頻譜分析儀是一種應(yīng)用廣泛的信號(hào)分析儀器。它可用來(lái)測(cè)量信號(hào)的頻率、電平、波形失真、噪聲電平、頻譜特性等，加上標(biāo)準(zhǔn)天線還可用來(lái)測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)。它的主要特點(diǎn)是：能寬頻帶連續(xù)掃描，并將測(cè)得的信號(hào)在CRT屏上直觀地顯示出來(lái)。在整個(gè)頻段內(nèi)，電平顯示范圍大于70dB，在無(wú)線電電波測(cè)量中可以很方便地看出頻譜占用和信號(hào)活動(dòng)情況，所以在很多場(chǎng)合，頻譜儀正在替代場(chǎng)強(qiáng)儀成為電波測(cè)量中一種新的被廣泛應(yīng)用的儀器。但必竟二者設(shè)計(jì)上有差異，因此使用側(cè)重面應(yīng)有所有同，否則將會(huì)帶來(lái)很大的測(cè)量誤差。
現(xiàn)代頻譜儀多采用微機(jī)處理，顯示刻度可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在實(shí)際測(cè)量中要特別注意天線阻抗與測(cè)試系統(tǒng)的匹配問(wèn)題，避免產(chǎn)生失配誤差。由于頻譜儀在使用中是進(jìn)行寬帶掃描，所以所用天線要求也都是寬帶天線，而寬帶天線的VSWR一般都較大，如果與頻譜儀聯(lián)接的不是匹配天線，則要對(duì)所用天線的天線系數(shù)重新校對(duì)。
在實(shí)際測(cè)量中，輸入衰減器不宜放在0dB的位置，如果衰減器置0，輸入信號(hào)直接接到混頻器上，則阻抗特性變差，造成較大的失配誤差。
防止頻譜分析儀過(guò)載
一般測(cè)試接收機(jī)的輸入端都有帶有調(diào)諧式高放電路，以抑制帶外信號(hào)，提高靈敏度。而頻譜分析儀由于其寬帶連續(xù)快速掃描的特性，輸入端一般都直接接到第一混頻器上。當(dāng)信號(hào)電平較高時(shí)，混頻器工作在非線性變頻狀態(tài)，將產(chǎn)生高階互調(diào)和混頻增益壓縮，而且過(guò)高的電平（一般大于5dBm）將燒壞混頻器，故在使用中要合理地選擇射頻衰減器以確保線性工作狀態(tài)。
為使混頻器進(jìn)行線性變頻，中頻放大器進(jìn)行線性放大，使示波屏上出現(xiàn)的假響應(yīng)電平縮至最小，這就要求加在混頻器上的輸入信號(hào)功率越小越好；而為了擴(kuò)大測(cè)量電平的動(dòng)態(tài)范圍，則要求輸入功率越大越好。為此對(duì)輸入信號(hào)電平的選擇有如下三個(gè)規(guī)定：
（1）較好輸入信號(hào)電平
在頻譜儀輸入混頻器上輸入信號(hào)時(shí)，使所產(chǎn)生的失真電平小于某個(gè)規(guī)定電平時(shí)的輸入信號(hào)電平叫較好輸入電平。它隨混頻器的構(gòu)造不同而有所不同，通常頻譜儀的較好輸入電平是-30dBm。用這樣的電平輸入時(shí)，規(guī)定頻譜儀產(chǎn)生的失真電平和假響應(yīng)電平小于-90dBm，即在-30dBm到-90dBm間出現(xiàn)的信號(hào)是真正的信號(hào)，這時(shí)，顯示器的動(dòng)態(tài)范圍有60dB。
?。?）線性輸入信號(hào)電平
使輸入混頻器的特性保持線性的最大輸入信號(hào)電平叫線性輸入電平。所謂“線性”，是指允許輸入混頻器有1dB的增益壓縮。增益壓縮1dB,約產(chǎn)生12.2%的誤差。當(dāng)加到混頻器的信號(hào)電平在線性輸入電平范圍內(nèi)時(shí)，則增益壓壓縮小于1dB，這并不意味著在頻譜儀顯示器上不同生失真響應(yīng)和假響應(yīng)。只有當(dāng)輸入到混頻器的信號(hào)功率等于較好輸入電平時(shí)，在示波屏上才不出現(xiàn)假響應(yīng)。通常，頻譜儀的線性輸入電平是-5dBm到-10dBm，視輸入混頻器的特性而定。
?。?）最大輸入電平
頻譜儀輸入回的燒毀電平叫頻譜儀的最大輸入電平。它由輸入衰減器和混頻器的特性決定。輸入混頻器的燒毀電平的典型值是+10dBm，輸入衰減器的燒毀電平是+30dBm。
在實(shí)際測(cè)量中，為使測(cè)量不失真，或使假響應(yīng)電平減至最小，應(yīng)經(jīng)常使用較好輸入電平。就輸入端是單個(gè)大信號(hào)而言。采用較好輸入電平，將會(huì)得到較滿意的測(cè)量結(jié)果。但當(dāng)輸入端存在多個(gè)高電平信號(hào)時(shí)，即使這些信號(hào)可能在頻譜儀的工作頻帶外，終因輸入端沒(méi)有選擇性，這些信號(hào)功率的迭加很容易使混頻器過(guò)載產(chǎn)生高階交互調(diào)失真，從而產(chǎn)生假響應(yīng)，因此有必要對(duì)所測(cè)信號(hào)以外的信號(hào)功率加以衰減，建議的辦法是加一個(gè)跟蹤濾波器，即預(yù)選器，如美國(guó)HP公司和西德R/S公司都有為其頻譜儀配套的預(yù)選器。
有些頻譜分析儀沒(méi)有配套的預(yù)選器，但可根據(jù)測(cè)量頻段加固定的帶通濾波器。此時(shí)，用頻譜分析儀和跟蹤信號(hào)發(fā)生器對(duì)通帶內(nèi)波動(dòng)、插入損耗仔細(xì)進(jìn)行測(cè)量并一一記錄下來(lái)，在測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)時(shí)計(jì)入到天線校正系數(shù)去。如果連帶通濾波器也沒(méi)有，那么可按照所測(cè)頻段配置合適的高通濾波器。實(shí)踐證明，強(qiáng)電臺(tái)及電磁干擾大多集中在中、短波及調(diào)頻波段、VHF低端，在采用高通濾波器后，可把被測(cè)頻段以下的信號(hào)衰減40dB以上，這樣可大大減少互調(diào)、交調(diào)失真。
檢驗(yàn)混頻器是否工作在較好狀態(tài)，可以采用射頻衰減器增加10dB，顯示減少10dB的方法驗(yàn)證。通常，-30~-35dBm為混頻器的較好工作狀態(tài)，即頻譜儀的較好輸入電平為-30~-35dBm。較好輸入電平的擇定為以后進(jìn)一步的精確測(cè)量打下了良好基礎(chǔ)。
選擇合適的中頻帶寬
頻譜儀的中頻帶寬（又稱(chēng)分辨率帶寬）很多，從1MHz到1kHz以下約有10檔左右。但由于頻譜儀的連續(xù)掃描特性，它的濾波器是高斯型的矩形系數(shù)較大，一般60dB：3dB帶寬為10:1。而測(cè)試接收機(jī)的中頻濾波器矩形系數(shù)較小，一般60dB:6dB帶寬為2:1（一般測(cè)試接收機(jī)為雙調(diào)諧回路，且B3=0.8B6）。頻譜儀的噪聲系數(shù)較大，典型值為19dB，因此在頻帶寬相同的情況下，頻譜儀的噪聲電平比測(cè)試接收機(jī)高。
了解這些不同后，就可以根據(jù)實(shí)測(cè)情況及所測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)，選擇合適的中頻帶寬。如果要測(cè)量間隔25KHz的兩相鄰信號(hào)，若它們的電平相差不大，則用10KHz的中頻帶寬就可以區(qū)分兩信號(hào)。如果電平相差較大，則必須用3kHz或1kHz的中頻帶寬才能區(qū)分兩信號(hào)。在選擇中頻帶寬時(shí)，還應(yīng)注意掃描時(shí)間，太快會(huì)使濾波器來(lái)不及響應(yīng)，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)。有些頻譜儀有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，特別是現(xiàn)代較先進(jìn)的它可將掃描時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)到與掃描頻寬、中頻帶寬相適應(yīng)。若是手動(dòng)調(diào)節(jié)的，應(yīng)注意一旦中頻帶寬改變，掃描時(shí)間也要相應(yīng)地變化，以保證準(zhǔn)確測(cè)量。
如果要測(cè)量較弱信號(hào)，就要減小中頻帶寬，使頻譜儀的噪聲電平低于被測(cè)信號(hào)。頻譜儀一般給出最小中頻帶寬以下的平均噪聲電平，中檔頻譜儀的典型值為-115dBm。為保證測(cè)量結(jié)果有效，應(yīng)使信噪比優(yōu)于6dB，故它可測(cè)量的最小電平為-109dBm即-2dBμV。實(shí)際上可測(cè)的最小電平還受到頻譜儀雜散響應(yīng)指標(biāo)的影響，而且當(dāng)被測(cè)信號(hào)小于1μV時(shí)，通過(guò)機(jī)殼、電源線等引入干擾會(huì)使測(cè)量結(jié)果不可靠。
怎樣保證測(cè)量精度
測(cè)試接收機(jī)都裝有標(biāo)準(zhǔn)脈沖振蕩器，以便在測(cè)量狀態(tài)，如頻率、衰減器、中頻帶寬改變時(shí)隨時(shí)可進(jìn)行校準(zhǔn)。其測(cè)量精度主要由標(biāo)準(zhǔn)振蕩器的準(zhǔn)確度及輸入失配誤差來(lái)決定，一般為±2dB。
頻譜儀系采用固定頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，當(dāng)測(cè)量頻率不同時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差。同時(shí)，射頻衰減器參考電平、中頻帶寬、顯示刻度等的改變都會(huì)產(chǎn)生誤差。
頻譜是頻率譜密度的簡(jiǎn)稱(chēng)，是頻率的分布曲線。復(fù)雜振蕩分解為振幅不同和頻率不同的諧振蕩，這些諧振蕩的幅值按頻率排列的圖形叫做頻譜。
頻譜儀的分類(lèi)：
一般分為FFT(快速傅里葉變化)和掃頻式頻譜儀。其中FFT式頻譜儀適合窄分析帶寬，快速測(cè)量場(chǎng)合，掃頻式頻譜儀適合寬頻帶分析場(chǎng)合。
頻譜儀內(nèi)部原理：
1、輸入衰減器
信號(hào)進(jìn)入頻譜儀后，先經(jīng)過(guò)一個(gè)輸入衰減器，作用為防止大信號(hào)進(jìn)入混頻器，造成混頻器過(guò)載，增益壓縮，畸變。衰減器雨后面的中頻放大器是互動(dòng)的，中頻放大器補(bǔ)償前面的衰減值，保證信號(hào)大小不變。
2、低通濾波器
低通濾波器決定了頻譜儀的分析能力，頻譜儀上標(biāo)注的頻率范圍就是由此濾波器決定。
3、混頻器
混頻器，通過(guò)本振(LO)將輸入信號(hào)下變頻到中頻。
4、中頻濾波器
中頻濾波器即頻譜儀面板上設(shè)置的RBW，是可調(diào)的，調(diào)節(jié)RBW會(huì)影響頻率選擇性，信噪比和測(cè)試速度。
5、包絡(luò)檢波器
將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)或者視頻信號(hào)。有正向檢波(顯示最大值)，負(fù)向檢波(顯示最小值)，采樣檢波(顯示中值)。
6、視頻濾波器
一般為一低通濾波器，此濾波器主要是為了減少噪聲的峰峰值變化，測(cè)試小信號(hào)時(shí)會(huì)用到。
一、實(shí)時(shí)帶寬
1、對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)，帶寬通常是其測(cè)量頻率范圍。而頻譜儀則有中頻帶寬、分辨帶寬等帶寬定義。這里，我們以能對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的實(shí)時(shí)帶寬作為討論對(duì)象。
2、對(duì)于頻譜儀來(lái)說(shuō)，末級(jí)模擬中頻的帶寬通?？梢宰鳛槠湫盘?hào)分析的實(shí)時(shí)帶寬，大多數(shù)的頻譜分析的實(shí)時(shí)帶寬只有幾兆赫茲，通常較寬的實(shí)時(shí)帶寬通常為幾十兆赫茲，當(dāng)然目前帶寬最寬的FSW頻譜儀可以達(dá)到500兆赫茲。而示波器的實(shí)時(shí)帶寬為其實(shí)時(shí)取樣的有效模擬帶寬，一般為數(shù)百兆赫茲，高的可達(dá)數(shù)千兆赫茲。
3、這里需要指出的是，大多數(shù)的示波器在垂直刻度設(shè)置不同時(shí)，其實(shí)時(shí)帶寬可能并不一致，在垂直刻度設(shè)置到最靈敏時(shí)，其實(shí)時(shí)帶寬通常會(huì)下降。
4、從實(shí)時(shí)帶寬來(lái)說(shuō)，示波器普遍優(yōu)于頻譜儀，這對(duì)于某些超寬帶信號(hào)分析尤其有好處，特別是在調(diào)制分析上有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
二、動(dòng)態(tài)范圍
1、動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)因其定義不同而有所不同，很多情況下，動(dòng)態(tài)范圍被描述為儀器測(cè)量最大信號(hào)和最小信號(hào)的電平差值。當(dāng)改變測(cè)量設(shè)置時(shí)，儀器測(cè)量大信號(hào)和小信號(hào)的能力是不一樣的，例如頻譜分析儀在衰減設(shè)置不一樣的情況下，其測(cè)量大信號(hào)所帶來(lái)的失真是不一樣的。在這里，我們討論儀器能夠同時(shí)測(cè)量大小信號(hào)的能力，即在不改變?nèi)魏螠y(cè)量設(shè)置的情況下，示波器和頻譜儀在合適設(shè)置情況下的較好動(dòng)態(tài)范圍。
2、對(duì)于頻譜儀來(lái)說(shuō)，在不考慮相位噪聲等近端噪聲和雜散情況下，平均噪聲電平、二階失真、三階失真是制約動(dòng)態(tài)范圍的最主要因素，以主流頻譜儀的技術(shù)指標(biāo)計(jì)算，其理想動(dòng)態(tài)范圍約為90dB（受二階失真限制）。
3、大多數(shù)的示波器由于受其AD有效取樣位數(shù)和噪聲底的限制，傳統(tǒng)示波器的理想動(dòng)態(tài)范圍通常不超過(guò)50dB。(對(duì)于R&SRTO示波器，在100KHzRBW時(shí)，其動(dòng)態(tài)范圍可高達(dá)86dB)。
4、從動(dòng)態(tài)范圍來(lái)看，頻譜儀要優(yōu)于示波器。但這里要指出的是，這對(duì)于常在信號(hào)的頻譜分析來(lái)說(shuō)確實(shí)如此，然而示波器的頻譜是同一幀數(shù)據(jù)，頻譜儀的頻譜大多數(shù)情況下都不是同一幀數(shù)據(jù)，因而對(duì)于瞬變信號(hào)來(lái)說(shuō)，頻譜儀可能無(wú)法測(cè)量到。而示波器發(fā)現(xiàn)瞬變信號(hào)（信號(hào)滿足動(dòng)態(tài)范圍的情況下）的概率要大得多。
三、功率測(cè)量準(zhǔn)確度
對(duì)于頻域分析來(lái)說(shuō)，功率測(cè)量準(zhǔn)確度是非常重要的技術(shù)指標(biāo)。無(wú)論是示波器還是頻譜儀，對(duì)功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量都是非常多的，下面分別列出其主要的影響量：
1、對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)，功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、垂直系統(tǒng)誤差、頻率響應(yīng)、AD量化誤差、校準(zhǔn)信號(hào)誤差等。
2、對(duì)于頻譜儀來(lái)說(shuō)，功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、參考電平誤差、衰減器誤差、帶寬轉(zhuǎn)換誤差、頻率響應(yīng)、校準(zhǔn)信號(hào)誤差等。
3、此處我們不對(duì)影響量進(jìn)行逐一分析比較，我們通過(guò)對(duì)1GHz頻率信號(hào)的進(jìn)行功率測(cè)量來(lái)對(duì)比，通過(guò)RTO示波器和FSW頻譜儀的測(cè)量對(duì)比可以看出，在1GHz處，示波器與頻譜儀的功率測(cè)量值僅相差0.2dB左右，這是非常好的測(cè)量準(zhǔn)確度指標(biāo)。因?yàn)轭l譜儀在1GHz處的測(cè)量準(zhǔn)確度是非常好的。
4、另外，在頻率范圍內(nèi)，示波器的頻率響應(yīng)指標(biāo)也是很好的，4GHz范圍內(nèi)不超過(guò)0.5dB，從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，示波器甚至優(yōu)于頻譜儀的性能。
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