一文詳解頻譜分析儀的基礎知識

頻譜分析是觀察和測量信號幅度和信號失真的一種快速方法，其顯示結果可以直觀反映出輸入信號的傅立葉變換的幅度。

信號頻域分析的測量范圍極其寬廣，超過140dB，這使得頻譜分析儀成為適合現代通信和微波領域的多用途儀器。頻譜分析實質上是考察給定信號源，天線，或信號分配系統的幅度與頻率的關系，這種分析能給出有關信號的重要信息，如穩定度，失真，幅度以及調制的類型和質量。

利用這些信息，可以進行電路或系統的調試，以提高效率或驗證在所需要的信息發射和不需要的信號發射方面是否符合不斷涌現的各種規章條例。

現代頻譜分析儀已經得到許多綜合利用，從研究開發到生產制造，到現場維護。新型頻譜分析儀已經改名叫信號分析儀，已經成為具有重要價值的實驗室儀器，能夠快速觀察大的頻譜寬度，然后迅速移近放大來觀察信號細節已受到工程師的高度重視。在制造領域，測量速度結合通過計算機來存取數據的能力，可以快速，精確和重復地完成一些極其復雜的測量。

有兩種技術方法可完成信號頻域測量（統稱為頻譜分析）。

1．FFT分析儀 用數值計算的方法處理一定時間周期的信號，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。FFT 的特點是速度快，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。

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

快速傅立葉變換頻譜分析儀

快速傅立葉變換可用來確定時域信號的頻譜。信號必須在時域中被數字化，然后執行FFT算法來求出頻譜。一般FFT分析儀的結構是：輸入信號首先通過一個可變衰減器，以提供不同的測量范圍，然后信號經過低通濾波器，除去處于儀器頻率范圍之外的不希望的高頻分量，再對波形進行取樣即模擬到數字轉換，轉換為數字形式后，用微處理器（或其他數字電路如FPGA,DSP）接收取樣波形，利用FFT計算波形的頻譜，并將結果記錄和顯示在屏幕上。

FFT分析儀能夠完成多通道濾波器式同樣的功能，但無需使用許多帶通濾波器，它使用數字信號處理來實現多個獨立濾波器相當的功能。從概念上講，FFT方法是簡單明確的：對信號進行數字化，再計算頻譜。實際上，為了使測量具有意義，還需要考慮很多因素。

FFT的實質是基帶變換，換句話說，FFT的頻率范圍總是從0Hz開始并延伸到某個最高頻率處。這對需要分析較窄頻帶（不是從直流開始）的測量情況可能是一個重大限制。例如，FFT分析儀具有取樣頻率，FFT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間記錄中的取樣點數N，這也增大FFT輸出的節點數。不過，問題在于，這會增加FFT所要處理的數組長度，從而增加計算時間。FFT算法的計算時間往往限制了儀器的性能（比如屏幕刷新速度），所以增加FFT的長度往往是可取的。

另一種方法是使用數字下變頻器，對于帶限信號，進行數字下變頻，這樣等效降低了采樣速率，可以提高頻率分辨力。ADC的輸出與數字正弦波相乘，借助數字混頻使數字正弦波的頻率降低。再用數字濾波器進行濾波，數字濾波器通過利用適當的抽選因子來形成適當的頻率間隔，這個帶寬可以做得很窄，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完成信號的頻域測試。

頻譜分析儀的功能是要分辨輸入信號中各個頻率成份并測量各頻率成份的頻率和功率。為完成以上功能，在掃描-調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，同時允許在中頻（IF）進行信號處理。圖3是超外差式掃頻頻譜分析儀的結構框圖。

輸入信號進入頻譜儀后與本振（LO）混頻，當混頻產物等于中頻（IF）時，這個信號送到檢波器，檢波器輸出視頻信號通過放大、采樣、數字化后決定CRT顯示信號的垂直電平。掃描振蕩器控制CRT顯示的水平頻率軸和本地振蕩器調諧同步，它同時驅動水平CRT偏轉和調諧LO。

頻譜分析儀依靠中頻濾波器分辨各頻率成份，檢波器測量信號功率，依靠本振和顯示橫坐標的對應關系得到信號頻率值。

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

圖3 掃頻超外差式頻譜分析儀的簡化框圖

基于掃描式工作原理，當輸入信號為單點頻信號時，該信號需和掃描本振信號進行混頻，這樣中頻信號也為頻率變化的掃頻信號，該掃頻信號通過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量過程

輸入衰減器

輸入衰減器是信號在頻譜儀中的第一級處理，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保持良好匹配特性；

2 .保護混頻及其它中頻處理電路。防止部件損壞和產生過大非線性失真。

一般頻譜分析儀衰減器衰減范圍為：0~65dB; 可按照5dB步進變化。當改變輸入衰減器設置時，信號電平會受到影響。如衰減值由10dB變為20dB，信號幅度人為被減小10dB，相應檢波輸出也會降低，為補償該變化，頻譜儀內部會利用放大器補償衰減影響。所以當在改變衰減器設置時，輸入信號在頻譜儀上的顯示并不發生變化。

儀表自動設置衰減器件的原則是保證：

輸入信號電平－衰減器設置<=混頻器工作電平

可以注意一下儀表的這幾個參數值是否滿足上式的關系。

所以，當改變儀表輸入衰減器設置時，其內部衰減器和中頻放大器會發生變化。中頻放大器決定信號在屏幕上的顯示位置。

頻譜儀工作時，其中頻放大器增益和衰減器設值連動工作，當改變輸入衰減器設置時，輸入信號顯示電平并不會發生變化。

混頻器

混頻器完成信號的頻譜搬移，將不同頻率輸入信號變換到相應頻率。在混頻過程中會存在鏡相干擾問題。

鏡相干擾舉例：

輸入信號頻率：800MHz; 本振信號頻率：780MHz;

中頻信號頻率：800-780=20MHz;

則鏡相干擾信號頻率：780-20=760MHz,

760MHz信號是800MHz信號的鏡相干擾。

這樣帶來的測量問題就是頻譜儀的一個中頻信號顯示不能判斷是760MHz信號還是800MHz信號的響應。

頻譜儀需采用相應方法來解決這個問題。頻譜分析儀利用兩種方法解決該問題。

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程

中頻濾波器

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

中頻濾波器通常由LC濾波器，晶體濾波器或數字濾波器的組合實現。形狀因素和濾波器類型是說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測度，通常規定為3dB/60Dbk寬度之比，比值表示出如何在3dB帶寬內的大信號附件分辨小1百萬倍（-60dB）的信號。

這類濾波器對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切比雪夫濾波器具有優良的選擇性（信號分離的能力），以及高斯濾波器和同步調諧濾波器具有較好的時域性能（較好的掃描幅度精度），但最終應用哪種濾波器屬最佳將起重大作用。

優良的形狀因素性能對緊靠在一起的信號提供較好的分辨率。較好的時域性能（無過沖）提供了更快的掃描速度和良好的幅度精度。

對數放大器

對數放大器以對數方式處理輸入信號，允許有大的待測量和小的待測量同步易顯示和分辨。實現這種壓縮的一種方法是構建增益隨信號幅度而變化的放大器。在低電平信號下，增益可能為10dB，而在較大的幅度下，增益下降到0。

為了獲得所需的對數范圍，必須將若干這類放大器進行級聯。對數放大器通常具有約70dB到超過100dB的范圍。除對數范圍外，逼真度（對數壓縮與對數曲線相符的接近程度）是應考慮的重要因素，這個誤差將直接反映測量的幅度誤差。

檢波器

檢波器將輸入信號功率轉換為輸出視頻電壓，該電壓值對應輸入信號功率。

針對不同特性輸入信號（正弦信號、噪音信號、隨機調制信號等），需采用不同檢波方式才能準確測出該信號功率。

現代頻譜儀一般采用數字技術，支持所有檢波方式以確保準確測量各種被測信號的功率參數。

視頻濾波器

視頻濾波器對檢波器輸出視頻信號進行低通濾波處理，減小視頻帶寬可對頻譜顯示中的噪聲抖動進行平滑，從而減小顯示噪聲的抖動范圍。這樣有利頻譜儀發現淹沒在噪聲中的小功率CW信號，還可提高測量的可重復性。

掃描本振

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

頻譜分析儀關鍵性能指標

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

測量頻率范圍：反映頻譜儀測量信號范圍能力；

頻率分辨率：反映頻譜儀分辨兩個頻率間隔信號的能力。

2． 幅度方面指標

靈敏度：頻譜儀發現小信號的能力；

內部失真：反映頻譜儀測量大信號的能力；

動態范圍：頻譜儀同時分析大信號和小信號的能力。

3. 另外頻譜儀的性能還包含其分析精度和測量速度。

測量諧波失真或搜索信號要求頻率范圍從低于基波擴展到超過多次諧波。測量交調失真則要求窄的掃頻寬度（span），以便觀察鄰近的交調失真產物。因此，首先是選擇有足夠頻率和掃寬范圍的頻譜分析儀。第二個要求是什么樣的頻率分辨率？測量雙音交調對分辨率提出了嚴格的要求。

頻譜分析儀測量頻率范圍由其本振范圍決定。通過采用本振的諧波可擴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展至更高（75GHz; 110GHz；325GHz等）。

頻率分辨率

這個例子反映頻譜分析儀測量分辨率對測試結果的影響，輸入的物理信號為兩個頻率間隔的信號，只有當頻譜分析儀的分辨能力足夠高時，才會在屏幕上正確反映信號的特性。

很多信號測試應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部的中頻濾波器和本振性能有關。

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（shape factor)。

本振剩余調頻（residual FM)和噪聲邊帶也是確定有用分辨率時應考慮的因素。

依次分析每一項。首先要注意的事情之一，是在頻譜儀上理想ＣＷ信號不可能顯示為無限細的線，它本身有一定的寬度。當調諧通過信號時，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，如果改變濾波器的帶寬，就改變了顯示響應的寬度。技術指標的數據表中規定3 dB帶寬，其它應用（EMC）定義濾波器帶寬為6dB 帶寬。

本振性能對分辨率有影響是因為中頻信號來源于輸入信號與本振信號的混頻，兩個信號中的噪聲是功率相加關系。

輸入信號相位噪聲性能為：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相位噪聲性能為：10kHz offset –107dBc/Hz。

單點頻信號在頻譜上測試顯示結果為中頻濾波器的頻響形狀。

濾波器的形狀通過其帶寬（3dB或6dB）和矩形系數得到定義。這兩個參數都會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）定義

在雙音測試中，兩個信號相隔10kHz，RBW=10KHz時，儀表測試可顯示出兩個信號峰。顯然用10kHz濾波器分辨出等幅雙音信號是沒有問題的。

頻譜分析儀的RBW即為其分辨等幅信號的能力。

上面的分析得到的結論是：

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，等幅信號彼此靠近到何種程度仍然能夠彼此分開（根據3dB下降）。一般的說，如果兩信號的間隔大于或等于所選用分辨帶寬濾波器的3dB帶寬，兩個等幅信號就可以分辨出來。在雙音測試中的兩個信號表明了這個含義。當兩個信號間隔10 kHz時，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，兩個信號顯示為一個。

注解：當兩信號出現在分辨帶寬之內時，由于兩個信號相互作用，利用大約比分辨帶寬小10倍的視頻帶寬可平滑其響應。

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

頻率分析儀分辨不等幅信號舉例：

對于相隔10kHz而幅度下降50dB的失真產物（distortion products) 的測試。

如果3kHz濾波器的形狀因數是15:1，于是濾波器下降60dB的帶寬是45kHz，失真產物將隱藏在測試信號響應的裙邊下。如果換接到另外一個窄帶濾波器（如1kHz濾波器），60dB帶寬15kHz，失真產物是容易被觀察到的（因為60dB帶寬的一半是7.5kHz，它小于邊帶的間隔）。因此，對于本測量所需的分辨帶寬應不大于1kHz(<=1kHz)。

濾波器形狀系數（shape factors)的范圍：

模擬濾波器：15:1或11:1

數字濾波器：5:1

以上分析的結論：

頻譜分析儀矩形系數越小，其對不等幅信號的頻率分辨率越高。

相位噪聲

影響分辨率的另一個因素是頻譜分析儀本地振蕩器的頻率穩定度。

剩余調頻使顯示的信號模糊不清，以致在規定的剩余調頻之內的兩個信號不能分辨出來一個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定度。如果它能夠這樣做，那么我們將不能夠區分出頻譜分析儀和輸入信號的剩余調頻（Residual FM), 。

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

鎖相本振作為參考源可提高剩余調頻指標，也降低了最小可允許的分辨帶寬。高性能的頻譜分析儀價格比較貴，因為它采用高性能鎖相本振源，具有較低的剩余調頻和較小的最小分辨帶寬。

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

測量的例子如下：

要求測量的信號為偏離載波10kHz處1kHz頻率帶寬，內噪聲邊帶功率<=-50dBc，它等效于<=-80dBc/1Hz, 即要求頻譜儀本振信號在偏離載波10kHz處測量1Hz帶寬內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測量的影響

靈敏度

頻譜分析儀在不加任何信號時會顯示噪聲電平，由于頻譜分析儀自身產生的噪聲，其大部分來自中頻放大器的第一級。

頻譜分析儀的靈敏度定義為它所顯示的平均噪聲電平（DANL），這項指標關系到儀表對弱信號的檢測能力。若一信號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，這一信號被認為是最小的可測量信號電平，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?！捌骄币馕吨肼曅盘柕姆入S時間和頻率都是隨機變化的，要對噪聲功率進行定量測試，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。

頻譜分析儀靈敏度與其RBW；VBW；衰減器設值有關。

圖9 頻譜分析儀測試靈敏度

從不同方面可以反映頻譜分析儀表內部噪聲對測試的影響。

1、當輸入信號功率電平小于儀表噪聲電平時，該信號不會被顯示，儀表對該小信號沒有測試能力。

2、當輸入信號幅度大于儀表噪聲時，儀表噪聲會疊加在輸入信號上，既最終顯示信號電平為輸入信號電平和儀表噪聲的功率和。

當被測試信號功率比儀表內部噪聲功率大10~20dB 以上,頻譜分析儀內部噪聲的影響可忽略不計。

前面明確了頻譜儀產生噪聲的原因和噪聲對儀表測試的影響，下面分析以下儀表設置會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。

衰減器設值影響頻譜儀靈敏度的分析：

輸入信號的電平不隨衰減增加而下降，這是因為當衰減降低加到檢波器的信號電平時，而中放（IF）增益同時增加10dB來補償這個損失，其結果使儀表顯示的信號幅度保持不變。但是，噪聲信號只會受到放大器的影響很大，其電平被放大，增加了10dB。

既然內部噪聲主要由中放第一級產生，因而輸入衰減器不影響內部噪聲電平。但是，輸入衰減器影響到混頻器的信號電平，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。

儀表內部產生的噪聲是寬帶白色噪聲。即它在整個頻率范圍內的電平是平坦的隨機噪聲，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一小部分噪聲能量到包絡檢波器。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對中放產生的寬帶白噪聲有頻帶抑制功能，所以RBW越小，通過中頻濾波器的噪聲能量越小，則通過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 設置得到最好的靈敏度。

圖10 RBW的設置對儀器靈敏度的影響

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

視頻濾波器是在檢波之后的低通濾波器，聲信號幅度由于隨時間和頻率都是隨機波動的，通過檢波處理輸出為交流AC信號，這些AC信號反映到顯示上就是軌跡線的抖動。通過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量的可重復性。

減小VBW不會對顯示的CW信號頻譜造成影響，因為CW信號檢波輸出為DC信號，DC信號通過低通濾波處理時，不會被濾波器帶寬所影響。

需要注意的是：減小VBW可以對噪聲信號進行平滑，但并不是得到該噪聲信號的功率平均值。

總結一下提高頻譜儀測試靈敏度的技術方法：

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

外置放大器對頻譜分析儀靈敏度的改善=放大器件增益-放大器噪聲系數。

以上這些提高靈敏度的設置可能與其它測量要求存在矛盾：

1、較小的分辨帶寬會大大增加測量的時間；

2、0dB輸入衰減會增加輸入駐波比，降低測量精度；

3、增加前置放大會影響頻譜儀動態范圍指標。