频谱仪基本原理共42页文档
频谱仪的工作原理
频谱仪的工作原理
频谱仪是一种可以把时域信号变换为频域的仪器，它使用傅里叶变换的原理，将时域信号变换为频域信号。
它通常包括一个可以捕获处理时域信号的前端系统和一个能够分析频域信号并显示出来的后端系统。
前端系统将时域信号通过数字信号处理（DSP）技术转换成频域信号，而后端系统会把频域信号分析处理，并把处理结果显示出来。
后端系统包括一个模拟-数字转换器（ADC）、一个数字频谱分析器（DSA）和一个数字-模拟转换器（DAC）。
ADC将信号从模拟形式转换为数字形式，然后DSA根据FFT（快速傅立叶变换）原理，对信号进行频率分析，最后DAC将信号从数字形式转换回模拟形式，并显示在仪表上供用户观察。
频谱仪基础、原理及主要指标解析
DSA频谱仪基本原理
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC
RBW
经过包络检波之后，时域上得到正弦信号包络。
Envelope Detector
DSA频谱仪波器
Mixer
滤波器
ADC
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC
RBW
本地振荡器
Envelope Detector
VBW
Video Detector
DSA频谱仪基本原理
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
载波为1GHz 信号时域图
1GHz
100kHz
信号频域图
DSA频谱仪基本原理
衰减器
PreAmp
低通滤波器
RBW
为了使噪声曲线平滑，在检波之后，放置了一个低通滤波器， 即视频滤波器。
VBW的滤波作用
Envelope Detector
VBW
DSA频谱仪基本原理
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC
RBW
视频检波器作用：得到屏幕迹线上当前频点的幅度值。
1GHz
Envelope Detector
频谱分析仪 & 示波器：
1.更高的灵敏度：1mV VS 0.01uV 2.对于信号失真更容易测试 3.更高的动态范围（同时测试最大信号和最小信号） 4.更宽的测量频率范围
频谱分析仪工作原理
按工作原理分类
– 傅立叶频谱分析仪
频谱仪的内部原理
频谱仪的内部原理
频谱是频率谱密度的简称，是频率的分布曲线。
复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排列的图形叫做频谱。
频谱仪的分类：
一般分为FFT(快速傅里叶变化)和扫频式频谱仪。
其中FFT式频谱仪适合窄分析带宽，快速测量场合，扫频式频谱仪适合宽频带分析场合。
频谱仪内部原理：
1、输入衰减器
信号进入频谱仪后，先经过一个输入衰减器，作用为防止大信号进入混频器，造成混频器过载，增益压缩，畸变。
衰减器雨后面的中频放大器是互动的，中频放大器补偿前面的衰减值，保证信号大小不变。
2、低通滤波器
低通滤波器决定了频谱仪的分析能力，频谱仪上标注的频率范围就是由此滤波器决定。
3、混频器
混频器，通过本振(LO)将输入信号下变频到中频。
4、中频滤波器
中频滤波器即频谱仪面板上设置的RBW，是可调的，调节RBW会影响频率选择性，信噪比和测试速度。
5、包络检波器
将中频信号转换为基带信号或者视频信号。
有正向检波(显示值)，负向检波(显示小值)，采样检波(显示中值)。
6、视频滤波器
一般为一低通滤波器，此滤波器主要是为了减少噪声的峰峰值变化，测试小信号时会用到。
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频谱分析仪基础知识讲课文档
第十一页，共49页。
❖下面将对频谱分析仪每个独立部件的 工作原理和相互之间的作用做详细说 明
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低通滤波器
❖ 低通滤波器的主要作用是抑制镜像频率。下图是低中频频谱分析仪输
混频，而谐波混频是通过本振信号的谐波来混频
❖ 谐波混频会造成相对高的转换损耗
❖ 混频器对输入RF小信号而言是线性网络，当输入信号幅度逐渐 增大时，就存在着非线性失真问题，所以输入信号的幅值应低 于频谱分析仪的1dB压缩点
第十七页，共49页。
中频放大器
❖ 输入信号经过了前置衰减器，电平降低，为了恢复信号幅值， 补偿输入衰减器的变化，在混频后对中频信号进行放大
❖ 了解频谱分析仪结构原理，了解频谱
分析仪性能指标；
❖ 熟练应用频谱分析仪。
第三页，共49页。
1 频谱分析仪应用
❖ 从事通信工程的技术人员，在很多时候需要对信号进行分析， 针对不同观察域，分别用示波器、频谱分析仪和矢量分析仪观 察信号；
❖ 示波器只能观察信号的幅度、周期和频率；但频谱分析仪还 可以分析信号的频率分布信息、频率、功率、谐波、杂波、 噪声、干扰和失真，而矢量分析仪可以在频谱分析仪基础上 分析数字调制信号调制质量。
是频率。幅度已经得出，而频率和幅度要对应起来，在某一频率是什么幅 度。 如何与幅度对应起来。其实很简单。它是通过本振与扫描电压对应 起来的。本振是一个压流振荡器。本振信号是个扫描信号。扫描控制是由 扫描控制器来完成的。它同时控制显示器的横坐标。从左到右当扫描电压 在OV时，在显示器上是0点，对本振信号来说是F1点，即起始频率点。当扫描电 压到10V时，在显示器上是终止频率点，本振电压就是在终止频率点，中 间是线性的。通过这样的方法，使得显示器坐标的每一点与本振F1、F2的
频谱分析仪的工作原理和使用方法
观察并分析信号的幅度(电压或功率)与频率的关系，它 能够获取时域测量中所得不到的独特信息。例如谐波 分量，寄生信号，交调、噪声边带。最典型的频域信 号分析是测量调制，失真和噪声。通常进行信号频域 分析的仪器就是频谱分析仪。
1.2频域分析
调调制制 失失真真
.
噪噪声声
1.2频域分析
第三本振 300MHz
带宽滤波器
检波器
扫描发生器
显示器
2.3 基波及谐波混频
如果希望扩展频谱仪的工作频率范围，必须加 宽第一本振的调谐或扫频范围，只得增加本振 的频段和插件数目。这种基波混频方式虽然有 好处，但是设备繁复，不经济。实际上完全可 以利用本振的谐波来与信号混频，从而大大扩 展工作频段。
3.4 边带噪声 (相位噪声)
3.5 自适应关系
频谱分析仪的工作原理和使用方 法
3.6 动态范围 3.7 灵敏度 3.8 视频带宽(VBW) 3.9 信号/失真 3.10 信号/噪声 4 频谱分析仪的测量准确度 4.1 频率测量准确度 4.2 幅度测量准确度 5 频谱分析仪使用中应注意的
频谱分析仪(频谱仪)是信号频域特性分析的重 要工具。它将一个由许多频率分量组成复杂的 信号分解成各个频率分量。每一个频率分量的 电平被依次显示出来。
频域分析测量有许多独特的优点。用频谱分析 的方法很容易测量一个信号频率，功率，谐波 分量，调制假信号和噪声等。
1.2频谱仪的发展
30年代末期，第一代扫频式频谱仪诞生。 60年代末期，可以为频谱仪提供频率和幅度的校准，
目前，信号分析主要从时域，频域和调制域三 个方面进行。
1 概述
Amplitude (power)
(工作分析)频谱分析仪工作原理和应用
（工作分析）频谱分析仪工作原理和应用频谱分析仪工作原理和应用《频谱分析仪工作原理和应用》原始文档本章除了说明频谱分析仪工作原理、操作使用说明之外，也将其应用领域范围作详细的介绍，尤其应用于天线特性的量测技术将有完整说明。
本章的内容包括：本章要点1-1概论1-2频谱分析仪的工作原理1-3频谱分析仪的应用领域实习一频谱分析仪1-1概论就量测信号的技术观之，时域方面，示波器为一项极为重要且有效的量测仪器，它能直接显示信号波幅、频率、周期、波形与相位之响应变化，目前，一般的示波器至少为双轨迹输出显示装置，同时也具有与绘图仪连接的 IEEE-488、IEEE-1394 或 RS-232 接口功能，能将屏幕上量测显示的信息绘出，作为研究比较的依据，但它仅局限于低频的信号，高频信号则有其实际的困难。
频谱分析仪乃能弥补此项缺失，同时将一含有许多频率的信号用频域方式来呈现，以识别在各个频率的功率装置，以显示信号在频域里的特性。
图 1.1 说明方波在时域与频域的关系，此立体坐标轴分别代表时间、频率与振幅。
由傅立叶级数(Fourier Series)可知方波包含有基本波(Fundamental Wave)及若干谐波(Harmonics)，信号的组合成份由此立体坐标中对应显示出来。
低频时，双轨迹模拟与数字示波器为目前信号时域的主要量测设备，模拟示波器可量测的输入信号频率可达 100 MHz，数字示波器有 100 MHz 与 400（或 500）MHz 等多种。
屏幕上显示信号的意义为横轴代表时间，纵轴代表信号电压的振幅，用示波器量测可得到信号时间的相位及信号与时间的关系，但无法获知信号失真的数据，亦即无法获知信号谐波分量的分布情况，同时量测微波领域(如 UHF 以上的频带)信号时，基于设备电子组件功能的限制、输入端杂散电容等因素，量测的结果无可避免地将产生信号失真及衰减，为解决量测高频信号上述的问题，频谱分析仪为一适当而必备的量测仪器，频谱分析仪的主要功能是量测信号的频率响应，横轴代表频率，纵轴代表信号功率或电压的数值，可用线性或对数刻度显示量测的结果。
频谱仪原理
在频谱分析仪中，频率分辨率是一个非常重要的概念，它是由中频滤波器的带宽所确定的，这个带宽决定了仪器的分辨带宽。例如，滤波器的带宽是100KHZ。那么谱线频率就有100KHZ的不定性，也即在一个滤波器的带宽频率范围内，出现了两条谱线的话，则仪器不能检出这两条谱线，而只显示一条谱线，此时仪器所反映的谱线电平（功率）是这两条谱线的电平功率的叠加。因此会出现测量误差。所以，对于两条紧密相关的谱线，其分辨力取决于滤波器的带宽。
2、 视频滤波器
检波器输出端往往存在直流分量和交流分量，直流分量代表着中频带宽内存在的能量，所以通过视频滤波器可达到提取直流分量去除一些交流分量，这样能给出更稳定的无噪声输出。采用宽带滤波器时噪声的波动较大，采用窄带滤波器时波动显著减少，两者的噪声平均值却一样，也就是说滤波器不会降低平均噪声电平，但能减少噪声的峰值电平。因而能暴露出用较宽视频滤波器不能看到的低电平信号。但在某些情况下，如分析一些特殊的噪声信号时，我们则需要较宽的视频滤波器带宽，以便观察和分析，所以我们可根据不同的情况来设置视频滤波器的带宽。
视频滤波器的带宽和分辨带宽的关系是：检波前的噪声可以通过较窄的分辨带宽来降低，从而降低检波器的噪声输出电平；检波后的噪声则通过窄带视频滤波器来平滑减少噪声波动，但不能降低噪声的平均功率电平。
频谱仪分辨率带宽、视频带宽辨析和设置
在测量无线信号系统指标中，常常要用到频谱仪，为了使测量结果准确，在频谱仪的使用上常涉及到一个分辨带宽设置的问题。要弄清这个问题，得要知道一些频谱仪的基本原理。图1是频谱仪的基本原理框图。图中的中频频率（输入信号通过与本振信号的和频或差频产生），本振受斜波发生器的控制，在斜波发生器的控制下，本振频率将从低到高的线性变化。这样在显示时，斜波发生器产生的斜波电压加到显示器的X轴上，检波器输出经低通滤波器后接到Y轴上，当斜波发生器对本振频率进行扫描时显示器上将自动绘出输入信号的频谱。检波器输出端的低通滤波器称为视频滤波器，用在分析扫描时对响应进行平滑。
频谱分析仪之基本原理
2.6 其他组件
• 本地振荡器 ： 是一个压控振 荡器，其振荡频率随着扫描 发生器输出电压的变化而成 比例的变化。本振为全频率 合成，精确至1Hz，可以配合 混频器形成固定频率的中频 信号。扫描发生器也控制着 显示屏的水平偏转。 • 射频输入衰减器: 位于射频输 入连接器和第一级混频器之 间，用于调节输入到第一级 混频器的信号的电平。增加 它的值可以防止由高电平信 号和宽带信号引起的混频器 增益压缩和增益失真。
2.4 探测器
• 探测器把IF信号转换为基带或 视频信号，用来控制显示器的 Y轴偏转。 • 探测模式 －最大值模式 －最小值模式 －取样模式 －普通模式 其中普通模式是前三种模式的 综合运用。
2.4 探测器
探测模式的详细表述：
• • • • 最大值模式：取每一个跟式：取每一个跟踪单元（“BINS”）中的信号最小值 取样模式：取每一个跟踪单元（“BINS”）端点处的信号值。 普通模式：根据每一个跟踪单元（“BINS”）中信号的特点，交替使用前三 种模式
2.6 其他组件
• 中频增益：位于混频器后面， 中频滤波器前面，用于调节 信号在显示屏上垂直方向的 位置。 • 中频增益与射频输入衰减器 相连，衰减系数增大时增益 系数也变大，反之亦然，以 保持信号在显示屏上的稳定。 所以增大输入衰减会改善中 频增益的谐波、交调失真等， 减小测试系统失真。但是增 大衰减也带来了系统噪声， 因此一定要设定在一个合适 值。
2.3 中频滤波器
• 四种类型滤波器的理想传输曲线
低通滤波器
高通滤波器
带通滤波器
带阻滤波器
2.3 中频滤波器
• 中频滤波器是一个带通滤波 器，我们利用它的通频窗口来 探测信号。其通频带称作频 谱分析仪的判决带宽 （resolution bandwidth,RBW） 可通过控制面板进行调整。 • 从理论上来说，RBW越窄， 频谱仪的分辨率就越高，灵 敏度越高，如右图所示，但 扫描速度和跟踪更新速率会 随之下降。实际测量时RBW 的选择取决于被测信号的特 性。