抑制干擾。

圖5 典型頻譜分析儀的變頻處理過(guò)程

中頻濾波器

中頻濾波器是譜分析儀中關(guān)鍵部件，頻譜分析儀主要依靠該濾波器來(lái)分辯不同頻率信號(hào)，頻譜儀許多關(guān)鍵指標(biāo)(測(cè)量分辨率、測(cè)量靈敏度、測(cè)量速度、測(cè)量精度等)都和中頻濾波器的帶寬和形狀有關(guān)。

中頻濾波器通常由LC濾波器，晶體濾波器或數(shù)字濾波器的組合實(shí)現(xiàn)。形狀因素和濾波器類型是說(shuō)明這些濾波器特性的重要因素。形狀因素為濾波器是如何選擇的一個(gè)測(cè)度，通常規(guī)定為3dB/60Dbk寬度之比，比值表示出如何在3dB帶寬內(nèi)的大信號(hào)附件分辨小1百萬(wàn)倍(-60dB)的信號(hào)。這類濾波器對(duì)頻譜分析儀的性能有重大影響，雖然某些濾波器類型如Butterworth巴特沃茲濾波器或Chebychev切比雪夫?yàn)V波器具有優(yōu)良的選擇性(信號(hào)分離的能力)，以及高斯濾波器和同步調(diào)諧濾波器具有較好的時(shí)域性能(較好的掃描幅度精度)，但最終應(yīng)用哪種濾波器屬最佳將起重大作用。優(yōu)良的形狀因素性能對(duì)緊靠在一起的信號(hào)提供較好的分辨率。較好的時(shí)域性能(無(wú)過(guò)沖)提供了更快的掃描速度和良好的幅度精度。

對(duì)數(shù)放大器

對(duì)數(shù)放大器以對(duì)數(shù)方式處理輸入信號(hào)，允許有大的待測(cè)量和小的待測(cè)量同步易顯示和分辨。實(shí)現(xiàn)這種壓縮的一種方法是構(gòu)建增益隨信號(hào)幅度而變化的放大器。在低電平信號(hào)下，增益可能為10dB，而在較大的幅度下，增益下降到0。為了獲得所需的對(duì)數(shù)范圍，必須將若干這類放大器進(jìn)行級(jí)聯(lián)。對(duì)數(shù)放大器通常具有約70dB到超過(guò)100dB的范圍。除對(duì)數(shù)范圍外，逼真度(對(duì)數(shù)壓縮與對(duì)數(shù)曲線相符的接近程度)是應(yīng)考慮的重要因素，這個(gè)誤差將直接反映測(cè)量的幅度誤差。

檢波器

檢波器將輸入信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為輸出視頻電壓，該電壓值對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)功率。

針對(duì)不同特性輸入信號(hào)(正弦信號(hào)、噪音信號(hào)、隨機(jī)調(diào)制信號(hào)等)，需采用不同檢波方式才能準(zhǔn)確測(cè)出該信號(hào)功率。

現(xiàn)代頻譜儀一般采用數(shù)字技術(shù)，支持所有檢波方式以確保準(zhǔn)確測(cè)量各種被測(cè)信號(hào)的功率參數(shù)。

視頻濾波器

視頻濾波器對(duì)檢波器輸出視頻信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，減小視頻帶寬可對(duì)頻譜顯示中的噪聲抖動(dòng)進(jìn)行平滑，從而減小顯示噪聲的抖動(dòng)范圍。這樣有利頻譜儀發(fā)現(xiàn)淹沒(méi)在噪聲中的小功率CW信號(hào)，還可提高測(cè)量的可重復(fù)性。

掃描本振

掃描本振是整個(gè)頻譜分析儀中的關(guān)鍵部分之一，掃描本振的穩(wěn)定度和頻譜純度對(duì)許多性能指標(biāo)都是一個(gè)限制因素。本振的穩(wěn)定度影響最小分辨帶寬，但是，即使利用頻率很穩(wěn)定的本振，仍然存在殘余的不穩(wěn)定度，這稱之為相位噪聲或相位噪聲邊帶。相位噪聲影響對(duì)鄰近信號(hào)的觀察，而如果我們只考慮帶寬和形狀因素，是不難觀察到的。現(xiàn)代頻譜分析儀的應(yīng)用之一是直接測(cè)量其他設(shè)備的相位噪聲，這對(duì)本振的相位噪聲要求是非常高的。

頻譜分析儀關(guān)鍵性能指標(biāo)

頻譜分析儀作為分析儀表，其基本性能要求包含：

1. 頻率方面指標(biāo)：

測(cè)量頻率范圍：反映頻譜儀測(cè)量信號(hào)范圍能力;

頻率分辨率：反映頻譜儀分辨兩個(gè)頻率間隔信號(hào)的能力。

2. 幅方面度指標(biāo)：

靈敏度：頻譜儀發(fā)現(xiàn)小信號(hào)的能力;

內(nèi)部失真：反映頻譜儀測(cè)量大信號(hào)的能力;

動(dòng)態(tài)范圍：頻譜儀同時(shí)分析大信號(hào)和小信號(hào)的能力。

3. 另外頻譜儀的性能還包含其分析精度和測(cè)量速度。

測(cè)量諧波失真或搜索信號(hào)要求頻率范圍從低于基波擴(kuò)展到超過(guò)多次諧波。測(cè)量交調(diào)失真則要求窄的掃頻寬度(span)，以便觀察鄰近的交調(diào)失真產(chǎn)物。因此，首先是選擇有足夠頻率和掃寬范圍的頻譜分析儀。第二個(gè)要求是什么樣的頻率分辨率?測(cè)量雙音交調(diào)對(duì)分辨率提出了嚴(yán)格的要求。

頻譜分析儀測(cè)量頻率范圍由其本振范圍決定。通過(guò)采用本振的諧波可擴(kuò)展頻譜分析儀的分析頻率范圍，還可采用外混頻方法將其分析頻率范圍擴(kuò)展至更高(75GHz; 110GHz;325GHz等)。

頻率分辨率

這個(gè)例子反映頻譜分析儀測(cè)量分辨率對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，輸入的物理信號(hào)為兩個(gè)頻率間隔的信號(hào)，只有當(dāng)頻譜分析儀的分辨能力足夠高時(shí)，才會(huì)在屏幕上正確反映信號(hào)的特性。

很多信號(hào)測(cè)試應(yīng)用要求頻譜分析儀要具有盡量高的頻率分辨率。

圖6 頻率分辨率

頻譜分析儀的頻率分辨率與其內(nèi)部的中頻濾波器和本振性能有關(guān)。

其中，中頻濾波器的影響因素包含：

濾波器類型;帶寬;形狀因數(shù)(shape factor)。

本振剩余調(diào)頻(residual FM)和噪聲邊帶也是確定有用分辨率時(shí)應(yīng)考慮的因素。

依次分析每一項(xiàng)。首先要注意的事情之一，是在頻譜儀上理想CW信號(hào)不可能顯示為無(wú)限細(xì)的線，它本身有一定的寬度。當(dāng)調(diào)諧通過(guò)信號(hào)時(shí)，其形狀是頻譜分析儀自身分辨帶寬(IF濾波器)形狀的顯示。這樣，如果改變?yōu)V波器的帶寬，就改變了顯示響應(yīng)的寬度。技術(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)表中規(guī)定3 dB帶寬，其它應(yīng)用(EMC)定義濾波器帶寬為6dB 帶寬。

本振性能對(duì)分辨率有影響是因?yàn)橹蓄l信號(hào)來(lái)源于輸入信號(hào)與本振信號(hào)的混頻，兩個(gè)信號(hào)中的噪聲是功率相加關(guān)系。

輸入信號(hào)相位噪聲性能為：10kHz offset –110dBc/Hz;

混頻本振相位噪聲性能為：10kHz offset –110dBc/Hz，

則混頻輸出中頻信號(hào)相位噪聲性能為：10kHz offset –107dBc/Hz。

單點(diǎn)頻信號(hào)在頻譜上測(cè)試顯示結(jié)果為中頻濾波器的頻響形狀。

濾波器的形狀通過(guò)其帶寬(3dB或6dB)和矩形系數(shù)得到定義。這兩個(gè)參數(shù)都會(huì)影響頻譜分析儀的頻率分辨能力。

圖7 中頻濾波器帶寬和形狀因素(矩形系數(shù))定義

在雙音測(cè)試中，兩個(gè)信號(hào)相隔10kHz，RBW=10KHz時(shí)，儀表測(cè)試可顯示出兩個(gè)信號(hào)峰。顯然用10kHz濾波器分辨出等幅雙音信號(hào)是沒(méi)有問(wèn)題的。

頻譜分析儀的RBW即為其分辨等幅信號(hào)的能力。

上面的分析得到的結(jié)論是：

頻譜分析儀RBW 越小，其頻率分辨率越高。

中頻濾波器3dB帶寬告訴我們，等幅信號(hào)彼此靠近到何種程度仍然能夠彼此分開(根據(jù)3dB下降)。一般的說(shuō)，如果兩信號(hào)的間隔大于或等于所選用分辨帶寬濾波器的3dB帶寬，兩個(gè)等幅信號(hào)就可以分辨出來(lái)。在雙音測(cè)試中的兩個(gè)信號(hào)表明了這個(gè)含義。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)間隔10 kHz時(shí)，用10 kHz的分辨帶寬容易分開它們。然而，若用較寬的分辨帶寬，兩個(gè)信號(hào)顯示為一個(gè)。

注解：當(dāng)兩信號(hào)出現(xiàn)在分辨帶寬之內(nèi)時(shí)，由于兩個(gè)信號(hào)相互作用，利用大約比分辨帶寬小10倍的視頻帶寬可平滑其響應(yīng)。

通常我們需測(cè)量不等幅信號(hào)。由于在我們的例子中兩個(gè)信號(hào)描繪出濾波器的形狀，小信號(hào)有可能被掩埋在大信號(hào)濾波器的裙邊(filter skirt)中。對(duì)于幅度相差60dB的兩個(gè)信號(hào)，其間隔至少是60dB 帶寬的一半(用近似3dB下降)。因此，形狀系數(shù)(濾波器60dB對(duì)3dB帶寬之比)是決定不等幅信號(hào)分辨率的關(guān)鍵。

頻率分析儀分辨不等幅信號(hào)舉例：

對(duì)于相隔10kHz而幅度下降50dB的失真產(chǎn)物(distortion products) 的測(cè)試。

如果3kHz濾波器的形狀因數(shù)是15:1，于是濾波器下降60dB的帶寬是45kHz，失真產(chǎn)物將隱藏在測(cè)試信號(hào)響應(yīng)的裙邊下。如果換接到另外一個(gè)窄帶濾波器(如1kHz濾波器)，60dB帶寬15kHz，失真產(chǎn)物是容易被觀察到的(因?yàn)?0dB帶寬的一半是7.5kHz，它小于邊帶的間隔)。因此，對(duì)于本測(cè)量所需的分辨帶寬應(yīng)不大于1kHz(<=1kHz)。

濾波器形狀系數(shù)(shape factors)的范圍：

模擬濾波器：15:1或11:1

數(shù)字濾波器：5:1

以上分析的結(jié)論：

頻譜分析儀矩形系數(shù)越小，其對(duì)不等幅信號(hào)的頻率分辨率越高。

相位噪聲

影響分辨率的另一個(gè)因素是頻譜分析儀本地振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

剩余調(diào)頻使顯示的信號(hào)模糊不清，以致在規(guī)定的剩余調(diào)頻之內(nèi)的兩個(gè)信號(hào)不能分辨出來(lái)一個(gè)頻譜分析儀的分辨帶寬不可能如此窄，以致能夠觀察到它自身的不穩(wěn)定度。如果它能夠這樣做，那么我們將不能夠區(qū)分出頻譜分析儀和輸入信號(hào)的剩余調(diào)頻(Residual FM), 。

這就意味著，頻譜分析儀的剩余調(diào)頻決定了可允許的最小分辨帶寬。同樣，它決定了等幅信號(hào)的最小間隔。本測(cè)量所要求的剩余調(diào)頻是不大于1kHz(<=1kHz ).

鎖相本振作為參考源可提高剩余調(diào)頻指標(biāo)，也降低了最小可允許的分辨帶寬。高性能的頻譜分析儀價(jià)格比較貴，因?yàn)樗捎酶咝阅苕i相本振源，具有較低的剩余調(diào)頻和較小的最小分辨帶寬。

作為在信號(hào)頻譜顯示的噪聲邊帶來(lái)源于本振的頻率不穩(wěn)定性，這個(gè)噪聲可能掩蓋近端(靠近載波)低電平信號(hào)。換句話說(shuō)，只考慮帶寬和形狀因數(shù)，我們可能會(huì)看到它。但是頻譜分析儀內(nèi)部本振的相位噪聲將疊加在輸入信號(hào)上，這些噪聲邊帶影響了近端低電平信號(hào)的分辨率。

測(cè)量的例子：

要求測(cè)量的信號(hào)：

偏離載波10kHz處1kHz頻率帶寬內(nèi)噪聲邊帶功率<=-50dBc，它等效于<=-80dBc/1Hz, 即要求頻譜儀本振信號(hào)在偏離載波10kHz處測(cè)量1Hz帶寬內(nèi)噪聲能量小于載波功率80dB。

圖8 頻譜分析儀本振相位噪聲對(duì)測(cè)量的影響

靈敏度

頻譜分析儀在不加任何信號(hào)時(shí)會(huì)顯示噪聲電平，由于頻譜分析儀自身產(chǎn)生的噪聲，其大部分來(lái)自中頻放大器的第一級(jí)。

頻譜分析儀的靈敏度定義為它所顯示的平均噪聲電平(DANL)，這項(xiàng)指標(biāo)關(guān)系到儀表對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)能力。若一信號(hào)的電平等于顯示的平均噪聲電平，它將以近似3dB突起顯示在平均噪聲電平之上，這一信號(hào)被認(rèn)為是最小的可測(cè)量信號(hào)電平，但是如果不用視頻濾波器平均噪聲，總是不能看到這一現(xiàn)象的。

頻譜分析儀的靈敏度定義為在一定的分辨帶寬下顯示的平均噪聲電平。“平均”意味著噪聲信號(hào)的幅度隨時(shí)間和頻率都是隨機(jī)變化的，要對(duì)噪聲功率進(jìn)行定量測(cè)試，只能得到其平均值。

頻譜分析儀表的靈敏度是儀表的重要指標(biāo)，

頻譜分析儀靈敏度與其RBW;VBW;衰減器設(shè)值有關(guān)。

圖9 頻譜分析儀測(cè)試靈敏度

從不同方面可以反映頻譜分析儀表內(nèi)部噪聲對(duì)測(cè)試的影響。

1、當(dāng)輸入信號(hào)功率電平小于儀表噪聲電平時(shí)，該信號(hào)不會(huì)被顯示，儀表對(duì)該小信號(hào)沒(méi)有測(cè)試能力。

2、當(dāng)輸入信號(hào)幅度大于儀表噪聲時(shí)，儀表噪聲會(huì)疊加在輸入信號(hào)上，既最終顯示信號(hào)電平為輸入信號(hào)電平和儀表噪聲的功率和。

當(dāng)被測(cè)試信號(hào)功率比儀表內(nèi)部噪聲功率大10~20dB 以上,頻譜分析儀內(nèi)部噪聲的影響可忽略不計(jì)。

前面明確了頻譜儀產(chǎn)生噪聲的原因和噪聲對(duì)儀表測(cè)試的影響，下面分析一下儀表設(shè)置會(huì)影響的噪聲電平的因素。

影響頻率譜分析儀噪聲電平因素1：輸入衰減設(shè)置。

衰減器衰減量每增加10dB, 頻譜儀顯示噪聲電平提高10dB。

衰減器設(shè)值影響頻譜儀靈敏度的分析：

輸入信號(hào)的電平不隨衰減增加而下降，這是因?yàn)楫?dāng)衰減降低加到檢波器的信號(hào)電平時(shí)，而中放(IF)增益同時(shí)增加10dB來(lái)補(bǔ)償這個(gè)損失，其結(jié)果使儀表顯示的信號(hào)幅度保持不變。但是，噪聲信號(hào)只會(huì)受到放大器的影響很大，其電平被放大，增加了10dB。

既然內(nèi)部噪聲主要由中放第一級(jí)產(chǎn)生，因而輸入衰減器不影響內(nèi)部噪聲電平。但是，輸入衰減器影響到混頻器的信號(hào)電平，并降低信噪比。

提高頻譜儀表靈敏度的方法1：

用盡可能小的輸入衰減以得到最好的靈敏度。

儀表內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲是寬帶白色噪聲。即它在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的電平是平坦的隨機(jī)噪聲，與分辨帶寬濾波器相比它的頻帶是寬的。因此，分辨帶寬濾波器只通過(guò)一小部分噪聲能量到包絡(luò)檢波器。如果分辨帶寬增加(或減少)10倍，則增加(或減少)10倍的噪聲能量到達(dá)檢波器，并且顯示的平均噪聲電平將增加(或減少)10dB.

顯示的噪聲電平和分辨帶寬RBW之間的關(guān)系是：

噪聲電平變化(dB)=10log(分辨帶寬2/分辨帶寬1)

RBW從100kHz(分辨率帶寬(老))變到10kHz(分辨率帶寬(新))，結(jié)果噪聲電平變化為

噪聲電平變化 = log (10 kHz / 100 kHz ) = -10dB.

頻譜儀中頻濾波器會(huì)對(duì)中放產(chǎn)生的寬帶白噪聲有頻帶抑制功能，所以RBW越小，通過(guò)中頻濾波器的噪聲能量越小，則通過(guò)檢波后顯示噪聲的電平越低。

頻譜分析儀的噪聲是在一定的分辨帶寬下定義的。

頻譜分析儀的最低噪聲電平(和最慢掃描時(shí)間)是在最小分辨帶寬下得到的。

提高頻譜儀表靈敏度的方法2：

用盡可能小的RBW 設(shè)置得到最好的靈敏度。

圖10 RBW的設(shè)置對(duì)儀器靈敏度的影響

頻譜分析儀顯示出信號(hào)加噪聲，因此當(dāng)信號(hào)接近噪聲電平時(shí)，附加的噪聲疊加在掃描線上，致使更難讀取信號(hào)。

視頻濾波器是在檢波之后的低通濾波器，聲信號(hào)幅度由于隨時(shí)間和頻率都是隨機(jī)波動(dòng)的，通過(guò)檢波處理輸出為交流AC信號(hào)，這些AC信號(hào)反映到顯示上就是軌跡線的抖動(dòng)。通過(guò)視頻濾波器的低通處理，用以平均(Smooth)噪聲起伏。雖然它不能改善靈敏度，但能改善鑒別力和在低信噪比情況下測(cè)量的可重復(fù)性。

減小VBW不會(huì)對(duì)顯示的CW信號(hào)頻譜造成影響，因?yàn)镃W信號(hào)檢波輸出為DC信號(hào)，DC信號(hào)通過(guò)低通濾波處理時(shí)，不會(huì)被濾波器帶寬所影響。

需要注意的是：減小VBW可以對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行平滑，但并不是得到該噪聲信號(hào)的功率平均值。

總結(jié)一下提高頻譜儀測(cè)試靈敏度的技術(shù)方法：

1、最窄的分辨帶寬;

2、最小的輸入衰減;

3、充分利用視頻濾波器(視頻帶寬<0.1-0.01分辨帶寬)

4、前置放大器(內(nèi)部或外部)，內(nèi)部前置放大器需要選件，工作頻率范圍一般為〈3GH。前置放大器的開關(guān)由[Amplitude] Int Amp: on/off 控制。

外置放大器對(duì)頻譜分析儀靈敏度的改善=放大器件增益-放大器噪聲系數(shù)。

以上這些提高靈敏度的設(shè)置可能與其它測(cè)量要求存在矛盾：

1、較小的分辨帶寬會(huì)大大增加測(cè)量的時(shí)間;

2、0dB輸入衰減會(huì)增加輸入駐波比，降低測(cè)量精度;

3、增加前置放大會(huì)影響頻譜儀動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)。

審核編輯：湯梓紅