頻譜分析儀工作原理及應用分析

梁烈勇

摘 要：頻譜分析儀是現在分析信號的基本儀表之一，應用范圍廣泛，比如說頻譜監測、EMI測試等。本文以掃頻式調諧分析儀為分析對象，闡述了其工作原理和主要指標，最后以R&S FSH4為例講解了實際應用。

關鍵詞：頻譜分析儀；分辨率帶寬；混頻；顯示噪聲電平

一、頻譜分析儀工作原理

觀察與測量信號可以從時域的角度出發，比如說使用示波器，橫軸表示信號時間，縱軸表示信號幅度。但是現實中信號非常復雜，一個信號往往由多個信號矢量疊加而成，這種情況下示波器很難還原信號真實成分。使用頻譜分析儀就可以觀察到各個頻率點不同功率幅度的分布，能夠把復雜信號再現出來。

[1]現在主流頻譜分析儀是掃頻式調諧分析儀，采用超外差結構。圖1是超外差頻譜分析儀結構示意圖，射頻輸入衰減器是防止強信號燒毀頻譜儀，衰減器的衰減值與中頻放大器的放大值是聯動的。預選器或者低通濾波器是防止鏡像干擾，有些頻譜儀為了改善信噪比提高接收機靈敏度，在前級設置低噪聲放大器。混頻器是頻譜分析儀核心器件，輸入信號與本振通過混頻器相互作用后得到一個固定中頻信號。假設輸入信號為f1，本振信號為f2，則混頻器輸出為f2+f1和f2-f1。中頻濾波器起頻率選擇性作用，只有才能通過中頻濾波器。對數放大器能夠擴大整個頻譜分析儀的動態范圍，包絡檢波就是對中頻信號解調取得取其包絡。視頻濾波器對信號包絡進行平滑，掃描信號發生器能夠同時控制本振和顯示器的橫軸。

二、頻譜分析儀主要指標：

1.掃頻范圍

頻譜分析儀掃頻范圍主要是由本振決定的，可以通過設置起始頻率start frequency和終止頻率end frequency決定，也可以通過設置center frequency和span來決定，兩者的作用是相同的。比如start frequency = 100MHz，end frequency = 200MHz和center frequency = 150MHz，span = 100 MHz是一樣的。如果掃頻范圍設置太大，掃頻時間會相對較長，測量精度會降低。

2.RBW

[2]RBW是分辨率帶寬，就是中頻濾波器的3dB帶寬，反映了頻譜分析儀分辨區分兩個相鄰等幅信號的最小頻率間隔能力。RBW設置的越小，則頻譜分析儀區分不同頻率信號能力越強，頻譜分析儀本底噪聲也越小。如果span設置太大，RBW設置太小，則掃頻速率會降低，掃頻時間增加，有可能會遺漏一些信號。

3.相位噪聲

相位噪聲是由于本振的不穩定造成的，表現為信號頻譜的噪聲邊帶，反映了信號短期的穩定性。只有待測信號強度遠大于系統的底噪時，相位噪聲才會顯示出來。相位噪聲與本振的設計有關，尤其與穩定本振的鎖相環結構相關。減少分辨率帶寬RBW也會減少相位噪聲。如果相位噪聲太大，會淹沒待測信號附近的小信號。

4.DANL

DANL是頻譜分析儀顯示平均噪聲電平，它是由頻譜分析儀內部電路的噪聲決定的，反映了頻譜分析儀的靈敏度。為了保護頻譜儀，在前級設置了衰減，頻譜儀底噪會相應提高。這是因為中頻放大器與衰減器聯動所致，頻譜分析儀的內部噪聲主要是其第一級決定，中頻放大器放大信號的同時也會放大噪聲。當檢測微弱信號的時候，可以通過前置LNA來改善信噪比提高靈敏度，也可以通過減少RBW來減少噪聲電平。

三、應用分析

以R&S FSH4為例，選擇該手持頻譜儀的網絡分析功能在調節腔體濾波器中應用。

1.校準

開機后，在MOD按鍵下選擇“網絡分析儀”模式，在MEAS按鍵下選擇“校準”功能。選擇“兩端口歸一化校準”，根據提示分別選擇校準直通、校準端口1短路、校準端口2短路。

2調節腔體濾波器

儀表端口1連接腔體濾波器的IN，儀表端口2連接腔體濾波器的OUT。儀表中心頻率設置為118MHz，頻率范圍設置為1MHz。（儀表FREQ和SPAN按鍵）增加三個標記點。MARKER按鍵 -> 新建標記 -> 分別設置M1、M2、M3為118MHz、117.5MHz、118.5MHz。選擇MEAS -> 結果顯示 -> 正向傳輸（端口1到2），調節腔體濾波器的中間旋鈕，使波形峰值位于M1的位置。調節濾波器兩側旋鈕使選擇性大于15dB（M2、M3處的衰減值），插損小于1.5dB（M1處的衰減值）。

四、結束語

隨著技術的發展，現在中高端頻譜分析儀都具有real time模式，這種是利用FFT計算不同頻率的號出現的概率，并以不同顏色表示。real time模式還特別適合觀察方便同一頻點大信號下的小信號，非常有利于無線電干擾測試和EMI測試。由于使用了FFT，計算量特別大，SPAN一般不超過40MHz。

參考文獻

[1] 田遲鵬，徐寧，李福林.無限頻譜分析試技術[J].電子質量，2006，（7）：14-15.

[2] 影響須譜分析儀頻率分辮率的因素[J] .《現代電子技術》，2011（7）.