1、頻譜分析儀的工作原理和用途。概述2。頻譜分析儀的工作原理。頻譜分析儀性能參數(shù)的基本概念。頻譜分析儀的測量精度。使用頻譜分析儀應(yīng)注意的問題。頻譜分析儀示例E4405B。1.概述1.1時域分析1.2頻域分析1.3頻譜分析儀的發(fā)展2頻譜分析儀的工作原理2.1頻譜分析儀的類型2.1.1實(shí)時頻譜分析儀2.1.2掃頻頻譜分析儀2.2超外差掃頻頻譜分析儀的工作原理2.3頻譜分析儀性能參數(shù)的基本概念3.1分辨率(RBW) 3.2選擇性3.3殘余頻率調(diào)制3.4邊帶噪聲(相位噪聲)3.5自適應(yīng)關(guān)系， 頻譜分析儀的工作原理和使用方法3.6動態(tài)范圍3.7靈敏度3.8視頻帶寬(VBW) 3.9信號/失真3.10信號/噪

2、聲4頻譜分析儀的測量精度4.1頻率測量精度4.2幅度測量精度5使用頻譜分析儀時應(yīng)注意的問題6頻譜分析儀使用示例E4405B 6.1E4405B的前后面板開關(guān)，旋鈕和連接器的功能6.2測量示例測量調(diào)幅信號波形6.3測量示例理解校準(zhǔn)證書，1概述， 1.1時域分析1.2頻域分析1.3分光計(jì)的發(fā)展，1概述，無論您是電子設(shè)備或系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造工程師，還是電子設(shè)備或系統(tǒng)的現(xiàn)場維護(hù)/維修人員，您都需要一個能夠觀察和幫助您分析設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的電信號或電信號通過設(shè)備或系統(tǒng)后的質(zhì)量變化的人，例如信號的功率和幅度、調(diào)制或邊帶等。 通過分析，您可以驗(yàn)證您的設(shè)計(jì)，確定設(shè)備或系統(tǒng)的性能，識別故障點(diǎn)并找出問題，這就是信號特

3、性分析。目前，信號分析主要在時域、頻域和調(diào)制域進(jìn)行。1概述，1概述，1.1時域分析所謂的時域分析是觀察和分析電信號隨時間的變化。例如，信號的振幅、周期或頻率。示波器常用于時域分析。然而，示波器不能提供足夠的信息，所以使用頻域分析來分析信號。1.2頻域分析觀察和分析信號幅度(電壓或功率)與頻率之間的關(guān)系，可以獲得時域測量中無法獲得的獨(dú)特信息。例如諧波分量、寄生信號、互調(diào)和噪聲邊帶。頻域中最典型的信號分析是測量調(diào)制、失真和噪聲。通常，用于信號頻域分析的儀器是頻譜分析儀。1.2頻域分析、1.2頻域分析和頻譜分析儀是信號頻域特性分析的重要工具。它將由許多頻率成分組成的復(fù)雜信號分解成各種頻率成分。每個頻

4、率分量的電平依次顯示。頻域分析和測量有許多獨(dú)特的優(yōu)勢。通過頻譜分析很容易測量信號的頻率、功率、諧波成分、調(diào)制偽像和噪聲。1.2攝譜儀的發(fā)展，第一代掃頻攝譜儀誕生于20世紀(jì)30年代末。20世紀(jì)60年代末，頻譜儀可以提供頻率和振幅校準(zhǔn)，前端預(yù)選頻譜儀問世，標(biāo)志著頻譜儀進(jìn)入定量測試時代。20世紀(jì)70年代末，隨著集成電路技術(shù)、快速模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、頻率合成技術(shù)、數(shù)字存儲技術(shù)，特別是微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展，光譜儀的技術(shù)指標(biāo)得到了極大的提高。頻率范圍擴(kuò)展到100赫茲至20赫茲，分辨率帶寬達(dá)到10赫茲。目前，頻譜分析儀的測量頻率范圍已達(dá)到30Hz-50GHz，外混頻可擴(kuò)展至毫米波段，分辨率帶寬為1Hz-3MHz

5、，測量信號的動態(tài)范圍為100dB，平均噪聲為-110dBm。2、頻譜分析儀的工作原理，2.1型頻譜分析儀2.1.1實(shí)時頻譜分析儀2.1.2掃頻頻譜分析儀2.2超外差掃頻頻譜分析儀的工作原理2.3基波和諧波混頻，2頻譜分析儀的工作原理，我們知道當(dāng)一個信號周期性或準(zhǔn)周期性地變化時非周期信號(如隨機(jī)信號)可視為具有無限周期t的周期信號，即頻率間隔無窮小，其譜線是連續(xù)的，稱為連續(xù)譜。2.1.1實(shí)時頻譜分析儀，即所謂的實(shí)時頻譜分析儀，是指實(shí)時顯示某一時刻信號所有頻率分量的分析結(jié)果。參見圖2.2。圖2.2實(shí)時頻譜分析儀，2.1.1實(shí)時頻譜分析儀。待測輸入信號經(jīng)寬帶前置放大器放大后，通過解復(fù)用器送到多個并聯(lián)

6、的帶通濾波器。每個濾波器從要測量的信號中選擇其相應(yīng)的光譜分量，該光譜分量由檢測器檢測并發(fā)送到各種顯示器以保持和顯示。我現(xiàn)在不需要它。另一種快速傅里葉變換(FFT)頻譜分析儀也是一種實(shí)時頻譜分析儀，如圖2.1所示。2.1.1實(shí)時頻譜分析儀，快速傅里葉變換頻譜分析儀也是實(shí)時頻譜分析儀，如圖2.1所示。圖2.1傅立葉分析儀，2.1.1實(shí)時頻譜分析儀，圖2.3是傅立葉分析儀的原理框圖。由于采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換速度的限制，快速傅里葉變換頻譜分析儀不能用于高頻和微波頻段的頻譜分析儀。圖2.3傅立葉分析儀、2.1.2掃頻頻譜分析儀、調(diào)諧濾波器頻譜分析儀的原理框圖使用掃頻發(fā)生器驅(qū)動調(diào)諧濾波器，并在整個頻率范圍內(nèi)改變

7、帶通濾波器的中心頻率。隨著中心頻率的移動，依次選擇測量信號的頻譜分量，然后通過濾波器和視頻放大，然后應(yīng)用于顯示器的垂直偏轉(zhuǎn)電路。而水平偏轉(zhuǎn)的輸入信號來自驅(qū)動和調(diào)諧帶通濾波器的同一掃描發(fā)生器。這樣，水平軸可以用來表示頻率。超外差頻譜分析儀目前被廣泛使用。它可分為掃中頻和掃高頻(掃前端)。大多數(shù)老式光譜儀掃描中頻。因?yàn)閽呙鑼挾炔淮?，所以也被稱為窄帶光譜儀。掃頻中頻光譜儀的另一個缺點(diǎn)是可能有更多的雜波干擾和虛假響應(yīng)，動態(tài)范圍小，靈敏度低，現(xiàn)在基本消除了。2.1.2掃頻頻譜分析儀，2.1.2掃頻頻譜分析儀，以及2.2超外差掃頻頻譜分析儀的工作原理?，F(xiàn)代掃描前端超外差頻譜分析儀的框圖如圖2.6所示。主要

8、部件有射頻輸入衰減器、預(yù)選器或低通濾波器、混頻器、中頻放大器、中頻濾波器、檢波器、視頻放大器、本地振蕩器、掃描發(fā)生器和液晶顯示器。2.2超外差掃描頻譜分析儀的工作原理，圖2.6掃描前端超外差掃描頻譜分析儀的原理框圖，2.2超外差掃描頻譜分析儀的工作原理，輸入信號經(jīng)射頻衰減后控制在頻譜分析儀的安全輸入電平內(nèi)，并調(diào)整到混頻器的最佳信號電平，防止了混頻壓縮和失真。信號通過預(yù)選器和低通濾波器進(jìn)入混頻器。信號混合后，在其輸出端有原始信號、本機(jī)振蕩器信號、兩個輸入信號的和頻信號/差頻信號以及其它高次諧波信號。通常我們把它的差頻信號，稱為中頻信號。中頻濾波器濾除中頻信號并放大它。中頻信號被檢測和視頻濾波，然

9、后應(yīng)用于顯示器進(jìn)行顯示。視頻過濾器的功能是對顯示屏上顯示的軌跡進(jìn)行平均或平滑。光譜儀顯示的譜線是光譜儀內(nèi)部噪聲與測量信號疊加的總效應(yīng)。為了減少噪聲對信號幅度的影響，應(yīng)該對檢測到的信號進(jìn)行視頻濾波或視頻平均。當(dāng)選定的視頻帶寬等于或小于選定的分辨率帶寬(RBW)時，視頻電路的響應(yīng)不能跟上中頻電路信號的變化，因此顯示的信號被平均和平滑。它們之間的比例越小，平滑效果越好。視頻平均是智能光譜儀提供的另一個平滑選項(xiàng)。它逐點(diǎn)平均掃描數(shù)據(jù)，因此顯示的譜線更平滑。2.2雖然這種基波混頻方法有優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備復(fù)雜且不經(jīng)濟(jì)。事實(shí)上，本地振蕩器的諧波可以用來與信號混合，從而大大擴(kuò)展了工作頻帶。圖像頻率干涉光譜儀是一個超外

10、差接收機(jī)，其混頻器是寬帶的。因此，當(dāng)光譜儀用于測量信號時，不僅出現(xiàn)所需的信號頻率線，而且出現(xiàn)不需要的圖像光譜。光譜儀是超外差接收器，其混頻器是寬帶的。因此，當(dāng)光譜儀用于測量信號時，不僅出現(xiàn)所需的信號頻率線，而且出現(xiàn)不需要的圖像光譜。如圖所示，只要它是滿意的；條件，并將出現(xiàn)在光譜儀的顯示屏上，這就是圖像頻率干擾。抑制圖像頻率響應(yīng)干擾的方案有兩種：預(yù)選器和上變頻高中頻。(1)預(yù)選器的跟蹤技術(shù)，即寬帶YIG調(diào)諧濾波器和低相位噪聲YIG調(diào)諧振蕩器之間頻率關(guān)系的統(tǒng)一調(diào)整，是寬帶頻譜分析儀的關(guān)鍵技術(shù)。(2)為了抑制圖像頻率響應(yīng)的影響，高中頻放大器必須增加中頻。使用上轉(zhuǎn)換方案，寬帶光譜儀總是分為高和低波段。

11、由于預(yù)選器的頻率下限的限制，預(yù)選器用于高頻帶。低頻部分采用高中頻上變頻方案。對于低頻帶(9千赫2.95千兆赫)，本地振蕩器為(48)千兆赫，第一中頻為；因此，在該頻帶中很好地抑制了圖像頻率信號干擾的影響。2.3基波和諧波混合，以及多響應(yīng)本地振蕩器的基波和諧波與同一信號混合產(chǎn)生同一中頻。諧波響應(yīng)本地振蕩器的基波和諧波與信號的多個頻率分量混合以產(chǎn)生相同的中頻。3頻譜分析儀性能參數(shù)的基本概念，3.1分辨率(RBW) 3.2選擇性，3.3殘留調(diào)頻，3.4邊帶噪聲(相位噪聲)，3.5自適應(yīng)關(guān)系，3.6動態(tài)范圍，3.7靈敏度，3.8視頻帶寬(VBW) 3.9信號/失真，3.10信號/噪聲，3頻譜分析儀性能

12、參數(shù)的基本概念。當(dāng)我們選擇頻譜分析儀進(jìn)行測量時，我們必須知道頻譜(最低頻率和最高頻率)。2振幅測量范圍(即最大輸入電平和最小可測量信號)。3.用分光計(jì)同時測量兩個不同頻率的信號特征(動態(tài)范圍和分辨率)。4.用分光計(jì)測量不確定度(包括振幅和頻率)。3.1分辨率帶寬(RBW)，代表分光計(jì)清晰分離兩個等幅信號的能力。理論上，被測信號以譜線的形式顯示在光譜儀的顯示屏上，但實(shí)際上，信號不可能是無限窄的譜線，它具有一定的寬度和形狀。光譜儀的分辨率取決于中頻濾波器的帶寬，因此也稱為光譜儀的分辨率帶寬。濾波器的帶寬通常用3dB(功率)或6dB(電壓)來描述。帶寬越小，分辨率越高。因此，中頻濾波器的3dB帶寬決

13、定了區(qū)分兩個等幅信號的最小頻率間隔。3.1分辨率帶寬(RBW)、3.1分辨率帶寬(RBW)和3.2選擇性，這表示光譜儀能夠清楚地區(qū)分振幅不相等的兩個信號，也稱為形狀因子。通常定義為中頻濾波器的60dB帶寬與3dB帶寬之比。只有當(dāng)兩個相差60dB的不等幅信號之間的頻率間隔至少為60dB帶寬的一半時，才能區(qū)分小信號，因此選擇性是區(qū)分不等幅信號的關(guān)鍵參數(shù)。3.2選擇性，3.2選擇性，3.2選擇性。事實(shí)上，形狀因子指示濾波器特性曲線偏離矩形的程度，并且還指示其具有消除較低干擾信號或噪聲的能力。波形因子越小，曲線越接近矩形，顯示的譜線的下端越清晰。60dB帶寬也是區(qū)分大譜線附近小譜線的決定性因素，60d

14、B帶寬內(nèi)的小譜線將是明顯的現(xiàn)代光譜儀中設(shè)計(jì)的模擬濾波器采用同步調(diào)諧式，有4個以上的極點(diǎn)，幅頻特性為高斯分布。高質(zhì)量光譜儀的選擇性可達(dá)15:1133601。3.2選擇性、3.3剩余頻率調(diào)制和光譜儀的本地振蕩器穩(wěn)定性影響分辨率的進(jìn)一步提高。本地振蕩器的短期不穩(wěn)定性是殘余頻率調(diào)制。典型光譜儀的剩余頻率調(diào)制可以達(dá)到：開環(huán)本振為1千赫，鎖頻本振為30千赫，合成本振為1千赫。3.3殘余頻率調(diào)制、3.3殘余頻率調(diào)制、3.4邊帶噪聲(相位噪聲)，這些都會影響近端(載波)低電平信號的分辨率。相位噪聲被指定為低于載波dBc或dB，并且僅當(dāng)系統(tǒng)的噪底信號足夠高時才能顯示。因?yàn)橄到y(tǒng)的相位噪聲曲線實(shí)際上覆蓋了一個小信號

15、，另一個小信號不能在光譜儀上顯示。相位噪聲指數(shù)歸一化為1Hz帶寬。因此，如果我們需要測量一個離載波10千赫、比載波低50分貝的信號，而RBW是1千赫，我們需要光譜儀系統(tǒng)本身的相位噪聲指數(shù)是離載波10千赫和-80分貝/赫茲；使用等式-50 DBC-10 log(1k Hz/1hz)=-50-30=-80 DBC。50dbc/1khz的徑向基寬歸一化為80dBc/1Hz。3.5自適應(yīng)關(guān)系，上面分析的分辨率帶寬是指電路處于穩(wěn)態(tài)時的指標(biāo)，但根據(jù)光譜儀的實(shí)際情況，還有另一個非常重要的因素影響光譜儀的有效分辨率，即光譜儀的掃描時間。如果頻率變化率(即掃描速度)太快，某個頻率分量將在達(dá)到穩(wěn)定振幅值之前變成另

16、一個頻率，因此它不會在每個頻率達(dá)到其應(yīng)有的振幅。與中頻濾波器的曲線(即慢掃描頻率下的顯示)相比，輸出波形明顯被抑制、展寬和延遲(如圖所示)。分辨率：分辨率帶寬決定測量時間。3.5自適應(yīng)關(guān)系，3.6動態(tài)范圍是光譜儀測量信號幅度的主要技術(shù)性能，定義為在給定的測量精度下，光譜儀在輸入端可以同時測量的最大信號和最小信號之比，它代表同時測量兩個信號之間幅度差的能力。3.7平均噪聲水平頻譜分析儀最重要的用途之一是探測和測量低電平信號，而頻譜分析儀的靈敏度是它能測量的最小信號的量度。理論上，50電阻負(fù)載的熱噪聲功率譜密度為-174dBm。(其中，電阻的噪聲功率譜密度)。理想和完美的接收器將不再在熱噪聲功率的基礎(chǔ)上疊加任何噪聲功率。根據(jù)接收器理論，最小可測量信號電平由以下公式確定。fdB型-整機(jī)噪聲系數(shù)；接收機(jī)3dB帶寬(單位為赫茲)、3.8視頻帶寬(VBW)和視頻帶寬(VBW)不影響頻譜分析儀的頻率分辨率和靈敏度，但可以提高低信噪比測量的分辨率和重復(fù)性。靈敏度/顯示器平均噪聲水平值：視頻帶寬，3.8視頻帶寬(VBW)，3.8視頻帶寬(VBW)，一般視頻帶寬(vbw)應(yīng)為(0.10.01)分辨率帶寬(RBW)。從公式中可以看出，靈敏度主要受整機(jī)噪聲系數(shù)和光譜儀中頻帶寬的限制。噪聲主要是中頻放大器中頻濾波器中頻帶寬中的噪聲能量，因此顯示噪聲的最低平均水平對應(yīng)于最窄的分辨率帶寬。頻譜分析