原标题：最好的频谱分析仪基础知识！

频谱分析是观察和测量信号幅度和信号失真的一种快速方法其显示结果可以直观反映出输入信号的傅立叶变换的幅度。信号频域汾析的测量范围极其宽广超过140dB，这使得频谱分析仪成为适合现代通信和微波领域的多用途仪器频谱分析实质上是考察给定信号源，天線或信号分配系统的幅度与频率的关系，这种分析能给出有关信号的重要信息如稳定度，失真幅度以及调制的类型和质量。利用这些信息可以进行电路或系统的调试，以提高效率或验证在所需要的信息发射和不需要的信号发射方面是否符合不断涌现的各种规章条例

现代频谱分析仪已经得到许多综合利用，从研究开发到生产制造到现场维护。新型频谱分析仪已经改名叫信号分析仪已经成为具有偅要价值的实验室仪器，能够快速观察大的频谱宽度然后迅速移近放大来观察信号细节已受到工程师的高度重视。在制造领域测量速喥结合通过计算机来存取数据的能力，可以快速精确和重复地完成一些极其复杂的测量。

有两种技术方法可完成信号频域测量（统称为頻谱分析）

1．FFT分析仪 用数值计算的方法处理一定时间周期的信号，可提供频率；幅度和相位信息这种仪器同样能分析周期和非周期信號。FFT 的特点是速度快精度高，但其分析频率带宽受ADC采样速率限制适合分析窄带宽信号。

2．扫频式频谱分析仪可分析稳定和周期变化信號可提供信号幅度和频率信息，适合于宽频带快速扫描测试

快速傅立叶变换频谱分析仪

快速傅立叶变换可用来确定时域信号的频谱。信号必须在时域中被数字化然后执行FFT算法来求出频谱。一般FFT分析仪的结构是：输入信号首先通过一个可变衰减器以提供不同的测量范圍，然后信号经过低通滤波器的选用除去处于仪器频率范围之外的不希望的高频分量，再对波形进行取样即模拟到数字转换转换为数芓形式后，用微处理器（或其他数字电路如FPGA,DSP）接收取样波形利用FFT计算波形的频谱，并将结果记录和显示在屏幕上

FFT分析仪能够完成多通噵滤波器的选用式同样的功能，但无需使用许多带通滤波器的选用它使用数字信号处理来实现多个独立滤波器的选用相当的功能。从概念上讲FFT方法是简单明确的：对信号进行数字化，再计算频谱实际上，为了使测量具有意义还需要考虑很多因素。

FFT的实质是基带变换换句话说，FFT的频率范围总是从0Hz开始并延伸到某个最高频率处这对需要分析较窄频带（不是从直流开始）的测量情况可能是一个重大限淛。例如FFT分析仪具有取样频率，FFT的频率范围是0Hz到128KHz若N=1024，则频率分辨力将是故不能分辨间隔小于250Hz的谱线。

提高频率分辨力的一种方法是增大时间记录中的取样点数N这也增大FFT输出的节点数。不过问题在于，这会增加FFT所要处理的数组长度从而增加计算时间。FFT算法的计算時间往往限制了仪器的性能（比如屏幕刷新速度）所以增加FFT的长度往往是可取的。

另一种方法是使用数字下变频器对于带限信号，进荇数字下变频这样等效降低了采样速率，可以提高频率分辨力ADC的输出与数字正弦波相乘，借助数字混频使数字正弦波的频率降低再鼡数字滤波器的选用进行滤波，数字滤波器的选用通过利用适当的抽选因子来形成适当的频率间隔这个带宽可以做得很窄，可以形成窄箌1Hz的频率间隔和频率分辨力

图2 在FFT分析仪中利用数字混频器可以为频变分析提供频带选择

扫频式频谱分析仪工作原理

频谱仪就是采用扫频式原理来完成信号的频域测试。

频谱分析仪的功能是要分辨输入信号中各个频率成份并测量各频率成份的频率和功率为完成以上功能，茬扫描-调谐频谱分析中采用超外差方式它能提供宽的频率覆盖范围，同时允许在中频（IF）进行信号处理图3是超外差式扫频频谱分析仪嘚结构框图。

输入信号进入频谱仪后与本振（LO）混频当混频产物等于中频（IF）时，这个信号送到检波器检波器输出视频信号通过放大、采样、数字化后决定CRT显示信号的垂直电平。扫描振荡器控制CRT显示的水平频率轴和本地振荡器调谐同步它同时驱动水平CRT偏转和调谐LO。

频譜分析仪依靠中频滤波器的选用分辨各频率成份检波器测量信号功率，依靠本振和显示横坐标的对应关系得到信号频率值

这种扫描- 调諧分析仪的工作原理正象你家中的调幅（AM）接收机，只是调幅接收机的本振不是扫描的而是用刻度旋钮人工进行调谐；另外不是用显示器显示信息而是用扬声器。

图3 扫频超外差式频谱分析仪的简化框图

基于扫描式工作原理当输入信号为单点频信号时，该信号需和扫描本振信号进行混频这样中频信号也为频率变化的扫频信号，该扫频信号通过中频滤波器的选用和检波器后输出波形为中频滤波器的选用频響形状

图4 扫频式频谱分析仪的测量过程

输入衰减器是信号在频谱仪中的第一级处理，频谱分析仪输入衰减器功能包含以下方面：

1. 保证频譜仪在宽频范围内保持良好匹配特性；

2 .保护混频及其它中频处理电路防止部件损坏和产生过大非线性失真。

一般频谱分析仪衰减器衰减范围为：0~65dB; 可按照5dB步进变化当改变输入衰减器设置时，信号电平会受到影响如衰减值由10dB变为20dB，信号幅度人为被减小10dB相应检波输出也会降低，为补偿该变化频谱仪内部会利用放大器补偿衰减影响。所以当在改变衰减器设置时输入信号在频谱仪上的显示并不发生变化。

儀表自动设置衰减器件的原则是保证：

输入信号电平－衰减器设置<=混频器工作电平

可以注意一下仪表的这几个参数值是否满足上式的关系

所以，当改变仪表输入衰减器设置时其内部衰减器和中频放大器会发生变化。中频放大器决定信号在屏幕上的显示位置

频谱仪工作時，其中频放大器增益和衰减器设值连动工作当改变输入衰减器设置时，输入信号显示电平并不会发生变化

混频器完成信号的频谱搬迻，将不同频率输入信号变换到相应频率在混频过程中会存在镜相干扰问题。

这样带来的测量问题就是频谱仪的一个中频信号显示不能判断是760MHz信号还是800MHz信号的响应

频谱仪需采用相应方法来解决这个问题。频谱分析仪利用两种方法解决该问题

1.在低频率段(<3GHz)，利用高混频和低通滤波器的选用抑制干扰

2.在高频率段(>3GHz)，利用带通跟踪滤波器的选用抑制干扰

图5 典型频谱分析仪的变频处理过程

中频滤波器的选用是譜分析仪中关键部件，频谱分析仪主要依靠该滤波器的选用来分辩不同频率信号频谱仪许多关键指标（测量分辨率、测量灵敏度、测量速度、测量精度等）都和中频滤波器的选用的带宽和形状有关。

中频滤波器的选用通常由LC滤波器的选用晶体滤波器的选用或数字滤波器嘚选用的组合实现。形状因素和滤波器的选用类型是说明这些滤波器的选用特性的重要因素形状因素为滤波器的选用是如何选择的一个測度，通常规定为3dB/60Dbk宽度之比比值表示出如何在3dB带宽内的大信号附件分辨小1百万倍（-60dB）的信号。这类滤波器的选用对频谱分析仪的性能有偅大影响虽然某些滤波器的选用类型如Butterworth巴特沃兹滤波器的选用或Chebychev切比雪夫滤波器的选用具有优良的选择性（信号分离的能力），以及高斯滤波器的选用和同步调谐滤波器的选用具有较好的时域性能（较好的扫描幅度精度）但最终应用哪种滤波器的选用属最佳将起重大作鼡。优良的形状因素性能对紧靠在一起的信号提供较好的分辨率较好的时域性能（无过冲）提供了更快的扫描速度和良好的幅度精度。

對数放大器以对数方式处理输入信号允许有大的待测量和小的待测量同步易显示和分辨。实现这种压缩的一种方法是构建增益随信号幅喥而变化的放大器在低电平信号下，增益可能为10dB而在较大的幅度下，增益下降到0为了获得所需的对数范围，必须将若干这类放大器進行级联对数放大器通常具有约70dB到超过100dB的范围。除对数范围外逼真度（对数压缩与对数曲线相符的接近程度）是应考虑的重要因素，這个误差将直接反映测量的幅度误差

检波器将输入信号功率转换为输出视频电压，该电压值对应输入信号功率

针对不同特性输入信号（正弦信号、噪音信号、随机调制信号等），需采用不同检波方式才能准确测出该信号功率

现代频谱仪一般采用数字技术，支持所有检波方式以确保准确测量各种被测信号的功率参数

视频滤波器的选用对检波器输出视频信号进行低通滤波处理，减小视频带宽可对频谱显礻中的噪声抖动进行平滑从而减小显示噪声的抖动范围。这样有利频谱仪发现淹没在噪声中的小功率CW信号还可提高测量的可重复性。

掃描本振是整个频谱分析仪中的关键部分之一扫描本振的稳定度和频谱纯度对许多性能指标都是一个限制因素。本振的稳定度影响最小汾辨带宽但是，即使利用频率很稳定的本振仍然存在残余的不稳定度，这称之为相位噪声或相位噪声边带相位噪声影响对邻近信号嘚观察，而如果我们只考虑带宽和形状因素是不难观察到的。现代频谱分析仪的应用之一是直接测量其他设备的相位噪声这对本振的楿位噪声要求是非常高的。

频谱分析仪关键性能指标

频谱分析仪作为分析仪表其基本性能要求包含：

测量频率范围：反映频谱仪测量信號范围能力；

频率分辨率：反映频谱仪分辨两个频率间隔信号的能力。

灵敏度：频谱仪发现小信号的能力；

内部失真：反映频谱仪测量大信号的能力；

动态范围：频谱仪同时分析大信号和小信号的能力

3. 另外频谱仪的性能还包含其分析精度和测量速度。

测量谐波失真或搜索信号要求频率范围从低于基波扩展到超过多次谐波测量交调失真则要求窄的扫频宽度（span），以便观察邻近的交调失真产物因此，首先昰选择有足够频率和扫宽范围的频谱分析仪第二个要求是什么样的频率分辨率？测量双音交调对分辨率提出了严格的要求

频谱分析仪測量频率范围由其本振范围决定。通过采用本振的谐波可扩展频谱分析仪的分析频率范围还可采用外混频方法将其分析频率范围扩展至哽高（75GHz; 110GHz；325GHz等）。

这个例子反映频谱分析仪测量分辨率对测试结果的影响输入的物理信号为两个频率间隔的信号，只有当频谱分析仪的分辨能力足够高时才会在屏幕上正确反映信号的特性。

很多信号测试应用要求频谱分析仪要具有尽量高的频率分辨率

频谱分析仪的频率汾辨率与其内部的中频滤波器的选用和本振性能有关。

其中中频滤波器的选用的影响因素包含：滤波器的选用类型、带宽、形状因数（shape factor)。

本振剩余调频（residual FM)和噪声边带也是确定有用分辨率时应考虑的因素

依次分析每一项。首先要注意的事情之一是在频谱仪上理想ＣＷ信號不可能显示为无限细的线，它本身有一定的宽度当调谐通过信号时，其形状是频谱分析仪自身分辨带宽（IF滤波器的选用）形状的显示这样，如果改变滤波器的选用的带宽就改变了显示响应的宽度。技术指标的数据表中规定3 dB带宽其它应用（EMC）定义滤波器的选用带宽為6dB 带宽。

本振性能对分辨率有影响是因为中频信号来源于输入信号与本振信号的混频两个信号中的噪声是功率相加关系。

单点频信号在頻谱上测试显示结果为中频滤波器的选用的频响形状

滤波器的选用的形状通过其带宽（3dB或6dB）和矩形系数得到定义。这两个参数都会影响頻谱分析仪的频率分辨能力

图7 中频滤波器的选用带宽和形状因素（矩形系数）定义

在双音测试中，两个信号相隔10kHzRBW=10KHz时，仪表测试可显示絀两个信号峰显然用10kHz滤波器的选用分辨出等幅双音信号是没有问题的。

频谱分析仪的RBW即为其分辨等幅信号的能力

上面的分析得到的结論是：

频谱分析仪RBW 越小，其频率分辨率越高

中频滤波器的选用3dB带宽告诉我们，等幅信号彼此靠近到何种程度仍然能够彼此分开（根据3dB下降）一般的说，如果两信号的间隔大于或等于所选用分辨带宽滤波器的选用的3dB带宽两个等幅信号就可以分辨出来。在双音测试中的两個信号表明了这个含义当两个信号间隔10 kHz时，用10 kHz的分辨带宽容易分开它们然而，若用较宽的分辨带宽两个信号显示为一个。

注解：当兩信号出现在分辨带宽之内时由于两个信号相互作用，利用大约比分辨带宽小10倍的视频带宽可平滑其响应

通常我们需测量不等幅信号。由于在我们的例子中两个信号描绘出滤波器的选用的形状小信号有可能被掩埋在大信号滤波器的选用的裙边（filter skirt)中。对于幅度相差60dB的两個信号其间隔至少是60dB 带宽的一半（用近似3dB下降）。因此形状系数（滤波器的选用60dB对3dB带宽之比）是决定不等幅信号分辨率的关键。

频率汾析仪分辨不等幅信号举例：

如果3kHz滤波器的选用的形状因数是15:1于是滤波器的选用下降60dB的带宽是45kHz，失真产物将隐藏在测试信号响应的裙边丅如果换接到另外一个窄带滤波器的选用（如1kHz滤波器的选用），60dB带宽15kHz失真产物是容易被观察到的（因为60dB带宽的一半是7.5kHz，它小于边带的間隔）因此，对于本测量所需的分辨带宽应不大于1kHz(<=1kHz)

频谱分析仪矩形系数越小，其对不等幅信号的频率分辨率越高

影响分辨率的另一個因素是频谱分析仪本地振荡器的频率稳定度。

剩余调频使显示的信号模糊不清以致在规定的剩余调频之内的两个信号不能分辨出来一個频谱分析仪的分辨带宽不可能如此窄，以致能够观察到它自身的不稳定度如果它能够这样做，那么我们将不能够区分出频谱分析仪和輸入信号的剩余调频（Residual FM),

这就意味着，频谱分析仪的剩余调频决定了可允许的最小分辨带宽同样，它决定了等幅信号的最小间隔本测量所要求的剩余调频是不大于1kHz（<=1kHz ).

锁相本振作为参考源可提高剩余调频指标，也降低了最小可允许的分辨带宽高性能的频谱分析仪价格比較贵，因为它采用高性能锁相本振源具有较低的剩余调频和较小的最小分辨带宽。

作为在信号频谱显示的噪声边带来源于本振的频率不穩定性这个噪声可能掩盖近端（靠近载波）低电平信号。换句话说只考虑带宽和形状因数，我们可能会看到它但是频谱分析仪内部夲振的相位噪声将叠加在输入信号上，这些噪声边带影响了近端低电平信号的分辨率

要求测量的信号为偏离载波10kHz处1kHz频率带宽，内噪声边帶功率<=-50dBc它等效于<=-80dBc/1Hz, 即要求频谱仪本振信号在偏离载波10kHz处测量1Hz带宽内噪声能量小于载波功率80dB。

图8 频谱分析仪本振相位噪声对测量的影响

频谱汾析仪在不加任何信号时会显示噪声电平由于频谱分析仪自身产生的噪声，其大部分来自中频放大器的第一级

频谱分析仪的灵敏度定義为它所显示的平均噪声电平（DANL），这项指标关系到仪表对弱信号的检测能力若一信号的电平等于显示的平均噪声电平，它将以近似3dB突起显示在平均噪声电平之上这一信号被认为是最小的可测量信号电平，但是如果不用视频滤波器的选用平均噪声总是不能看到这一现潒的。

频谱分析仪的灵敏度定义为在一定的分辨带宽下显示的平均噪声电平“平均”意味着噪声信号的幅度随时间和频率都是随机变化嘚，要对噪声功率进行定量测试只能得到其平均值。

频谱分析仪表的灵敏度是仪表的重要指标

频谱分析仪灵敏度与其RBW；VBW；衰减器设值囿关。

图9 频谱分析仪测试灵敏度

从不同方面可以反映频谱分析仪表内部噪声对测试的影响

1、当输入信号功率电平小于仪表噪声电平时，該信号不会被显示仪表对该小信号没有测试能力。

2、当输入信号幅度大于仪表噪声时仪表噪声会叠加在输入信号上，既最终显示信号電平为输入信号电平和仪表噪声的功率和

当被测试信号功率比仪表内部噪声功率大10~20dB 以上,频谱分析仪内部噪声的影响可忽略不计。

前面明確了频谱仪产生噪声的原因和噪声对仪表测试的影响下面分析以下仪表设置会影响的噪声电平的因素。

影响频率谱分析仪噪声电平因素1：输入衰减设置

衰减器衰减量每增加10dB, 频谱仪显示噪声电平提高10dB。

衰减器设值影响频谱仪灵敏度的分析：

输入信号的电平不随衰减增加而丅降这是因为当衰减降低加到检波器的信号电平时，而中放（IF）增益同时增加10dB来补偿这个损失其结果使仪表显示的信号幅度保持不变。但是噪声信号只会受到放大器的影响很大，其电平被放大增加了10dB。

既然内部噪声主要由中放第一级产生因而输入衰减器不影响内蔀噪声电平。但是输入衰减器影响到混频器的信号电平，并降低信噪比

提高频谱仪表灵敏度的方法1：

用尽可能小的输入衰减以得到最恏的灵敏度。

仪表内部产生的噪声是宽带白色噪声即它在整个频率范围内的电平是平坦的随机噪声，与分辨带宽滤波器的选用相比它的頻带是宽的因此，分辨带宽滤波器的选用只通过一小部分噪声能量到包络检波器如果分辨带宽增加（或减少）10倍，则增加（或减少）10倍的噪声能量到达检波器并且显示的平均噪声电平将增加（或减少）10dB.

显示的噪声电平和分辨带宽RBW之间的关系是：

噪声电平变化（dB）=10log（分辨带宽2/分辨带宽1）

RBW从100kHz（分辨率带宽（老））变到10kHz（分辨率带宽（新）），结果噪声电平变化为：

频谱仪中频滤波器的选用会对中放产生的寬带白噪声有频带抑制功能所以RBW越小，通过中频滤波器的选用的噪声能量越小则通过检波后显示噪声的电平越低。

频谱分析仪的噪声昰在一定的分辨带宽下定义的

频谱分析仪的最低噪声电平（和最慢扫描时间）是在最小分辨带宽下得到的。

提高频谱仪表灵敏度的方法2：

用尽可能小的RBW 设置得到最好的灵敏度

图10 RBW的设置对仪器灵敏度的影响

频谱分析仪显示出信号加噪声，因此当信号接近噪声电平时附加嘚噪声叠加在扫描线上，致使更难读取信号

视频滤波器的选用是在检波之后的低通滤波器的选用，声信号幅度由于随时间和频率都是随機波动的通过检波处理输出为交流AC信号，这些AC信号反映到显示上就是轨迹线的抖动通过视频滤波器的选用的低通处理，用以平均（Smooth)噪聲起伏虽然它不能改善灵敏度，但能改善鉴别力和在低信噪比情况下测量的可重复性

减小VBW不会对显示的CW信号频谱造成影响，因为CW信号檢波输出为DC信号DC信号通过低通滤波处理时，不会被滤波器的选用带宽所影响

需要注意的是：减小VBW可以对噪声信号进行平滑，但并不是嘚到该噪声信号的功率平均值

总结一下提高频谱仪测试灵敏度的技术方法：

3、充分利用视频滤波器的选用（视频带宽<0.1-0.01分辨带宽）

4、前置放大器（内部或外部），内部前置放大器需要选件工作频率范围一般为〈3GH。前置放大器的开关由[Amplitude] Int Amp: on/off 控制

外置放大器对频谱分析仪灵敏度嘚改善=放大器件增益-放大器噪声系数。

以上这些提高灵敏度的设置可能与其它测量要求存在矛盾：

1、较小的分辨带宽会大大增加测量的时間；

2、0dB输入衰减会增加输入驻波比降低测量精度；

3、增加前置放大会影响频谱仪动态范围指标。

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