频谱仪原理.docx

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1、频谱仪原理本文的目的是为您提供关于频谱仪或信号分析仪的基本概述。您或许想要进一步了解与频谱分析相关的更多其他话题，您可访问频谱分析仪网页。这里将重点介绍频谱分析仪工作的基本原理和频谱仪的主要功能。虽然今天的技术使得现代数字实现替代许多模拟电路成为可能,但是从经典的频谱分析仪结构开始了解仍然非常有好处。今后我们还将探讨数字电路赋予频谱仪的功能及优势,以及讨论现代频谱仪中所使用的数字架构。图2-1是一个超外差频谱仪的简化框图。外差是指混频，即对频率进行转换，而超则是指超音频频率或高于音频的频率范围。从图中我们看到，输入信号先经过一个衰减器，再经低通滤波器（稍后会看到为何在此处放置滤波器）到达混频器

2、，然后与来自本振（LO）的信号相混频。射频输入对数衰减器混频器中柒增益中频渡波器放大器包络检波器图2-1.典型超外差频谱分析仪的结构框图由于混频器是非线性器件，其输出除了包含两个原始信号之外，还包含它们的谐波以及原始信号与其谐波的和信号与差信号。若任何一个混频信号落在中频（IF）滤波器的通带内，它都会被进一步处理（被放大并可能按对数压缩）。基本的处理过程有包络检波、低通滤波器进行滤波以及显示。斜波发生器在屏幕上产生从左到右的水平移动，同时它还对本振进行调谐，使本振频率的变化与斜波电压成正比。如果您熟悉接收普通调幅（AM）广播信号的超外差调幅收音机，您一定会发现它的结构与图2-1所示框图极为相似

3、。差别在于频谱分析仪的输出是屏幕而不是扬声器，且其本振调谐是电子调谐而不是靠前面板旋钮调谐。既然频谱分析仪的输出是屏幕上的X-Y迹线,那么让我们来看看从中能获得什么信息。显示被映射在由10个水平网格和10个垂直网格组成的标度盘上。横轴表示频率,其标度值从左到右线性增加。频率设置通常分为两步：先通过中心频率控制将频率调节到标度盘的中心线上，然后通过频率扫宽控制再调节横跨10个网格的频率范围（扫宽）。这两个控制是相互独立的，所以改变中心频率时，扫宽并不改变。还有，我们可以采用设置起始频率和终止频率的方式来代替设置中心频率和扫宽的方式。不管是哪种情况，我们都能确定任意被显示信号的绝对频率和任何两个信

4、号之间的相对频率差。纵轴标度按幅度大小划分。可以选用以电压定标的线性标度或以分贝（dB）定标的对数标度。对数标度比线性标度更经常使用,因为它能反映出更大的数值范围。对数标度能同时显示幅度相差70至100dB（电压比为3200至100,000或功率比为IOzOOOzOOO至10,000,000,000）的信号，而线性标度则只能用于幅度差不大于20至30dB（电压比10至32）的信号。在这两种情况下，我们都会运用校准技术1给出标度盘上最高一行的电平即基准电平的绝对值，并根据每个小格所对应的比例来确定标度盘上其他位置的值。这样，我们既能测量信号的绝对值，也能测量任意两个信号的相对幅度差。屏幕上会注释

5、出频率和幅度的标度值。图2-2是一个典型的频谱分析仪的显图2-2.参数已设定的典型频谱分析仪显示图现在让我们将注意力再回到图2-1中所显示的频谱分析仪元器件。射频通信原理是什么？ 68赞同 8评论回答射频衰减器分析仪的第一部分是射频衰减器。它的作用是保证信号在输入混频器时处在合适的电平上，从而防止发生过载、增益压缩和失真。由于衰减器是频谱仪的一种保护电路,所以它通常是基于基准电平值而自动设置,不过也能以10dB、5dB、2dB甚至1dB的步进来手动选择衰减值。图2-3所示是一个以2dB为步进量、最大衰减值为70dB的衰减器电路的例子。其中隔直电容是用来防止分析仪因直流信号或信号的直流偏置而被损

6、坏，不过它会对低频信号产生衰减，并使一些频谱仪的励氐可用起始频率增加至9kHz、100kHz或10MHzo在有些分析仪中，可以像图2-3月暗连接一个幅度基准信号，它提供了一个有精确频率和幅度的信号,用于分析仪周期性的自我校准。图2-3.射频衰减器电路低通滤波器或预选器低通滤波器的作用是阻止高频信号到达混频器。从而可以防止带夕M言号与本振相混频，在中频上产生多余的频率响应。微波频谱分析仪或信号分析仪用预选器代替了低通滤波器，预选器是一种可调滤波器，能够滤掉我们所关心的频率以外的其他频率上的信号。在第7章里，我们将详细介绍对输入信号进行过滤的目的和方法。分析仪调谐我们需要知道怎样将频谱分析仪或信号

7、分析仪调谐至我们所希望的频率范围。调谐取决于中频滤波器的中心频率、本振的频率范围和允许外界信号到达混频器（允许通过低通滤波器）的频率范围。从混频器输出的所有信号分量中，有两个具有最大幅度的信号是我们最想得到的，它们是由本振与输入信号之和以及本振与输入信号之差所产生的信号分量。如果我们能使想观察的信号比本振频率高或低一个中频，则所希望的混频分量之一就会落入中频滤波器的通带之内，随后会被检波并在屏幕上产生幅度响应。为了使分析仪调谐至所需的频谱范围，我们需要选择合适的本振频率和中频。假定要求的调谐范围是0至3.6GHz,接下来需要选择中频频率。如果选择1GHz的中频,这个频率处在所需的调谐范围内，我

8、们可以得到一个1GHz的输入信号，又由于混频器的输出包含原始输入信号，那么来自于混频器的1GHz输入信号将在中频处有恒定的输出。所以不管本振如何调谐，1GHZ的信号都将通过系统，并在屏幕上给出恒定的幅度响应。其结果是在频率调谐范围内形成一个无法进行测量的空白区域,因为在这一区域的信号幅度响应独立于本振频率。所以不能选择1GHz的中频。也就是说，我们应在比调谐频段更高的频率上选择中频。在可调谐至3.6GHz的KeysightX系列信号分析仪中，第一个本振频率范围为3.8至8.7GHz,选择的中频频率约为5.1GHzo现在我们想从0Hz(由于这种结构的仪器不能观察到0Hz信号，故实际上是从某个彳砌

9、)调谐到3.6GHzo选择本振频率从中频开始(Lo-IF=OHZ)并向上调谐至高于中频3.6GHz,则LO-IF的混频分量就能够覆盖所要求的调谐范围。运用这个原理，可以建立如下调谐方程：fsig=fLO.格式中JSig=信号频率fL0=本振频率flp=中频(IF)如果想要确定分析仪调谐到低频、中频或高频信号（比如1kHz、1.5GHz或3GHz）所需的本振频率，首先要变换调谐方程得到fLO:fLO=sig+G然后代入信号和中频频率2：fL0=1kHz5.1GHz=5.100001GHzfL0=1.5GHz5.1GHz=6.6GHzorfL0=3GHz5.1GHz=8.1GHz.img图2-4.

10、为了在显示屏上产生响应，本振必须调谐到fIF+fs图2-4举例说明了分析仪的调谐过程。图中，fLO并未高到使fLO-fsig混频分量落入IF通带内，故在显示器上没有响应。但是，如果调整斜波发生器使本振调谐到更高频率，则混频分量在斜波（扫描）的某点上将落入IF通带由于斜波发生器能同时控制显示器上迹线的水平位置和本振频率，因此可以根据输入信号的频率来校准显示器的横轴。我们还未完全解决调谐问题。如果输入信号频率是9.0GHz,会发生什么情况呢?当本振调谐在3.8至8.7GHz的范围时，在它到达远离9.0GHz输入信号的中频（3.9GHz）时，会得到一个频率与中频频率相等的混频分量，并在显示器上生成响

11、应。换句话说,调谐方程很容易地成为：，sig=io+%这个公式表明图2-1的结构也能得到8.9至13.8GHz的调谐范围，但前提是允许此范围内的信号到达混频器。图2-1中输入端低通滤波器的作用就是阻止这些高频信号到达混频器。如前所述，我们还要求中频信号本身不会到达混频器，那么低通滤波器必须能对5.1GHz以及8.9至13.8GHz范围内的信号进行有效的衰减。总之,可以认为对于单频段射频频谱分析仪,选择的中频频率应高于调谐范围的最高频率，使本振可以从中频调谐至调谐范围的上限频率加上中频，同时在混频器前端放置低通滤波器来滤除IF以下的频率。为了分辨频率上非常接近的信号（见稍后的信号分辨一节），有些

12、频谱仪的中频带宽窄至1kHz,有些达到10Hz甚至1Hze这样的窄带滤波器很难在5.1GHz的中心频率上实现,因此必须增加另外的混频级（一般为2至4级）来把第一中频下变频到最后的中频。图2-5是一种基于典型频谱分析仪结构的中频变换链。图2-5.大多数频谱分析仪使用2至4个混频步骤以达到最后的中频。对应的完整的调谐方程为：aL01-1L02+fg+MnadIP而，L02+fL03+fnalIF=4.8GHz300MHZ+22.5MHz=5.1225GHz,即为第一中频。可以看出它与仅仅使用第一个中频的简化调谐方程得到一样的结果。虽然图2-5中只画出了无源滤波器，但实际还有更窄中频级的放大。基于频

13、谱仪自身的设计，最终的中频结构可能还包括对数放大器或模数转换器等其他器件。大多数射频频谱分析仪都允许本振频率和第一中频一样低，甚至更低。由于本振和混频器的中频端口之间的隔离度有限，故本振信号也会出现在混频器输出端。当本振频率等于中频时，本振信号自身也被系统处理并在显示器上出现响应，就像输入了一个0Hz的信号一样。这种响应称为本振馈通,它会掩盖低频信号。所以并不是所有的频谱仪的显示范围都能包含0Hze中频增益再看图2-1,结构框图的下一个部分是一个可变增益放大器。它用来调节信号在显示器上的垂直位置而不会影响信号在混频器输入端的电平。当中频增益改变时，基准电平值会相应的变化以保持所显示信号指示值的

14、正确性。通常，我们希望在调节输入衰减时基准电平保持不变，所以射频衰减器和中频增益的设置是联动的。在输入衰减改变时，中频增益会自动调整来抵消输入衰减变化所产生的影响，从而使信号在显示器上的位置保持不变。信号分辨中频增益放大器之后，就是由模拟和/或数字分辨率带宽（RBW）滤波器组成的中频部分。模拟滤波器频率分辨率是频谱分析仪或信号分析仪明确分离出两个正弦输入信号响应的能力。傅立叶理论告诉我们正弦信号只在单点频率处有能量，好像我们不应该有什么分辨率问题。两个信号无论在频率上多么接近，似乎都应在显示器上表现为两条线。但是超外差接收机的显示器上所呈现的信号响应是具有一定宽度的。混频器的输出包括两个原始信

15、号（输入信号和本振）以及它们的和与差。中频由带通滤波器决定，此带通滤波器会选出所需的混频分量用卬制所有其他信号。由于输入信号是固定的，而本振是扫频的，故混频器的输出也是扫频的。若某个混频分量恰好扫过中频，就会在显示器上将带通滤波器的特性曲线描绘出来,如图2-6所示。链路中最窄的滤波器带宽决定了总显示带宽。在图2-5所示结构中,该滤波器具有22.5MHZ的中频。图2-6.当混频分量扫过IF滤波器时，显示器上描绘出滤波器的特性曲线。因此，两个输入信号频率必须间隔足够远，否则它们所形成的迹线会在顶部重叠，看起来像是只有一个响应。所幸的是，频谱分析仪中的分辨率（IF）滤波器可调，所以通常能找到一个带宽足够窄的滤波器来分离频率间隔很近的信号。是德科技频谱分析仪或信号分析仪的技术资料列出了可用的IF滤波器的3dB带宽，以便描述频谱仪分辨信号的能力。这些数据告诉我们两个等幅正弦波相距多近时还能依然被分辨。这时由信号产生的两个响应曲线的峰值处有3dB的凹陷,如图2-7所示,两个信号可以被分辨。当然这两个信号还可以再近一些直到它们的迹线完全重叠，但通常以3dB带宽作为分辨两个等幅信号的经验值。图2-7.能够分辨出间距等于所选IF滤波器3dB带宽的两个等幅正弦信