【VIP专享】频谱分析仪动态范围与信号测量精度
频谱分析仪基础知识-性能指标及实用技巧
频谱分析仪基础知识性能指标及实用技巧频谱分析仪是用来显示频域信号幅度的仪器，在射频领域有“射频万用表”的美称。
在射频领域，传统的万用表已经不能有效测量信号的幅度，示波器测量频率很高的信号也比较困难，而这正是频谱分析仪的强项。
本讲从频谱分析仪的种类与应用入手，介绍频谱分析仪的基本性能指标、操作要点和使用方法，供初级工程师入门学习；同时深入总结频谱分析仪的实用技巧，对频谱分析仪的常见问题以Q/A的形式进行归纳，帮助高级射频的工程师和爱好者进一步提高。
频谱分析仪的种类与应用频谱分析仪主要用于显示频域输入信号的频谱特性，依据信号处理方式的差异分为即时频谱分析仪和扫描调谐频谱分析仪两种。
完成频谱分析有扫频式和FFT两种方式：FFT适合于窄分析带宽，快速测量场合；扫频方式适合于宽频带分析场合。
即时频谱分析仪可在同一时间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号设置相对应的滤波器与检知器，并经由同步多工扫瞄器将信号输出至萤幕，优点在于能够显示周期性杂散波的瞬时反应，但缺点是价格昂贵，且频宽范围、滤波器的数目与最大多工交换时间都将对其性能表现造成限制。
扫瞄调谐频谱分析仪是最常用的频谱分析仪类型，它的基本结构与超外差式接收器类似，主要工作原理是输入信号透过衰减器直接加入混波器中，可调变的本地振荡器经由与CRT萤幕同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，再将混波器与输入信号混波降频后的中频信号放大后、滤波与检波传送至CRT萤幕，因此CRT萤幕的纵轴将显示信号振幅与频率的相对关系。
基于快速傅立叶转换（FFT）的频谱分析仪透过傅立叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，进而达到与传统频谱分析仪同样的结果。
新型的频谱分析仪采用数位方式，直接由类比/数位转换器（ADC）对输入信号取样，再经傅立叶运算处理后而得到频谱分布图。
频谱分析仪透过频域对信号进行分析，广泛应用于监测电磁环境、无线电频谱监测、电子产品电磁兼容测量、无线电发射机发射特性、信号源输出信号品质、反无线窃听器等领域，是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具，特别针对无线通讯信号的测量更是必要工具。
频谱分析仪检测电路信号质量
频谱分析仪检测电路信号质量频谱分析仪有许多功能，能察觉元件在电路中的变化，分析其频率响应来说明电路特性；也能测量信号强度，对信号失真有帮助；也能测量频率占有率，防范邻近信号干扰；并且是兼具计频器与功率计的仪器。
日常生活里充斥频谱(Spectrum)的概念，各种不同频率信号以机率分配方式存在。
在一般时域分析(Time-domain Analysis)中，很容易从时间轴上观察到任何信号波形变化事件，只要用示波器测量，就能看出任何具有时间函数的电子信号事件的瞬间物理量。
频谱分析仪的发展起源，从早期通信系统上频率测量开始，为实现以频率为基准点，在频域上检测信号而研发的仪器，广泛用于测量通信系统的各种重要参数，如平均噪声位准(Average Noise Level)、动态范围(Dynamic Range)、频率范围(Frequency Range)等。
此外还可用在时域测量，如测量传输输出功率等。
从功能面看，一般计频器只能测量信号频率，功率计能测量信号功率，频谱分析仪可视为兼具计频器与功率计的测量仪器(表1，*：指模拟解调)。
频谱分析与时域分析相辅相成如要理清信号特性，除使用示波器从时域(Time Domain)观察信号外，需从频率的角度，简称频域(Frequency Domain)去分析信号。
用示波器观察信号无法一窥全貌，只能看到组成后的波形。
法国数学家傅立叶(Jean-Baptiste-Joseph Fourier)认为，任何时域上的电子信号现象，皆由多组适当的频率、振幅与相位的弦波信号(Sine Wave)组成。
因此，任何有适当滤波功能的电子系统，必可将信号波形分解成多个分别不同的弦波或频率，不同弦波则由其所具有的振幅与相位来决定信号特性。
换言之，借由这种组成分析，可将弦波信号由时域转为频域。
对无线射频(RF)与微波信号而言，不加入分析要素时，保留相位信息往往会使转换过程变得复杂，因此要设法隔离相位信息。
频谱仪检定规程
频谱分析仪检定规程目录：1 范围 (2)2 概述 (2)3 计量器具控制 (2)3.1 首次检定、后续检定和使用中检验 (2)3.2 检定条件 (2)3.3 检定用设备 (2)4 检定项目和检定方法 (6)4.1 外观及工作正常性检查 (6)4.2 参考频率的检定 (6)4.3 频率读数准确度的检定 (7)4.4 游标计数准确度的检定 (8)4.5 扫频宽度的检定 (9)4.6 噪声边带的检定 (11)4.7 系统相关边带的检定 (13)4.8 剩余调频的检定 (14)4.9 扫描时间的检定 (17)4.10 显示刻度保真度的检定 (19)4.11 输入衰减器开关/切换不确定度的检定 (23)4.12 参考电平准确度的检定 (25)4.13 分辨率带宽转换不确定度的检定 (27)4.14 绝对幅度准确度（参考设置）的检定 (29)4.15 完整的绝对幅度准确度的检定 (31)4.16 分辨率带宽准确度的检定 (33)4.17 频率响应的检定 (34)4.18 其他输入相关杂散相应的检定 (38)4.19 杂散响应（包括三阶交调失真与二次谐波失真）的检定 (42)4.20 增益压缩的检定 (48)4.21 平均显示噪声电平的检定 (50)4.22 剩余响应的检定 (55)4.23 快速时域幅度准确度的检定 (56)4.24 跟踪发生器绝对幅度和游标准确度的检定（只针对选件1DN/1DQ） (57)4.25 跟踪发生器电平平坦度的检定 (58)1 范围本规程适用于新制造、使用中和修理调整后，频率分析范围在30H z-26.5G Hz的频谱分析仪的检定。
本规程以Angilent ESA系列为例，其它型号的频谱分析仪可参照执行。
2 概述频谱分析仪是一种带有显示装置的超外差接收设备，由预选器、扫频本振、混频、中放、滤波、检波、放大、显示等部分组成。
主要用于频谱分析，也可用于测量频率、电平、增益、衰减、调制、失真、抖动等，是通信、广播、电视、雷达、宇航等技术领域中不可缺少的仪器。
信号分析测量基础原理 (优化测量本底噪声、分辨率带宽、动态范围等)
是德科技信号分析测量基础原理优化本底噪声、分辨率带宽等应用指南引言对射频工程师来说，在其产品生命周期的各个阶段，都会用到一种基本而又不可或缺的测量工具：频谱分析仪或信号分析仪。
仪器的关键指标，比如性能、精度和速度等，可协助研发工程师提升设计质量，并有助于制造工程师提高测试效率和产品质量。
本文提供了多种技术方法，旨在帮助您轻松驾驭各种应用场景中的信号分析。
重点是在保证速度和效率的前提下，协助您优化测量本底噪声、分辨率带宽、动态范围、灵敏度等属性。
“信号分析仪”通常是指具有以下特征的仪器：采用频谱分析仪架构和全数字中频（IF）区段，以复杂矢量方式处理信号，实现数字调制分析与时间捕获等多域操作。
关于频谱分析仪、信号分析仪，以及它们的使用方法，可参阅是德科技应用指南 150：《频谱分析基础》。
提升测量精度的各种设置了解信号分析仪的固有精度和鉴别被测器件（DUT ）连接通道中的误差源，对于优化测量精度非常重要。
良好的测量方法和实用的分析仪功能可以减少错误的发生，并且缩短测试时间。
利用数字中频技术，特别是在经过内部校准和校正的改进之后，可以实现高水平的基本精度。
例如自带的修正功能和可高度重复的数字滤波器可以让用户在测量期间自由的更改设置，并且基本上不会影响到测试的可重复性。
典型的示例包括分辨率带宽、量程、参考电平，中心频率和扫宽。
当 DUT 连接至经过校准的分析仪后，信号传递网络（图 1）可能会出现减损，或者致使被测信号发生改变。
只有对这些效应进行适当修正或补偿，才能确保最佳精度。
您可以通过一种方便、有效的方法来实现，那就是利用分析仪的内置幅度修正功能，并且与信号源和功率计结合使用。
DUT- Cables- Adapters- NoiseShift reference planeSignal-delivery networkSpectrum analyzer图 1. DUT 与分析仪的连接质量对测量精度和可重复性有很大影响。
频谱分析仪基础知识
频谱分析仪基础知识一、频谱分析仪概述频谱分析仪是一种用于测量信号频率和功率的仪器。
它可以将输入信号转换为频率谱，以图形方式显示信号的频率成分。
频谱分析仪广泛应用于电子、通信、雷达、声音和医疗等领域。
二、频谱分析仪工作原理频谱分析仪的工作原理是将输入信号通过混频器与本振信号进行混频，得到中频信号，再经过中频放大器放大后送入检波器进行解调，最后通过显示器将频率谱显示出来。
三、频谱分析仪主要技术指标1、频率范围：指频谱分析仪能够测量的频率范围。
2、分辨率带宽：指能够分辨出的最小频率间隔。
3、扫描时间：指从低频到高频一次扫描所需的时间。
4、灵敏度：指能够检测到的最小信号幅度。
5、非线性失真：指由于仪器内部非线性元件所引起的信号失真。
6、动态范围：指能够同时测量到的最大和最小信号幅度。
7、抗干扰能力：指仪器对外部干扰信号的抵抗能力。
四、频谱分析仪使用注意事项1、使用前应检查仪器是否正常，如发现异常应立即停止使用。
2、避免在强电磁场中使用，以免影响测量结果。
3、使用过程中应注意避免信号源与仪器之间的干扰。
4、使用完毕后应关闭仪器，并妥善保管。
五、总结频谱分析仪是电子、通信等领域中非常重要的测量仪器之一。
它可以将输入信号转换为频率谱，以图形方式显示信号的频率成分。
在使用频谱分析仪时，应注意检查仪器是否正常、避免在强电磁场中使用、避免信号源与仪器之间的干扰以及使用完毕后应关闭仪器等事项。
了解频谱分析仪的工作原理及主要技术指标，对于正确使用它进行测量和调试具有重要意义。
随着科技的快速发展，频谱分析在电子、通信、航空航天等领域的应用越来越广泛。
频谱分析仪作为频谱分析的核心工具，在科研和工业生产中发挥了重要的作用。
本文将介绍频谱分析原理、频谱分析仪使用技巧，以及如何根据输入的关键词和内容撰写文章。
频谱分析是指将信号分解成不同频率的正弦波成分，并分析这些成分的幅度、相位、频率等特性的一种方法。
频谱分析可以用于测量信号的频率范围、识别信号中的谐波成分、了解信号的调制方式和判断信号的来源等。
史上最好的频谱分析仪基础知识(收藏必备)
频谱分析是观察和测量信号幅度和信号失真的一种快速方法，其显示结果可以直观反映出输入信号的傅立叶变换的幅度。
信号频域分析的测量范围极其宽广，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。
频谱分析实质上是考察给定信号源，天线，或信号分配系统的幅度与频率的关系，这种分析能给出有关信号的重要信息，如稳定度，失真，幅度以及调制的类型和质量。
利用这些信息，可以进行电路或系统的调试，以提高效率或验证在所需要的信息发射和不需要的信号发射方面是否符合不断涌现的各种规章条例。
现代频谱分析仪已经得到许多综合利用，从研究开发到生产制造，到现场维护。
新型频谱分析仪已经改名叫信号分析仪，已经成为具有重要价值的实验室仪器，能够快速观察大的频谱宽度，然后迅速移近放大来观察信号细节已受到工程师的高度重视。
在制造领域，测量速度结合通过计算机来存取数据的能力，可以快速，精确和重复地完成一些极其复杂的测量。
有两种技术方法可完成信号频域测量（统称为频谱分析）。
1．FFT分析仪用数值计算的方法处理一定时间周期的信号，可提供频率；幅度和相位信息。
这种仪器同样能分析周期和非周期信号。
FFT 的特点是速度快；精度高，但其分析频率带宽受ADC采样速率限制，适合分析窄带宽信号。
2．扫频式频谱分析仪可分析稳定和周期变化信号，可提供信号幅度和频率信息，适合于宽频带快速扫描测试。
v1.0 可编辑可修改图1 信号的频域分析技术快速傅立叶变换频谱分析仪快速傅立叶变换可用来确定时域信号的频谱。
信号必须在时域中被数字化，然后执行FFT算法来求出频谱。
一般FFT分析仪的结构是：输入信号首先通过一个可变衰减器，以提供不同的测量范围，然后信号经过低通滤波器，除去处于仪器频率范围之外的不希望的高频分量，再对波形进行取样即模拟到数字转换，转换为数字形式后，用微处理器（或其他数字电路如FPGA,DSP）接收取样波形，利用FFT计算波形的频谱，并将结果记录和显示在屏幕上。
频谱分析仪校准指南
频谱分析仪校准指南频谱分析仪的校准是保证其准确性和可靠性的关键。
频谱分析仪校准的目的是调整仪器的参数，使其输出符合已知的标准，同时消除仪器自身的误差。
本文将提供一份频谱分析仪校准的指南，帮助您正确进行频谱分析仪的校准。
第一步：准备工作首先，您需要查看频谱分析仪的用户手册，了解校准的具体步骤和要求。
确保您具备所有必要的校准设备，如标准信号源、功率计、频率计等。
确保仪器和校准设备处于稳定的温度和湿度环境下。
第二步：校准前的检查在进行校准之前，您需要进行仪器的基本检查。
确保仪器无损坏或磨损的零件，并清洁仪器的显示屏和控制面板。
检查仪器的电源线是否连接良好，并检查所有的连接器和接口。
第三步：校准输入信号首先，您需要校准频谱分析仪的输入信号。
连接标准信号源和频谱分析仪，将标准信号源的输出调整到所需的频率和功率水平。
然后，使用频率计和功率计来测量标准信号源的频率和功率，确保其与频谱分析仪显示的数值一致。
第四步：校准频率响应频谱分析仪的频率响应是指仪器对不同频率的响应程度。
为了校准频率响应，您需要使用一系列的标准信号源，在不同的频率下进行测量。
将标准信号源的输出调整到不同的频率，然后使用频谱分析仪测量输出信号的幅度。
将测量值与标准值进行比较，如果存在差异，则进行相应的调整，直到仪器的频率响应符合标准要求。
第五步：校准幅度响应频谱分析仪的幅度响应是指仪器在不同功率水平下的响应程度。
为了校准幅度响应，您需要使用一系列的标准功率源，在不同功率水平下进行测量。
将标准功率源的输出调整到不同的功率，然后使用频谱分析仪测量输出信号的幅度。
将测量值与标准值进行比较，如果存在差异，则进行相应的调整，直到仪器的幅度响应符合标准要求。
第六步：校准分辨率带宽频谱分析仪的分辨率带宽是指仪器分辨信号频率的能力。
为了校准分辨率带宽，您需要使用一系列的标准信号源，在不同的频率下进行测量。
将标准信号源的输出调整到不同的频率，然后使用频谱分析仪测量输出信号的幅度。
频谱分析仪的主要性能指标
频谱分析仪的主要性能指标不同品种的频谱仪其技术参数不完全相同。
对于使用者来说，主要了解频率范围、扫描宽度、扫描时间、测量范围、灵敏度、分辨率及动态范围等。
1、频率范围频率范围指频谱仪能达到规定性能的频率区间。
现代频谱仪的频率范围通常从低频段到射频段、微波段，如0.15?1050MHz、30Hz?26.5GHz。
频率指中心频率，即位于显示频谱宽度中心的频率。
2、扫描宽度扫描宽度又称分析谱宽、扫宽、频率量程、频谱跨度等，指频谱仪在一次分析过程中所显示的频率范围，扫描宽度与分析时间之比就是扫频速度。
3、扫描时间扫描时间也称分析时间，指进行一次全频率范围的扫描并完成测量所需要的时间。
一般都希望测量速度越快越好，即扫描时间越短越好，但扫描时间与许多因素有关，过小会影响测量精度。
目前很多频谱仪有多挡扫描时间可选择，应选择适当的扫描时间进行测量。
4、测量范围测量范围指在任何环境下可以测量的信号与小信号的间隔。
可以测量的信号上限由安全输入电平决定（参考值30dBm(1W))，可以测量的信号下限由灵敏度决定（参考值-135?-115dBm)，且和频谱仪的小分辨带宽有关，由此推断，测量范围参考值在145?-165dBm。
5、灵敏度灵敏度指频谱仪测量微弱信号的能力，定义为显示幅度满度时，输入信号的小电平值。
灵敏度与扫速有关，扫速越快，动态幅频特性峰值越低，灵敏度越低6、分辨率分辨率指分辨频谱中两个相邻分量之间的小谱线间隔，表征仪器能够把靠得很近的两个谱线区分开来的能力。
频谱仪显示的每条谱线实际是窄带滤波器的动态幅频特性曲线，故频谱仪的分辨率主要取决于窄带滤波器的通频带宽度，因此定义窄带滤波器幅频特性的3dB带宽为频谱仪的分辨率。
很明显，若窄带滤波器的3dB带宽过宽，可能使两条谱线都落入滤波器的通频带，此时，频谱仪无法分辨这两个分量。
7、动态范围动态范围指能以规定的准确度测量同时出现在输入端的两个信号之间的差值。
动态范围上限受非线性失真的制约。
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这三者作用的范围有些不同，剩余响应根据各个系统设计的不同而不一样，在全频段内 都有可能产生；当大信号和小信号距离比较近的时候（小于 1MHz）主要是相噪限制了动态 范围；当大信号和小信号距离比较远的时候（大于 1MHz）主要是底噪限制了动态范围。如 下图 3 所示这三者各自影响距离不同：
图表 3 RBW、Phase Noise 和 DANL 影响信号的情况
限制频谱仪动态范围的下限为频谱仪内部的噪声和失真，包括剩余响应、相噪和显示平 均噪声电平。剩余响应是由于放大器和混频器等非线性器件的作用下会产生一些额外的信号 混在中频里面，这些信号无法被抗混叠滤波器滤掉，如果这些信号幅度过大则会产生虚假信 号影响测量。相噪是由于本振的抖动在频域的表现。显示平均噪声电平是由于模拟器件在工 作的时候会产生一定的噪声，在信号链路上的各个器件都对噪声有贡献，这些噪声都累加起 来就是频谱仪的底噪。
图表 6 DSA1030A 的各种动态范围
DANL and distorion products relative to mixer level(dB)
0
-10
TOI
SHI
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
DANL RBW=10kHz
-90
DANL RBW=1kHz
-100
-110 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 Mixer Level(dBm)
首先了解一下频谱仪中几个范围的概念。 显示范围是指在屏幕中能够显示的范围，频谱仪一般有十个网格，每格最大为 20dB， 则显示范围最大为 200dB。早期模拟的频谱仪由于受对数放大器的限制显示范围一般只有 85dB，现在采用数字中频技术显示范围达到 120dB。 测量范围是指能够测量的最大信号和最小信号，频谱仪最大能够测量信号一般是 30dBm，最小能够测量的信号为机器本身的噪声即显示平均噪声电平。 频谱分析仪的动态范围是指在一次测量中能够同时测量出最大信号和最小信号差值的 大小。频谱仪的动态范围是否就是频谱仪的测量范围呢？答案是否定的，那影响频谱仪动态 范围的因素有哪些呢？ 限制频谱仪动态范围的上限为频谱仪内部的失真，包括 1dB 压缩、谐波失真和三阶互 调失真。频谱分析仪的射频前端有很多非线性器件（例如放大器和混频器），当信号通过这 些非线性器件时可能会产生失真。1dB 压缩点是把信号经过非线性器件，当输入信号逐渐增 大到达器件的非线性区时输出不再是线性的，当输出信号大于输入信号 1dB 时，称该输入 为 1dB 压缩点，如图 1 所示。谐波失真是当放大器输入信号频率为 F1，则放大器会产成二 次谐波 F2，如果在 2*F1 处有一个信号，则会干扰该信号。三阶互调是当放大器输入两个信 号（F1 和 F2）频率很接近（例如 200KHz），幅度一样，由于放大器的非线性会造成多产生 两个信号 2F1-F2 和 2F2-F1，这两个信号就是三阶互调失真，如图 2 所示。
图表 4 RBW 与 DANL 的关系
图表 5 衰减器、PA 与 DANL 的关系 DANL 与中频滤波器带宽和衰减器的大小是有关系的，所以在各个厂家数据手册中提到 DANL 这个指标时需要注明在该指标下中频滤波器带宽和衰减器的大小。特别是中频滤波器 带宽的大小如果没有特别说明默认是 1Hz。这个时候需要特别注意的是该频谱仪的中频滤波 器的最小带宽是否能够达到 1Hz，如果不是则实际测量的时候无法测到其标称的信号。假设 数据手册上只写着 DANL 为-140dBm，且中频滤波器带宽最小值为 1kHz，根据上面的公式可 知该频谱仪最小能够测到-110dBm 的信号，而不是标称的-140dBm。 DSA1030A 的各种动态范围如图 6 所示。
频谱分析仪动态范围与信号测量精度
频谱仪在频域测量的独特优势使其在信号测量的应用极其广泛。但在面对各种各样复杂 的应用时，如果使用频谱仪不当，则会带来测量的误差。如何提高测量精度是使用频谱仪测 量信号的关键，本文通过研究频谱分析仪的动态范围来揭秘如何合理的进行测量信号。目前 扫频协调频谱分析仪应用比较的广泛，本文重点讨论扫频调谐频谱分析仪的动态范围。
Out
理论输出 1dB
实际输出
In
图表 1 信号输入和输出 1dB 压缩的关系
f1
f2
2f1-f2
2f2-f1
f
图表 2 三阶互调失真
从二次谐波和三次谐波的数学模型上可以得出，当 F1 信号功率变化 1dB，则二次谐波 变化 2dB，三次谐波变化 3dB。同样在三阶互调失真中 F1 和 F2 信号变化 1dB，则 2F1-F2 和 2F2-F1 变化 3dB。根据这个特性可以通过减小输入信号来改善动态范围，将输入信号 F1 功 率减小 1dB，则二次谐波减小 2dB，则二次谐波的动态范围增加 1dB；同样同时把 F1 和 F2 输入功率减小 1dB，则三阶互调产物会减小 3dB，则三阶互调失真的动态范围增加 2dB。而 通常输入信号是有要求的不能随便变小，通过研究频谱仪模型和工作原来，则可以通过增大 频谱仪衰减器的办法来实现改善动态范围。具体关系见图 7。
剩余响应和相噪主要是在方案设计和器件选型就已经决定了，所以当频谱仪已经设计好 了之后要通过抑制剩余响应和相噪来提高其动态范围就比较的困难。下面着重分析显示平均 噪声电平对动态范围的影响。
LDAN
174dBm 10 log BWRBW Hz
NFSA
NFSA 10log F
ห้องสมุดไป่ตู้ F
F1
F2 1 G1
F3 1 G1G2
F4 1 G1G2G 3
...
Fn 1
n1
Gi
i 1
其中 BW 为中频滤波器带宽，NF 为噪声系数，F 为各级的噪声，G 为各级的增益。 由上式可以得出当 BW 变小为原来的 1/10,DANL 变小 10dB，动态范围变大 10dB，如图 4 所示；当 NF 减小 10dB，DANL 跟着变小 10dB，动态范围变大 10dB，如图 5 所示。具体总 的关系见图 7。故可以通过减小中频滤波器带宽和减小衰减器来提高频率分析仪的动态范 围。