频谱分析仪中频带宽的设计
频谱仪带宽的正确设置
频谱仪带宽的正确设置在测量一些CATV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。
图1 频谱分析仪原理框图1、分辨带宽在频谱分析仪中，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。
图2我们以测量载波电平为例，对仪器的分辨带宽设置加以比较，图2是分辨带宽分别是（由下到上）30KHZ、300KHZ、3MHZ的频谱曲线（输入为单个载波信号），在设置分辨带宽时，我们考虑的是仪器是否能充分响应输入信号时有足够的带宽，正确的方法是展宽滤波器的带宽，当在屏幕上观察到信号载波幅度不再增加时，就表示中频滤波器对输入信号的响应已有足够的带宽了。
在图中我们看到，当分辨带宽在300KHZ到3MHZ变化时，显示的信号幅度没有变化，这就可以认为300KHZ带宽已经足够了。
另外，分辨带宽在300KHZ和3MHZ之间设置时，对于单个载波情况下的信号幅度没有变化，但是在实际测。
频谱分析仪的使用流程
频谱分析仪的使用流程1. 准备工作在使用频谱分析仪之前，需要进行一些准备工作，以确保设备的正常使用和测试的准确性。
•确保频谱分析仪已经连接好电源，并且开启了相应的开关。
•检查连接电缆是否牢固，并正确连接到被测试设备或信号源。
•如有需要，根据测试需求，选择合适的天线进行连接或调整。
2. 设定参数在开始测试之前，需要设定一些参数，以满足特定的测试需求。
以下是一些常见的参数设定：•中心频率：确定测试的中心频率，一般以赫兹（Hz）为单位。
•带宽：设定测试的频带宽度，用于限定测试的频率范围。
•采样率：确定在给定的带宽内进行频谱采样的速率，一般以赫兹为单位。
•分辨率带宽：控制分析仪在频域中分辨信号的精细度，较小的分辨率带宽可以获得更高的精确度，但会增加测试时间。
•反射损耗：如果测量无线电设备的发射功率，可以设定反射损耗来准确测量功率。
3. 进行测试设定完参数后，可以开始进行频谱分析仪的测试了。
以下是一些常用的测试步骤：1.启动频谱分析仪，并等待设备进行自检。
2.根据测试需求，设置相应的测量模式。
3.根据设备或信号源的要求，调整测试的频率范围。
4.开始测试，并观察频谱分析仪的显示结果。
5.如有需要，进行数据记录或保存。
4. 结果分析测试完成后，需要对测试结果进行分析，以获取有用的信息。
以下是一些常用的分析方法：•频谱图分析：观察频谱图，识别出频谱中的主要信号和噪声，分析它们的特点和属性。
•频率测量：利用频谱分析仪测量信号的准确频率，并进行频率误差分析。
•功率测量：通过观察频谱图中信号的强度，可以进行功率测量和功率误差分析。
•频谱占用分析：分析频谱中不同信号的占用情况，判断信号是否超出了规定的频带宽度。
5. 故障排除在测试过程中，可能会遇到各种各样的问题。
以下是一些常见的故障排除方法：•检查设备的连接是否正确，包括电源连接和信号连接。
•检查设备的参数设定是否合适，如果有需要，重新设定参数。
•检查设备是否受到其他无线电设备或环境干扰，尝试重新放置设备或更换测试位置。
仪器带宽释义
《信息通信技术与政策》2019 年 4 月第 4 期
（7）电压表带宽
指检波器之前的低通滤波
器带宽，其结构和作用与示波器
类似。
（8）音频分析仪带宽
通常是指内部接收机模拟前
端的低通滤波器-3dB 带宽，与上述
示波器类似。另外，因为音频分析
仪内置音频信号源和音频接收机，
定义音频分析带宽是，有时分别定
图 5 示波器输入频率响应示例
·84·
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等于最大 IQ 分析带宽。实时频谱的频点间隔，对应分
宽近乎指数上升。那么，示波器带宽的意义和作用是
辨率带宽 RBW，由实时分析带宽、采样率、采样点数和
什么？
数字滤波器决定。
实时频谱分析带宽可以人工设置，不大于最大带
宽，对应不同的 ADC 采样率设置。
（4）网络分析仪带宽
网络分析仪用带宽设置，S 参数测量时，主要是
□Information and Communications Technology and Policy No.4
R&S TECHNOLOGY COLUMN
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罗德与施瓦茨技术专栏
仪器带宽释义
陈 峰
1
引言
的视频滤波器带宽，位于二极管之后的低通滤波器的
一 致 。 例 如 ，测 量 接 收 机 中 ，模 拟 中 频 滤 波 器 带 宽
带宽（VBW）。
IFBW，解调带宽 DBW，FFT 分辨率带宽 RBW。EMI 接
收机的基本单位是电压 dBμV，其中频带宽、分辨率带
频谱分析仪操作规程
频谱分析仪操作规程一、设置1 打开ON/OFF 开关2 设置频率范围，即图形界面的横坐标，选择按下正下方一排键中的FREQ/SPAN键，右上方的CENTER 键，此处设置为930MHZ,再选择频谱的宽度，此处可以选择7MHZ（频谱宽度的选择只要是能包含所要测试信号的所有频段，可根据情形而定）。
此处也可选择START 和STOP 键设置你所需要的起始和终止频率。
3 设置信号的振幅，即图形界面的纵坐标，按下最下排功能键AMPLITUDE 键，选择右上方REF LEVEL 设置参考电平值，此处设置为10dbm,然后按下SCALE 键设置电平值的间隔，此处可以取值为10db.然后在设置UNITS 键，单位为dbm,最后选中ATTEN 键，设置衰减值，此处的值选择手动设置，其值比参考电平的二倍大一些，如可以选择30.4 设置带宽参数，选中最下方的功能键中的BW/SWEEP 键，设置带宽参数值，选择RBW 键，设置扫描带宽的宽度，此处的值定要小于信号频点的最小间隔值，建议取值为30khz,如果仅测试一束波形，此处可以忽略设置。
二测试流程到此基本所需要的参数设置完毕，可以对信源进行测试啦，我们所要测试的数据主要从两点入手，（一）MU 侧信号电平值的测试1）测试HDL 输出地电平值，理论值趋近于0dbm,用双工头1/2 跳线于频谱仪的RF 口对接，打开频谱仪开关，按回车，在屏幕显示出波形图，再按回车，然后按MARKER 键，选中M1（此时M1 是出于ON 状态，其他的M 处于OFF 状态），再选择MARKER TO PEAK 键读取此时的峰值，就是你所要测试的信号电平值。
然后按下回车键正下方的SINGLE CONT 键锁定峰值，如需要可以将其保存下来，按下SAVE DISPLY 键将其保存为容易识别的名字。
以此类推，分别测试光模块的主备信号值，和从信号的电平值，测试光模块主备信号值时射频跳线接在IN 口对应点，测量从信号时射频线接在从光模块对应的IN（如有衰减器，测量时包含在内）口处，测试结果两者之间的差值在6db 左右。
频谱分析仪设置
ROHDE&SCHWARZ FSH3频谱分析仪100KHz….3GHz基本设置以及测试方法：以扫描800MHz频段CDMA网络283频点反向干扰为例。
（1到6为扫描仪设置部分）1.设置中心频率(指当前频谱仪的可测试频谱的中心频率)：按“FREQ”键，输入833.49MHz按“ENTER”键确定；按“MARKER”键输入833.49MHz按“ENTER”键确定。
（中心频率计算公式：前向f0=870+0.03*N,反向f=825+0.03*N，N为频点号；）2.设置带宽SPAN(指当前频谱仪的可测试的频谱宽度):按“SPAN”键输入2MHz按“ENTER”键确定。
3.输入信号衰减（ATT）(当有大信号输入时，需要对信号进行适当衰减，如果不衰减，频谱仪本身可能会产生大量互调分量，影响测试结果的准确性；另外，当直接在基站射频输出口测试时，不加衰减器会对频谱仪造成损坏。
):先按“AMPT”键、再按“F2”键，选择每格数值，同时自动对应衰减值ATT（初期干扰信号非常弱时选择“2dB/DIV”或“5dB/DIV”选项，通常选“5dB/DIV”；接近干扰源、干扰信号强度大时选“10dB/DIV”）。
4.REF LEVEL设置（显示屏幕所显示最大信号电平值）：按按“AMPT”键输入“适当的电平值”（根据干扰信号强度而设置大小，接近干扰源时设置的大一些，离干扰源远、干扰信号弱时设置小一些；例如：-90dBm、-60dBm等等）按“ENTER”键确定。
5.接收信号分辨带宽（RBW）(即频谱仪可以分辨的最小信号带宽，该参数设置越小，仪器的接收灵敏度越高，即仪器本身噪声越低)：先按“BW”键、再按“F1”键，输入100KHz 按“ENTER”键确定。
6.视频滤波带宽（VBW）(是指频谱仪混频后中频滤波器带宽，带宽越窄，曲线越平滑)：先按“BW”键、再按“F3”键，输入100Hz按“ENTER”键确定。
7.把接收天线（八木天线）连接到RF INPUT接口上。
数字中频式频谱仪的分辨率带宽设计
数字中频式频谱仪的分辨率带宽设计频谱分析仪按实现方式可分为模拟式和数字式两种，前者以模拟滤波器为基础，后者则以数字滤波器和FFT分析为基础。
相比之下，模拟式频谱分析仪不能获得实时频谱，且由于模拟滤波器会受到非线性、温漂、老化等影响，测量精度不高；而数字式频谱分析仪由于其基于数字滤波器，故而形状因子小，频率分辨率高，稳定性好，可以获得很窄的分析带宽，而测量精度较高；而且由于它基于高速ADC技术、数字信号处理技术、FFT分析等进行设计，因而具有多种谱分析能力。
随着现场可编程门阵列(FPGA) 器件、DSP器件等在芯片逻辑规模和处理速度等方面性能的迅速提高，数字式频谱仪的测量速度更快、实时性也更强。
在数字中频式频谱仪中，分辨率带宽滤波是数字中频处理模块设计的关键，它决定了频谱分析的有效信号带宽，同时表征频谱仪在响应中明确分离出两个输入信号的能力，是频谱仪的主要技术指标之一。
为了满足信号的实时性和精度要求，通常以高速A/D采样得到数字中频信号，但其数据率过高，故其成为数字处理的瓶颈。
一般需要使用数字正交解调技术将信号搬移至基带，然后通过多速率信号处理技术来设计抽取滤波器，以降低数据率，最终实现数字FIR滤波器。
本文采用数字下变频技术，并基于FPGA硬件设计数字中频处理模块，调用不同的IP核进行设计，同时采用参数可配置的结构来实现可变抽取率滤波器和分辨率带宽数字滤波器。
由于IP核是经过了严格的性能测试并且进行了优化，时序稳定，因而可以满足系统高速与实时性处理的要求。
1 数字下变频原理全数字中频处理技术是软件无线电中的关键技术之一，它主要应用于将中频信号下变频至基带信号，在降低采样率的同时，该技术可保证所需要的信号不被混叠，因而十分方便于后续更多基带信号处理技术的使用。
全数字中频技术包含数字正交解调技术和多抽样率信号处理技术两部分。
1.1 数字正交解调正交解调也称为正交变频，它主要通过数字混频实现，设输入中频信号为：其中，信号中心频率远大于信号带宽B，且信号的采样速率满足奈奎斯特定理，即f0>>B，fs>2B。
频谱仪带宽和检波器详解
频谱仪带宽和检波器详解频谱仪的设置中，带宽和检波器的设置⾮常重要，不同的设置带来不同的测试结果，⽤户在使⽤中如何正确设置？不同设置的读数差异如何理解？在前⽂《频谱仪基础功能使⽤技巧》中，简化介绍了频谱仪的参数设置。
本⽂进⼀步深⼊探讨频谱仪带宽和检波器的⼯作原理，帮助掌握频谱仪参数设置规则，从⽽理解测试结果的含义，及其不同参数设置带来的差异。
本⽂探讨的内容要点：频谱分析模式，未涉及宽带⽮量分析模式RBW定义、实现⽅法、扫描⽅式及其设置规则检波器定义、实现⽅法及其设置规则不同设置得到不同频谱读数的原因分析分辨率带宽RBW频谱仪分辨率带宽RBW，是指中频数字滤波器的-3dB频率宽度，体现频谱的频率最⼩间隔，也就是频率分辨率，现代频谱仪的RBW通常是数字滤波器的带宽。
RBW⼯作模式，通常有FFT模式和频率扫描Sweep模式。
FFT模式，本振扫描⽅式是步进的，STEP频率间隔较⼤，I/Q基带滤波器带宽⼤于STEP的1/2，每个测试点多点IQ信号采样，并进⾏FFT和数字滤波，采样率以及采样和过采样点数决定了频率分辨率，即RBW的数值，数字滤波器决定⾼斯形状及其形状因⼦。
Sweep模式，本振连续扫描，微⼩步进远⼩于RBW，I/Q数字基带滤波器组合成数字中频滤波器，并决定其形状和RBW，每个测试点得到1对I/Q数据。
当前数字技术的发展，确定了FFT模式成为主流，尤其在较⼩RBW设置情况下测试速度优势明显，Sweep模式应⽤于-3dB⾼斯滤波器以外的其他类型滤波器，例如5极滤波器、RRC和信道滤波器等。
另外，较⼤RBW(如>1MHz)的⼯作模式，⼀般采⽤Sweep。
Auto模式，根据测试带宽和测试时间等参数，按照上述规则，⾃动选择设置合适⼯作模式。
FFT模式Sweep模式动态⽰意图展现了频谱扫描⽅式与RBW滤波器，上图蓝⾊曲线代表中频滤波器的形状，因为本振的扫描，在频域上，中频滤波器和输⼊单载波位置发⽣相对变化，变化过程中，红蓝两线的交点变化形状与滤波器形状完全相同，⽽且此交点幅度对应此时中频电平，下⽅图⽰在载波频点处，放⼤观察的频谱绘制过程。
频谱分析仪应用解惑之带宽
图 9 不同 RBW 的底噪高低 在测量靠近中心频率的发射分量时，需要采用较窄的分辨带宽。RBW 设置的大小能决定是否能把两个 相临很近的信号分开，只有设置 RBW 大于或等于工作带宽时，读数才准确；但是如果信号太弱而底噪又太 高，频谱仪则无法准确分辨信号，此时即使 RBW 大于工作带宽读数也会不准。 测试信道的功率或是链路噪声时，既不能太大，也不能太小，应该与信号的带宽相对应，一般的测试 规范中会给出相应的 RBW 条件。分辨率带宽常小于参考信道的带宽时，测量结果应为参考带宽内各分量的 总和（其和应为功率求 和，除非特别要求杂散信号按照电压求和） ，此时通常会使用频谱分析仪中 Meas 的 Channel Power 或 ACPR 等功能。
图 5 成型滤波器移动选择频率
如此来说，极端细致分辨能力的滤波器，相当于使用一个冲击函数去选择出需要的频率。如何构造一 个冲击函数形状的滤波器呢，它在时域上是时间无穷幅度不变的，也就是不可能构造出来。退一步讲，使 用一个矩形（形状因子为极限 1）作为选择的形状，仍然面临非常长的响应时间。也就是说矩形系数越好， 分辨能力越细的滤波器实现成本越高，所以说，把一个理论上本来就很干净的正弦波检测为一根同样干净 的细细的谱线，实现成本是非常巨大的，我们的工作就是在理想和现实之间寻找一个成本合适的平衡点： 这个滤波器既要有良好的形状选择性，又要易于实现，还要对于各种测量场景（功率，噪声，分析等）表 现较为一致的结果。 这时候高斯（Gaussian）滤波器闪亮登场了！是的，就是那个历史上最伟大没有之一的数学天才高斯， 拿破仑东征曾经因为他在哥根廷大学执教而放弃了炮轰这座城市。我们小学时有高斯计算 1+2+3+...+99+100 等差数列的故事， 中学时有高斯函数[x]， 大学时有高斯分布， 高斯不等式， 高斯过程…… 那么频谱分析仪中的高斯滤波器是什么样子，为什么频谱分析仪的频率选择使用了高斯滤波器？
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频谱分析仪中频带宽的设计
作者：何高楼、陈爽单位：中国电子科技集团公司第四十一研究所、电子测试技术国家重点实验室转载：国外电子测量技术发布时间：2008-01-15
引言
大多数接收机的中频频率是固定的，并在此频率上设计带通滤波器来抑制干扰、提高接收灵敏度。
在某些宽带接收机中，中频的带宽需要根据实际应用情况进行调节，如多速率的宽带通信系统等，带宽必须和码元速率相匹配，过大或过小都会对接收机的性能产生很大的影响。
频谱分析仪也不例外，只不过要求更高，中频带宽滤波器的设计直接关系到整机动态范围、频率分辩率、解调带宽以及功率测量准确度等关键技术指标。
1 设计原理
在某些特定的情况下，采用开关切换的方法是一种简洁而且适用的方法，但这只适用于带宽变化不多的场合下，比如4-5个以下。
随着带宽数量的增加，这种方法就不再适用，其带来的最直接结果是电路变得异常庞大和复杂。
图1 同步调谐滤波器
频谱分析仪需要的中频带宽可能从几赫兹到几兆赫兹连续变化[2]。
对于这些需求，采用程控带宽滤波器是比较简洁而且经济的方法。
对于程控带宽滤波器来说，同步调谐滤波器是一种比较理想的解决方法。
如图1所示：它由多级中心频率和Q值相等的谐振回路组成。
各级之间通过FET高阻放大器缓冲隔离。
单级的带宽由下式给出[1]：
通过改变串联电阻Rs可以降低整个谐振回路的Q值，从而改变带宽，它通常由PIN二极管构成。
这种电路结构有许多优点：调节方便；容许各级间的轻微不平衡；具有良好的脉冲响应特性；群时延变化较小；另外，这种拓扑结构的总Q值大于单级的Q值。
级联后的总带宽可用级联公式计算如下[1]：
式中，n为谐振回路的级数，为n级谐振后的电路总带宽，为单级谐振回路的带宽；如果采用4级级联谐振回路，通过式(2)可以算出单级带宽为总带宽的2.3倍。
图2 程控中频带宽滤波器实现原理框图
分辨率带宽反映了频谱仪的不同档次，经济型为1kHz～3MHz；中档型约为30Hz～3MHz；高档为1Hz～3MHz。
图2是高性能频谱分析仪的中频带宽实现原理框图，中频信号输入后首先经过补偿放大器，该放大器增益随不同的滤波通道变化，以为补偿通道增益误差，之后信号分成两路分别处理，第一路经LC调谐滤波器完成分辨率带宽100k～3MHz，第二路经晶体调谐滤波器完成300Hz～30kHz分辨率带宽，晶体和LC滤波器的带宽控制由D/A 变换器提供。
下面分别介绍各单元的设计内容。
1.1 补偿放大器
补偿放大器可以补偿因谐振回路的Q值变化引起的电路损耗，另外，它还是一个高阻放大器，以实现输入电路同校准放大器的隔离。
在选择不同的通道时，该放大器的直流偏置会相应的产生变化。
图3a是LC滤波方式下的等效原理图，图3b是晶体滤波方式下的等效原理图。
在LC滤波方式下，补偿放大器的增益为：
在晶体滤波方式下，补偿放大器的增益为：
这里，RT与晶体谐振回路的Q值成正比，从而起到补偿作用。
a LC滤波器下等效原理图
b 晶体滤波器下等效原理图
图3 补偿放大器等效原理图
1.2 LC滤波器
LC滤波器是应用最广的滤波器，它的理论完整，也是设计其他类型滤波器的基础。
由于频谱分析仪中频信号的频率不高，一般为10.7MHz或21.4MHz，在此频率上，电路的分布参数对整体性能影响不大，可以设计出性能稳定、成本低的带通滤波器。
但设计中需要考虑滤波器的温漂、精密的带宽控制和增益控制。
图4 LC滤波器电路模型
图4给出了LC带宽滤波及补偿电路的模型。
为了具有可变的带宽，在信号通道上加入补偿网络并附加PIN二极管RS来控制带宽。
由于LC带宽网络自身固有带外抑制非对称性，所以加入补偿网络。
补偿网络由LC并联谐振网络组成，谐振在中频频率点上。
PIN二极管作为可变电阻与补偿网络并联，通过调节Rs来减小每一级的有载Q值，达到增大带宽的要求。
此处PIN二极管与晶体滤波器中的要求一致，作用相同。
谐振回路由LC并联网络组成，为了保证滤波电路有好的温度特性，采用负温度系数的电容补偿电感的温漂；使用线绕电感来提高谐振网络的Q值，能够实现较小的滤波带宽。
1.3 晶体滤波器
晶体谐振器具有非常高的Q值，晶体谐振器作为高频窄带滤波器是其主要应用之一。
晶体滤波器的特点是中心频率很稳定，带宽很窄，阻带内有陡峭的衰减特性
图5 晶体谐振器等效电路图
晶体谐振器有串联谐振频率和并联谐振频率，而且两频率相差很小。
在串联谐振频率点晶体呈现最小的阻抗特性。
图5是晶体谐振器的串联等效电路模型。
一般来说，晶体谐振器的等效电感量L很大，等效电容Cm很小，Rs为其等效串联内阻，C0为寄生电容。
晶体滤波电路的模型如图6所示。
电路中利用串联谐振的晶体谐振器作为滤波器通路；经过补偿网络的信号与三极管射极的信号电流大小相等、相位相反，这样可以抵消晶体中由于寄生电容CO引起的另一谐振峰。
由电感L1和电容C1构成的谐振网络，调谐在滤波器的中心频率上，此回路可有效地消除由于晶体产生的寄生峰（即寄生通带）；在谐振回路中选用负温度系数的补偿电容，以补偿电路的温度漂移。
为了具有可变的带宽，通过串接电阻到地改变每一级的Q值，调节R D可以改变整个谐振回路的带宽，R D由PIN 二极管构成。
图6 晶体滤波器电路模型
2 实验结果
按上述模型设计了一个带宽从300Hz~3MHz连续变化的中频带通滤波器。
图7a是程控LC滤波器为300kHz带宽的实验结果，实测是300.462kHz；图7b是程控晶体滤波器为300Hz带宽的实验结果，实测为305Hz。
全带宽内控制准确度优于±25％。
图7实验结果图
3 结论
实验结果表明，本文所介绍的设计思路和方法是可靠的而且可行的，可以通过D/A变换器精细调节频谱分析仪中频滤波器带宽，满足高性能频谱分析仪中频带宽的设计要求。
成本不高，性能指标较好，便于生产和调试，目前已经应用在一些高性能频谱分析仪模拟中频处理单元中，并可灵活应用到其它类接收机。
参考文献：
[1] RobertJ.Armantrout. An IF Module for Wide-Bandwidth Signals. October 1995 Hewlett-Packard Journal
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社,2007.
[4] AV4032微波频谱分析仪用户手册[Z]. 2002.
[5] AV4033高性能频谱分析仪用户手册[Z]. 2002.
[6] AV4942A卫星通信综合测试仪用户手册[Z]. 2007.。