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前言
频谱分析是观察和测量信号幅度和信号失真的快速方法。显示结果可以直观地反映输入信号傅里叶变换的幅度。信号频域分析的测量范围极宽，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。频谱分析本质上是检查给定信号源、天线或信号分配系统的幅度和频率之间的关系。这种分析可以提供有关信号的重要信息，例如稳定性、失真、幅度以及调制的类型和质量。该信息可用于调试电路或系统以提高效率或验证是否符合有关所需信息的发射和不需要的信号的发射的新兴法规。
现代频谱分析仪已用于许多应用，从研发到制造再到现场维护。新型频谱分析仪已更名为信号分析仪，成为极具价值的实验室仪器。快速观察大谱宽，然后快速靠近放大观察信号细节的能力受到了工程师的高度重视。在制造业中，测量速度与通过计算机访问数据的能力相结合，可以快速、准确和重复地进行一些极其复杂的测量。
完成信号频域测量（统称为频谱分析）的技术方法有两种。
1、FFT分析仪采用数值计算方法处理一定时间段的信号，可以提供频率、幅度和相位信息。该仪器可以同等地分析周期信号和非周期信号。 FFT的特点是速度快、精度高，但其分析频率带宽受ADC采样率限制，适合分析窄带宽信号。
2、扫频式频谱分析仪可以分析稳定的、周期性变化的信号，提供信号幅度和频率信息，适合宽频段的快速扫描测试。
图1 信号频域分析技术
快速傅里叶变换频谱分析仪
快速傅立叶变换可用于确定时域信号的频谱。信号必须在时域中数字化，然后执行 FFT 算法来查找频谱。 FFT分析仪的一般结构是：输入信号首先经过可变衰减器以提供不同的测量范围，然后信号经过低通滤波器去除仪器频率范围之外的不需要的高频成分，然后对波形进行采样，即从模拟转换为数字。转换为数字形式后，用微处理器（或其他数字电路如FPGA、DSP）接收采样的波形，用FFT计算波形的频谱，并将结果记录并显示在屏幕上。
FFT分析仪可以执行与多通道滤波器相同的功能，但无需使用许多带通滤波器，而是使用数字信号处理来实现多个独立滤波器的等效功能。从概念上讲，FFT 方法简单明了：将信号数字化并计算频谱。实际上，为了使测量有意义，需要考虑许多因素。
FFT的本质是基带变换。也就是说，FFT的频率范围总是从0Hz开始，一直延伸到某个最高频率。在需要分析较窄频带（不是从直流开始）的测量情况下，这可能是一个重大限制。例如，FFT分析仪具有采样频率，FFT频率范围为0Hz至128KHz。如果 N=1024，则频率分辨率为 ，因此无法解析间隔小于 250Hz 的谱线。
提高频率分辨率的一种方法是增加时间记录中的采样点数量N，这也增加了FFT输出中的节点数量。但问题是，这会增加FFT要处理的数组长度，从而增加计算时间。 FFT算法的计算时间通常会限制仪器的性能（例如屏幕刷新速度），因此增加FFT的长度通常是可取的。
另一种方法是采用数字下变频器对带限信号进行数字下变频，可以有效降低采样率，提高频率分辨率。 ADC的输出与数字正弦波相乘，并借助数字混频降低数字正弦波的频率。然后使用数字滤波器进行滤波。数字滤波器通过使用适当的抽取因子形成适当的频率间隔。这个带宽可以做得很窄，可以形成窄至1Hz的频率间隔和频率分辨率。
图2 在FFT分析仪中使用数字混频器可以为频率变化分析提供频段选择
扫频频谱分析仪工作原理
频谱分析仪利用扫频原理完成信号的频域测试。
频谱分析仪的作用是区分输入信号中的各个频率成分，并测量各个频率成分的频率和功率。为了实现上述功能，超外差方法用于扫频调谐频谱分析，该方法提供了较宽的频率覆盖范围，同时允许在中频（IF）进行信号处理。图3是超外差扫频频谱分析仪的结构框图。
输入信号进入频谱分析仪并与本地振荡器 (LO) 混合。当混频乘积等于中频 (IF) 时，该信号被发送到检测器。检测器的输出视频信号经过放大、采样和数字化以确定CRT显示信号。垂直水平。扫描振荡器控制 CRT 显示器的水平频率轴，并与本地振荡器调谐同步云开·全站体育app登录，本地振荡器调谐同时驱动水平 CRT 偏转和调谐 LO。
频谱分析仪依靠中频滤波器区分各个频率分量，检波器测量信号功率，依靠本振与显示横坐标的对应关系获得信号频率值。
这款扫描调谐分析仪的工作原理与您家中的调幅（AM）接收器类似kaiyun全站网页版登录，只不过AM接收器的本振不是扫描的，而是通过刻度旋钮手动调谐的；此外，不要在显示屏上显示信息，而是使用扬声器。
图3 扫频超外差频谱分析仪简化框图
基于扫描工作原理，当输入信号为单点频率信号时，需要将信号与扫描本振信号混频，使中频信号也是频率变化的扫频信号。扫频信号经过中频滤波器并检波后的输出波形就是中频滤波器的频率响应形状。
图4 扫频频谱分析仪测量流程
输入衰减器
输入衰减器是频谱分析仪中信号处理的第一级。频谱分析仪的输入衰减器功能包括以下几个方面：
1、保证频谱分析仪在较宽的频率范围内保持良好的匹配特性；
2、保护混频等中频处理电路。防止元件损坏和过度的非线性失真。
一般频谱分析仪衰减器的衰减范围为：0~65dB；它可以以 5dB 为步长进行更改。当改变输入衰减器设置时，信号电平将会受到影响。如果衰减值从10dB变为20dB，则信号幅度人为降低10dB，相应的检测输出也会降低。为了补偿这种变化，频谱分析仪将使用放大器来补偿衰减效应。因此，当更改衰减器设置时，频谱分析仪上输入信号的显示不会改变。
仪器自动设置衰减装置的原理是保证：
输入信号电平-衰减器设置3GHz），采用带通跟踪滤波器抑制干扰。
图5 典型频谱分析仪的变频流程
中频滤波器
中频滤波器是频谱分析仪的关键部件。频谱分析仪主要依靠这个滤波器来区分不同频率的信号。频谱分析仪的许多关键指标（测量分辨率、测量灵敏度、测量速度、测量精度等）都与中频滤波器有关。带宽与形状有关。
IF滤波器通常由LC滤波器、晶体滤波器或数字滤波器的组合来实现。外形尺寸和滤波器类型是描述这些滤波器特性的重要因素。形状因子是衡量如何选择滤波器的指标，通常指定为 3dB/60Dbk 宽度的比率。该比率表示 3dB 带宽内大信号周围小 100 万倍 (-60dB) 的信号的解析效果。尽管某些滤波器类型（例如巴特沃斯滤波器或切比雪夫滤波器）具有出色的选择性（分离信号的能力），并且高斯滤波器和同步调谐滤波器具有更好的时域，但此类滤波器对频谱分析仪的性能具有重大影响性能（更好的扫描幅度精度），但最终哪个滤波器最好将发挥重要作用。出色的外形性能为靠近的信号提供了良好的分辨率。更好的时域性能（无过冲）提供更快的扫描速度和良好的幅度精度。
对数放大器
对数放大器对输入信号进行对数处理，使大被测信号和小被测信号同时显示和区分。实现这种压缩的一种方法是构建一个增益随信号幅度变化的放大器。在低电平信号时，增益可能为 10dB，而在较大幅度时，增益会降至 0。为了获得所需的对数范围，必须级联多个此类放大器。对数放大器通常具有约 70dB 至超过 100dB 的范围。除了对数范围外，保真度（对数压缩与对数曲线的匹配程度）是需要考虑的重要因素，这个误差将直接反映测量的幅度误差。
探测器
检测器将输入信号功率转换为对应于输入信号功率的输出视频电压。
对于不同特性的输入信号（正弦信号、噪声信号、随机调制信号等），需要不同的检测方法来准确测量信号功率。
现代频谱分析仪一般采用数字技术并支持所有检测方法，以确保准确测量各种被测信号的功率参数。
视频过滤器
视频滤波器对检测器输出视频信号执行低通滤波。降低视频带宽可以平滑频谱显示中的噪声抖动，从而减小显示噪声的抖动范围。这有助于频谱分析仪找到淹没在噪声中的低功率 CW 信号，并提高测量的可重复性。
扫描本振
扫频本振是整个频谱分析仪的关键部分之一。扫频本振的稳定性和频谱纯度是许多性能指标的限制因素。本机振荡器的稳定性影响最小分辨率带宽。然而，即使使用频率非常稳定的本地振荡器，仍然存在残留的不稳定性，这被称为相位噪声或相位噪声边带。相位噪声影响相邻信号的观察，如果仅考虑带宽和形状因素，则不难观察。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，这对本振的相位噪声有非常高的要求。
频谱分析仪关键性能指标
作为分析仪器，频谱分析仪的基本性能要求包括：
1、频率指标：
2. 方面指标：
3、此外，频谱分析仪的性能还包括其分析精度和测量速度。
测量谐波失真或搜索信号需要频率范围从基波以下延伸到多重谐波之外。测量互调失真需要窄跨度来观察相邻的互调失真产物。因此，第一步是选择具有足够频率和跨度的频谱分析仪。第二个要求是频率分辨率是多少？测量双音互调对分辨率提出了严格的要求。
频谱分析仪的测量频率范围由其本地振荡器范围决定。利用本振的谐波可以扩展频谱分析仪的分析频率范围，也可以采用外混频的方法将分析频率范围扩展到更高（75GHz；110GHz；325GHz等）。
频率分辨率
这个例子反映了频谱分析仪的测量分辨率对测试结果的影响。输入物理信号是具有两个频率间隔的信号。只有频谱分析仪的分辨率足够高，信号的特征才能正确地反映在屏幕上。
许多信号测试应用要求频谱分析仪具有尽可能高的频率分辨率。
图6 频率分辨率
频谱分析仪的频率分辨率与其内部中频滤波器和本振性能有关。
其中，中频滤波器的影响因素包括：
过滤器类型；带宽;形状因素。
本地振荡器残余 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，理想的 CW 信号在频谱分析仪上不能显示为无限细线。它本身有一定的宽度。当调谐通过的信号时，其形状代表频谱分析仪自身分辨率带宽（IF 滤波器）的形状。因此，如果更改滤波器的带宽，就会更改显示响应的宽度。技术规范的数据表指定了 3 dB 带宽，其他应用程序 (EMC) 将滤波器带宽定义为 6 dB 带宽。
本振性能影响分辨率，因为中频信号来自输入信号和本振信号的混合，而两个信号中的噪声是功率之和。
在频谱上测试单点频率信号，结果就是中频滤波器的频率响应形状。
滤波器的形状由其带宽（3dB 或 6dB）和方形系数定义。这两个参数都会影响频谱分析仪的频率分辨率能力。
图7 IF滤波器带宽和形状因子（矩形系数）的定义
在双音测试中，两个信号相距10kHz，当RBW=10KHz时，仪器测试可以显示两个信号峰值。显然使用10kHz滤波器来区分等幅的双音信号是没有问题的。
频谱分析仪的 RBW 是指其解析等幅度信号的能力。
通过以上分析得出的结论是：
频谱分析仪的RBW越小，其频率分辨率越高。
IF 滤波器的 3dB 带宽告诉我们，等幅度的信号彼此之间可以有多接近，但仍然可以彼此分离（根据 3dB 下降）。一般来说，如果两个信号之间的距离大于或等于所选分辨率带宽滤波器的3dB带宽，则可以区分两个幅度相等的信号。双音测试中的两个信号说明了这一含义。当两个信号相距 10 kHz 时，使用 10 kHz 的分辨率带宽可以轻松将它们分开。然而，由于分辨率带宽更宽，这两个信号看起来就像一个信号。
注意：当两个信号出现在分辨率带宽内时，由于两个信号之间的相互作用，可以使用比分辨率带宽小约10倍的视频带宽来平滑它们的响应。
通常我们需要测量幅度不等的信号。由于在我们的示例中这两个信号描述了滤波器的形状开yun体育app官网网页登录入口，因此小信号可能被埋在大信号滤波器的滤波器裙部中。对于幅度相差 60dB 的两个信号，它们必须至少间隔 60dB 带宽的一半（大约下降 3dB）。因此，形状因子（滤波器60dB与3dB带宽之比）是决定不等幅信号分辨率的关键。
解析不等幅信号的频率分析仪示例：
以10kHz的间隔测试幅度下降50dB的失真产物。
如果3kHz滤波器的形状因子为15:1，则滤波器下降60dB时的带宽为45kHz，失真产物将隐藏在测试信号响应的裙边之下。如果切换到另一个60dB带宽为15kHz的窄带滤波器（例如1kHz滤波器），很容易观察到失真产物（因为60dB带宽的一半是7.5kHz，小于边带间隔）。因此，该测量所需的分辨率带宽不应大于1kHz（
