电子测量与仪器 第八章 频率域测量-频谱分析仪讲解
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频谱分析仪原理
F=1/T
P=10*log10((Vpp/2/2^0.5)^2/R/1mW)
频域测量的方法： 功率测量，直接得到幅频分布 时域采样后通过FFT计算，间接得到信号的幅频分布， 相当于在频域上同时设置了N个RBW滤波器同时进行 功率测量
通常功率测量方法用于RBW较大的设置，FFT方法用 于RBW较小的设置
Memory
Saw tooth Sweep ramp signal
Frequency axis
各模块介绍(一)
输入衰减器：避免大信号输入引起过载，调整输入信 号电平到混频器工作的理想状态
前置放大器：提高信噪比，从而在噪声中分辨出小信 号 低通滤波器：抑制镜像频率，在RF输入端减少本振向 输入口的泄漏和中频反馈
在此输入标题
“
“
谢输谢入观文字看
在此录入上述图表的综合分析结论 在此录入上述图表的综合分析结论 在此录入上述图表的综合分析结论 在此录入上述图表的综合分析结论
频谱分析仪原理
• 频域测量和时域测量 – 信号的三个维度分别是时域、频域和幅度 – 频域测量是观测某一时刻空间中信号的频谱特点 – 时域测量是观测某一个频率处信号随时间的变化情况
Amplitude (power)
时域测量
频域测量
• 频域测量和时域测量 – பைடு நூலகம்域测量信号的频率， 信噪比和微弱信号功 率 – 时域测量测量幅度随 时间的变化，没有频 率选择性
RF input
RF Attenuator
& Pre-LPF
Mixer
RBW
VBW
Step gain
IF Log/Linear Envelope Video filter IF AMP detector filter
P=10*log10((Vpp/2/2^0.5)^2/R/1mW)
频域测量的方法： 功率测量，直接得到幅频分布 时域采样后通过FFT计算，间接得到信号的幅频分布， 相当于在频域上同时设置了N个RBW滤波器同时进行 功率测量
通常功率测量方法用于RBW较大的设置，FFT方法用 于RBW较小的设置
Memory
Saw tooth Sweep ramp signal
Frequency axis
各模块介绍(一)
输入衰减器：避免大信号输入引起过载，调整输入信 号电平到混频器工作的理想状态
前置放大器：提高信噪比，从而在噪声中分辨出小信 号 低通滤波器：抑制镜像频率，在RF输入端减少本振向 输入口的泄漏和中频反馈
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“
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频谱分析仪原理
• 频域测量和时域测量 – 信号的三个维度分别是时域、频域和幅度 – 频域测量是观测某一时刻空间中信号的频谱特点 – 时域测量是观测某一个频率处信号随时间的变化情况
Amplitude (power)
时域测量
频域测量
• 频域测量和时域测量 – பைடு நூலகம்域测量信号的频率， 信噪比和微弱信号功 率 – 时域测量测量幅度随 时间的变化，没有频 率选择性
RF input
RF Attenuator
& Pre-LPF
Mixer
RBW
VBW
Step gain
IF Log/Linear Envelope Video filter IF AMP detector filter
什么是频谱分析仪,频谱分析仪的工作原理是什么,频谱分析仪怎样使用？
什么是频谱分析仪，频谱分析仪的工作原理是什么，频谱分析仪怎样使用？什么是频谱分析仪？频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。
它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。
现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。
仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。
频谱分析仪的工作原理以及应用方面推广：频谱分析仪的组成及工作原理图1所示为扫频调谐超外差频谱分析仪组成框图。
输入信号经衰减器以限制信号幅度，经低通输入滤波器滤除不需的频率，然后经混频器与本振（LO）信号混频将输入信号转换到中频（IF）。
LO 的频率由扫频发生器控制。
随着LO频率的改变，混频器的输出信号（它包括两个原始信号，它们的和、差及谐波，）由分辨力带宽滤波器滤出本振比输入信号高的中频，并以对数标度放大或压缩。
然后用检波器对通过IF滤波器的信号进行整流，从而得到驱动显示垂直部分的直流电压。
随着扫频发生器扫过某一频率范围，屏幕上就会画出一条迹线。
该迹线示出了输入信号在所显示频率范围内的频率成分。
频谱仪各部分作用及显示信号分析输入衰减器：保证频谱仪在宽频范围内保持良好匹配特性，以减小失配误差;保护混频器及其它中频处理电路，防止部件损坏和产生过大的非线性失真。
混频器：完成信号的频谱搬移，将不同频率输入信号变换到相应中频。
在低频段（《3GHz）利用高混频和低通滤波器抑制镜像干扰;在高频段（》3GHz）利用带通跟踪滤波器抑制镜像干扰。
本振（LO）：它是一个压控振荡器，其频率是受扫频发生器控制的。
其频率稳定度锁相于参考源。
扫频发生器：除了控制本振频率外，它也能控制水平偏转显示，锯齿波扫描使频谱仪屏幕上从左到右显示信号，然后重复这个扫描不断更新迹线。
电子测量与仪器—频域测量
4.调谐方程和频率参数
2.动态频率特性
随着扫描速度的提高，频率特性将扫频方向偏移。图中Ⅰ 为静态特性，Ⅱ、Ⅲ为依次提高扫速时的动态特性曲线。可以
看出动态频率特性有以下特点：
(1)顶部最大值下降； (2)特性曲线被展宽；
(3)扫速愈高，偏移愈严重。 其原因是由于实际电路是由
动态元件L、C等元件组成的(如 调谐电路)，信号在其上建立或
正弦稳态下的系统函数或传输函数H(jω)反映该系统 激励与响应的关系：
式中，H(ω)也可写成H(f)，称为测量的幅频特性。 Φ(ω)是相频特性。
8.1.1 静态频率特性测量——点频法
点频法就是“逐点”测量幅频特性的方法，注意明确 被测电路选用相应仪器。
K( f )
f f0
特点：所测出的幅频特性是电路系统在稳态情况下的静态 特性曲线。但操作繁琐费时，并且可能遗漏掉某些特性突 变点。这种方法一般只用于实验室测试研究。
8.4.2 实例1—BP-1型频谱仪
是国产的早期产品，性能指标不高，用它讲解原理比较简明易懂。
3MHz～6MHz fs K1 1
变频器 M0(+)
100Hz～3MHz
1 2
K2
被测信号 (设fs =10MHz 100Hz～30MHz
1KHz标准调幅波)
10MHz 2
3MHZ～30MHz
3～6MHz 5MH
0.2~0.3S 图8.35 BP-1 频谱仪原理框图
从图中可以看到以下特点： 1.多级变频
从框图可以看出频谱仪主要电路是一台超外差接收机 。为了提高分辨频谱能力，则要提高接收机的选择性，而 决定选择性的通频带：
（8.13）
谐振回路的Q值提高较困难，故欲使 减小，主要措施是 降低信号频率 ，因此要通过多次变频将被测信号的频谱搬移 到较低的中频上，这样窄带滤波器才容易实现。
现代电子测量-频谱分析仪
频谱分析仪
频谱分析仪的显示样式
频谱分析仪
频谱分析仪的频率分辨率
频率分辨率是频谱分析仪区分两个相邻输入正 弦信号的能力。
影响频谱仪频率分辨率的因素有中频滤波器带 宽、本振的剩余调频和本振的相位噪声，中频滤 波器带宽是起主要作用的因素。
频谱分析仪
频谱分析仪的频率分辨率
如果某个混频信扫频通过IF，则带通滤波器的特性曲线 就会被描绘到显示屏上。
STKspa/RnB2W
在频谱分析仪上所看 到的最小分辨带宽，在 一定程度上是由LO的稳 定性决定的。
频谱分析仪
频谱分析仪的频率分辨率
本振相位噪声 LO的相位噪声调制边带也会在显示器上任何谱分量的两边 出现； 显示的谱分量与相位噪声的幅度之差是LO稳定性的函数， LO越稳定，相位噪声就越低。 该幅度之差还和分辨带宽有关，分辨带宽缩小10倍，则相 位噪声电平减少10dB。
多通道的FFT分析仪可对系统的输人输出信号 或其它多个测量点信号作同相位的数据采集和 分析计算；
频谱分析仪
频谱分析仪的发展
早期的频谱分析仪只是一个具有几个档级滤波器式的频谱 监视器 ；
现代高频频谱仪已变为扫第一本振，扫频宽度大大提高， 称为全景频谱分析仪。
80年代出现了模块化频谱分析仪，有些机型还具有EMC、 CATV、GSM900的测量功能；
频谱分析仪
频谱分析仪的频率分辨率
本振相位噪声
相位噪声是限制频谱 分析仪分辨不等幅信 号的因素之一；
分辨两个频率接近的 不等幅信号的但前提 条件是：相位噪声不 能掩盖小信号。
频谱分析仪
频谱分析仪的频率分辨率
扫描时间 指扫描一次整个频率量程并完成测量所需要的时间，也称 分析时间; 为了保证测量的准确性，扫描时间不可能任意地缩短。也 就是说，由于其他因素的限制，扫描时间必须适当。
频谱分析仪使用方法介绍
频谱分析仪使用方法介绍
5、测试前设置
频谱分析仪一般将参考电 平设置为-40dbm，分辨率 带宽（RBW）设置为 100KHz，输入衰减值设置 为0db。频谱分析仪支持 触屏，要修改的参数设置， 只需要触控相应参数，在 触控屏子菜单上选择相应 选项，用数字按键输入数 值，然后在触控屏子菜单 选择度量单位即可。
USB接口处
选择要拷贝的文件
点击COPY
选择拷贝目 标为USB
使用SELECT 可多选
毎扫完一个方向，均需要保存一张截图，并拍摄该方向上的现场照片，即毎完成一个测试点一个方向上的测试 至少要有两张频谱截图和一张现场照片。 频谱分析仪本身内存较大，可保存较多LOG，可每天测完后一次性拷贝，已拷贝出来的文件确定没问题后建议 从主机内存中删除，以免占用空间。
频谱分析仪使用方法介绍
频谱分析仪使用方法介绍
1、目前主流的频谱分析仪有泰克及安捷伦：
频谱分析仪使用方法介绍
2、设
由日本东北大学的八木秀次和宇田太郞两人发 明，被称为“八木宇田天线”，简称“八木天 线”，它有很好的方向性，较偶极天线有高的增 益，配上仰角和方位旋转，用它来测向、远距离 通信效果特别好
频谱分析仪使用方法介绍
6、扫频频段设置
频率设置
触控 屏子 菜单
单击触控主菜单“Freq” 在触控子菜单会显示 “Start Freq”和“Stop Freq”，分别点击选中， 用数字按键输入数值，然 后在触控屏子菜单选择度 量单位修改起止频率。对 不同频段进行频谱分析时 设置相应起始频率， 如 对GSM900 上行干扰频 谱分析时，设置“Start Freq”为880Mhz， “Stop Freq”为 915MHz 。
频谱分析仪使用方法介绍
频谱分析仪的工作原理和使用方法
1.2频域分析
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)
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)
频谱分析仪的使用方法
频谱分析仪的使用方法频谱分析仪是一种用于测量信号频谱的仪器，它可以帮助我们分析信号的频率成分和功率分布，对于电子、通信、无线电等领域的工程师和技术人员来说，频谱分析仪是一种非常重要的工具。
在本文中，我们将介绍频谱分析仪的基本使用方法，希望能够帮助读者更好地掌握这一工具的操作技巧。
首先，使用频谱分析仪之前，我们需要确保设备的连接是正确的。
通常情况下，频谱分析仪会有一个输入端和一个输出端，我们需要将待测信号连接到输入端，并将输出端连接到显示设备或者记录设备上。
在连接好设备之后，我们需要打开频谱分析仪，并进行一些基本的设置。
接下来，我们需要设置频谱分析仪的中心频率和带宽。
中心频率是我们希望观测的信号频率，而带宽则是我们希望观测的频率范围。
通过设置这两个参数，我们可以确保频谱分析仪能够准确地捕捉到我们感兴趣的信号。
在设置好中心频率和带宽之后，我们需要调整频谱分析仪的分辨率带宽。
分辨率带宽是指频谱分析仪在测量信号时的频率分辨能力，通常情况下，分辨率带宽越小，频谱分析仪的测量精度就越高。
因此，我们需要根据实际情况来调整分辨率带宽，以确保我们能够获得准确的测量结果。
在进行测量之前，我们还需要注意一些其他的设置，比如参考电平、RBW（分辨率带宽）、VBW（视频带宽）等参数的设置。
这些参数会影响到频谱分析仪的测量结果，因此我们需要根据实际情况来进行调整。
当所有的设置都完成之后，我们就可以开始进行信号的测量和分析了。
在测量过程中，我们需要注意观察频谱分析仪的显示屏，以确保我们能够及时地发现信号的变化。
同时，我们还可以通过调整频谱分析仪的参数，比如RBW和VBW，来获得更加详细和准确的测量结果。
除了基本的测量功能之外，一些先进的频谱分析仪还具有其他的功能，比如谐波分析、调制解调功能、无线电频谱监测等。
这些功能可以帮助我们更加全面地了解信号的特性，对于一些特定的应用场景来说，可能会有非常重要的意义。
总的来说，频谱分析仪是一种非常重要的测量工具，它可以帮助我们分析信号的频率成分和功率分布，对于电子、通信、无线电等领域的工程师和技术人员来说，掌握频谱分析仪的使用方法是非常重要的。
《频谱分析仪讲》课件
航空航天
在航空航天领域， 频谱分析仪被广泛 应用于飞行器通信 和雷达系统的频谱 分析和故障诊断。
电磁兼容性 测试
频谱分析仪可以用 于评估电磁兼容性， 检测和分析电子设 备之间的干扰情况。
音频分析
音频分析包括音频 信号的频谱分布、 谐波失真、杂散和 噪声等特性的分析。
五、频谱分析仪的市场现状与趋势
1 全球频谱分析仪市
分析范围不足
分析范围可以通过选用具有更大频率范围的 频谱分析仪来解决。
信号干扰
信号干扰可能会影响频谱分析结果，可以通 过优化测量环境、屏蔽干扰源等方式来解决。
校准问题
频谱分析仪的校准非常重要，可以定期进行 校准或选择具备自动校准功能的仪器。
七、总结与展望
频谱分析仪的发展 历程
频谱分析仪经过多年的发展， 已经成为电子测量领域中不 可或缺的重要工具。
未来发展方向
未来频谱分析仪将继续向更 高频率、更高精度、更智能 化的方向发展。
重点关注领域
未来频谱分析仪在5G通信、 物联网、射频芯片等领域将 发挥重要作用。
Res BW、VID BW、 RBW
Res BW指的是分辨带宽， VID BW指的是视频带宽， RBW指的是实时带宽。
信噪比、动态范围、 相位噪声
这些参数描述了频谱分析 仪的性能，包括信号与噪 声的比例、动态范围以及 相位噪声水平。
四、频谱分析仪的典型应用
无线电通信
频谱分析仪用于无 线电通信系统的频 谱监测、无线电干 扰分析等应用。
《频谱分析仪讲》PPT课 件
#ห้องสมุดไป่ตู้频谱分析仪讲
一、频谱分析仪的基本概念
频谱分析仪的定义
频谱分析仪是一种测量电信号频谱分布的仪器，用于分析信号的幅度和频率特性。
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率 频成测分试，等因场此合得。以全面记录被测信号。非实时
ux 前 前 前前前
前前前前前 前前前前前 前前前前前
前
前前
前
前
Y前 前
前前前前前
前 前前前前前
前前 前前前
前前前 前前前
X前 前
三、扫频滤波式频谱仪
实扫质频是滤一波个式中频谱心仪频与率档在级整滤个波宽式一带样频，率是范一围种内 非可实调时谐频的谱窄测带量滤。结波构器简。单当，它价的格谐低廉振。频缺率点改是变电时， 调滤谐波滤器波就器分损离耗出大特、调定谐的范频围率窄分、量频。率特性不均匀、
就幅频特性而言，有点频法、扫频法两种测量方法。 １、静态频率特性测量——点频法 点频法就是逐点测量幅频特性的方法。它将单一 频率的正弦信号加到被测电路输入端，得到幅频特 性。由低到高改变频率，得到各个频率点上的幅度 比，即幅频特性。
S
+ 被测 +
测量
f u_i 电路 u_o RL 仪器
H(f)
f f0 点频法测量系统的幅频特性
输入
输入
放大器 衰减器
LPF
取样 保持
A/D
数字 滤波器
有效值 检波器
放大器
控制和时基
主振器 显示
五、带通滤波器的性能指标
• 带宽
理想滤波器 A2
实际滤波器 A2
RBW
1
3dB带宽
0.707
RBW RBW
3dB点
0
f
0
f1 f0 f2
f
通常是指3dB带宽， 或称半功率带宽。
分辨率带宽（RBW）反 映了滤波器区分两个相同幅 度、不同频率的信号的能力
• 滤波器响应时间（建立时间） 信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的
时间。通常用达到稳幅幅度的90％所需的时间TR来 表述，它与绝对带宽B成反比：TR∝1/B。
宽带滤波器的响应时间短，测量速度快；窄带滤 波器建立时间较长，但频率分辨率更高、信噪比好。 响应时间限制了频谱仪的扫描分析速度，影响实时频 谱分析的实现。
四、频谱仪的分类
• 按分析处理方法分类：模拟式频谱仪、数字式频 谱仪、模拟/数字混合式频谱仪；
• 按基本工作原理分类：扫描式频谱仪(扫描式及 外差式)、非扫描式频谱仪(傅立叶分析仪)；
• 按处理的实时性分类：实时频谱仪、非实时频谱 仪；
• 按输入通道数目分类：单通道、多通道频谱仪； • 按工作频带分类：高频、射频、低频等频谱仪。
中频信号预处理
• 中频信号预处理主要是在被检测之前完成对固定中 频信号的自动增益放大、分辨率滤波等处理。中频滤 波器的带宽通常可程控，以提供不同的频率分辨率。
• 中频信号幅度调节：由自动增益电路完成。末级混 频的增益必须能够以小步进精密调节，以保持后续电 路中的最大信号电平固定而不受前端的影响。
• 中频滤波器：用于减小噪声带宽、分辨各频率分量。 频谱仪的分辨率带宽由最后一个中频滤波器的带宽决 定。数字滤波器选择性较好、没有漂移，能够实现极 稳定的窄分辨率带宽。
分辨率差，目前这种方法只适用于窄带频谱分析。 非实时
ux 电调谐 滤波器
视频 检波器
Y放大
锯齿波 发生器
X 放大
窄带滤波器的中心频率可调节
四、数字滤波式频谱仪
数字滤波式频谱仪在现代频谱分析仪中占有重 要地位。数字滤波器的形状因子较小，因而提高了 频谱仪的频率分辨率；具有数字信号处理的高精度、 高稳定性、可重复性和可编程性等普遍优点。
8.2.2 外差式频谱仪
外差式频谱仪的频率变换原理与超外差式收 音机相同：利用无线电接收机中普遍使用的自动 调谐方式，通过改变扫频本振的频率来捕获待测 信号的不同频率分量。也称扫频外差式频谱仪。 扫频外差式方案是实施频谱分析的传统途径，在 高频段占据优势地位。
75MHz
f0
100MHz
∆f
150MHz
检波器
• 在模拟式频谱仪中，采用检波器来产生与中频交流 信号的电平成正比的直流电平，以获取待测信号的幅 度信息。常用包络检波器。
• 最简单的包络检波器由一个二极管和一个并联RC 电路串接而成。只要恰当地选择检波器的R、C值，就 可获得合适的时间常数以确保检波器跟随中频信号的 包络变化而变化。频率扫描速度的快慢也会对检波输 出产生影响，扫速太快会使检波器来不及响应。
Trouble：信号截取频谱改变
非实时分析法
在任意瞬间只有一个频率成分能被测量，无法得到 相位信息。适用于连续信号和周期信号的频谱测量。
扫频式分析：使分析滤波器的频率响应在频率轴 上扫描。
差频式分析（外差式分析）：利用超外差接收机 的原理，将频率可变的扫频信号与被分析信号进行 差频，再对所得的固定频率信号进行测量分析，由 此依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。这 是模拟式频谱仪最常采用的方法。
fx 输入 电路
中频信号处理 IF滤波
检波
fL LO
扫描信号 发生器
视频 滤波
Y放大
X放大
外差式频谱分析仪频率范围宽、灵敏度高、频 率分辨率可变，是目前频谱仪中数量最大的一种。 由于被分析的频谱依次被顺序采样，因而不能进行 实时分析。这种分析仪只能提供幅度谱，不能提供 相位谱。
输入通道
• 输入通道也称前端，主要由输入衰减、低噪声放大、低通滤 波及混频等几部分组成，功能上相当于一台宽频段、窄带宽的 外差式自动选频接收机。用于控制加到仪器后续部分的信号电 平，并对输入信号取差频以获得固定的中频。 • 输入衰减：一方面避免因信号电平过高而引起的失真，同时 起到阻抗匹配的功能，尽可能降低源负载与混频器之间的失配 误差 • 低噪声放大：对输入电平进行调整，保证混频器输入电平满 足一定的幅度要求，获得较佳混频效果 • 低通滤波技术 • 多级混频
2、动态频率特性测量——扫描式频谱仪 3、动态频率特性测量——傅立叶分析仪
8.2 扫描式频谱仪
• 8.2.1 滤波式频谱分析技术 • 8.2.2 外差式频谱仪 • 8.2.3 外差式频谱仪的主要性能指标
另: 扫频信号发生器
8.2.1 滤波式频谱分析技术
滤波式频谱分析仪原理及分类
基本原理：先用带通滤波器选出待分析信号，然 后用检波器将该频率分量变为直流信号，再送到显示 器将直流信号的幅度显示出来。为显示输入信号的各 频率分量，带通滤波器的中心频率是多个或可变的。
在一定频率范围数据分析速度与数据采集速度 相匹配，不发生积压现象，这样的分析就是实时的； 如果待分析的信号带宽超过这个频率范围，则是非 实时分析。
五、线性系统幅频特性测量的方法 线性系统可用传输函数描述其激励与响应的关系：
H ( j) Uo ( j) H ()e j() Ui ( j)
视频滤波器
• 视频滤波器用于对显示结果进行平滑或平均，以减 小噪声对信号幅度的影响。
• 基本原理：视频滤波器实质是低通滤波器，它决定了 驱动显示器垂直方向的视频电路带宽。当视频滤波器的 截止频率小于分辨率带宽时，视频系统跟不上中频信号 包络的快速变化，因此使信号的起伏被“平滑”掉。
• 频谱的两种基本类型
– 离散频谱（线状谱），各条谱线分别代表某个频率分量 的幅度，每两条谱线之间的间隔相等
– 连续频谱，可视为谱线间隔无穷小，如非周期信号和各 种随机噪声的频谱
信号的种类：周期信号/非周期信号 离散信号/连续信号
时、频域对应关系：
f
(t)
1
2
F ( j)e jtd
• 并行滤波式频谱仪 • 顺序滤波式频谱仪 • 扫频滤波式频谱仪 • 数字滤波式频谱仪
一、并行滤波式频谱仪
每个滤波式之后都有各自的检波器，无需电子开 关切换及检波建立时间，因此速度快，能够满足实 时分析的需要。但是可显示的频谱分量数目取决于 滤波器的数目，所以需要大量的滤波器。
ux 前置 放大器
窄带滤波器 窄带滤波器 窄带滤波器
• 波形因子
dB
dB 3dB B3dB
0
60dB －20
－40
3dB
－60
B 40dB B 60dB
f1
f2 f
f0
f
波形因子定义为滤波器60dB带宽 与3dB带宽之比：SF60/ 3 B60dB / B3dB
波型因子反映了区分两个不等 幅信号的能力，也称带宽选择性。
也可用40dB带宽与3dB带宽之 比表示。波形因子较小的滤波 器的特性曲线更接近于矩形， 故波形因子也称矩形系数。
1
0
-1
-2 -3
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
蓝+蓝=红
三、频谱分析的基本原理
频谱分析仪是使用不同方法在频域内对信号 的电压、功率、频率等参数进行测量并显示的仪 器。一般有FFT分析（实时分析）法、非实时分析 法两种实现方法。
FFT分析法：在特定时段中对时域数字信号进 行FFT变换，得到频域信息并获取相对于频率的幅 度、相位信息。可充分利用数字技术和计算机技 术，非常适于非周期信号和持续时间很短的瞬态 信号的频谱测量。
２、信号的频谱分析：分析信号的频率特性、频 谱纯度、频率稳定度、调制度等。
二、频谱分析的基本概念
• 广义上，信号频谱是指组成信号的全部频率分量的 总集；狭义上，一般的频谱测量中常将随频率变化 的幅度谱称为频谱。
• 频谱测量：在频域内测量信号的各频率分量，以获 得信号的多种参数。频谱测量的基础是傅立叶变换。
检波器 检波器 检波器
窄带滤波器 检波器
电 子 扫 描 开 关
扫描 发生器
Y放大 X放大
二、顺序滤波式频谱仪
这也种叫方档法级简滤单波易频行谱，仪但，在由频多带个较通宽带或互较相高衔频接段的的 带 情况通下滤需波要器大和量共滤用波检器波，器仪构器成体。积用过多大个；频由率于固通定带窄且， 相 分邻辨的力窄和带灵带敏通度滤都波不器是阵很列高来。区一分般被用测于信低号频的段各的种频音
ux 前 前 前前前
前前前前前 前前前前前 前前前前前
前
前前
前
前
Y前 前
前前前前前
前 前前前前前
前前 前前前
前前前 前前前
X前 前
三、扫频滤波式频谱仪
实扫质频是滤一波个式中频谱心仪频与率档在级整滤个波宽式一带样频，率是范一围种内 非可实调时谐频的谱窄测带量滤。结波构器简。单当，它价的格谐低廉振。频缺率点改是变电时， 调滤谐波滤器波就器分损离耗出大特、调定谐的范频围率窄分、量频。率特性不均匀、
就幅频特性而言，有点频法、扫频法两种测量方法。 １、静态频率特性测量——点频法 点频法就是逐点测量幅频特性的方法。它将单一 频率的正弦信号加到被测电路输入端，得到幅频特 性。由低到高改变频率，得到各个频率点上的幅度 比，即幅频特性。
S
+ 被测 +
测量
f u_i 电路 u_o RL 仪器
H(f)
f f0 点频法测量系统的幅频特性
输入
输入
放大器 衰减器
LPF
取样 保持
A/D
数字 滤波器
有效值 检波器
放大器
控制和时基
主振器 显示
五、带通滤波器的性能指标
• 带宽
理想滤波器 A2
实际滤波器 A2
RBW
1
3dB带宽
0.707
RBW RBW
3dB点
0
f
0
f1 f0 f2
f
通常是指3dB带宽， 或称半功率带宽。
分辨率带宽（RBW）反 映了滤波器区分两个相同幅 度、不同频率的信号的能力
• 滤波器响应时间（建立时间） 信号从加到滤波器输入端到获得稳定输出所需的
时间。通常用达到稳幅幅度的90％所需的时间TR来 表述，它与绝对带宽B成反比：TR∝1/B。
宽带滤波器的响应时间短，测量速度快；窄带滤 波器建立时间较长，但频率分辨率更高、信噪比好。 响应时间限制了频谱仪的扫描分析速度，影响实时频 谱分析的实现。
四、频谱仪的分类
• 按分析处理方法分类：模拟式频谱仪、数字式频 谱仪、模拟/数字混合式频谱仪；
• 按基本工作原理分类：扫描式频谱仪(扫描式及 外差式)、非扫描式频谱仪(傅立叶分析仪)；
• 按处理的实时性分类：实时频谱仪、非实时频谱 仪；
• 按输入通道数目分类：单通道、多通道频谱仪； • 按工作频带分类：高频、射频、低频等频谱仪。
中频信号预处理
• 中频信号预处理主要是在被检测之前完成对固定中 频信号的自动增益放大、分辨率滤波等处理。中频滤 波器的带宽通常可程控，以提供不同的频率分辨率。
• 中频信号幅度调节：由自动增益电路完成。末级混 频的增益必须能够以小步进精密调节，以保持后续电 路中的最大信号电平固定而不受前端的影响。
• 中频滤波器：用于减小噪声带宽、分辨各频率分量。 频谱仪的分辨率带宽由最后一个中频滤波器的带宽决 定。数字滤波器选择性较好、没有漂移，能够实现极 稳定的窄分辨率带宽。
分辨率差，目前这种方法只适用于窄带频谱分析。 非实时
ux 电调谐 滤波器
视频 检波器
Y放大
锯齿波 发生器
X 放大
窄带滤波器的中心频率可调节
四、数字滤波式频谱仪
数字滤波式频谱仪在现代频谱分析仪中占有重 要地位。数字滤波器的形状因子较小，因而提高了 频谱仪的频率分辨率；具有数字信号处理的高精度、 高稳定性、可重复性和可编程性等普遍优点。
8.2.2 外差式频谱仪
外差式频谱仪的频率变换原理与超外差式收 音机相同：利用无线电接收机中普遍使用的自动 调谐方式，通过改变扫频本振的频率来捕获待测 信号的不同频率分量。也称扫频外差式频谱仪。 扫频外差式方案是实施频谱分析的传统途径，在 高频段占据优势地位。
75MHz
f0
100MHz
∆f
150MHz
检波器
• 在模拟式频谱仪中，采用检波器来产生与中频交流 信号的电平成正比的直流电平，以获取待测信号的幅 度信息。常用包络检波器。
• 最简单的包络检波器由一个二极管和一个并联RC 电路串接而成。只要恰当地选择检波器的R、C值，就 可获得合适的时间常数以确保检波器跟随中频信号的 包络变化而变化。频率扫描速度的快慢也会对检波输 出产生影响，扫速太快会使检波器来不及响应。
Trouble：信号截取频谱改变
非实时分析法
在任意瞬间只有一个频率成分能被测量，无法得到 相位信息。适用于连续信号和周期信号的频谱测量。
扫频式分析：使分析滤波器的频率响应在频率轴 上扫描。
差频式分析（外差式分析）：利用超外差接收机 的原理，将频率可变的扫频信号与被分析信号进行 差频，再对所得的固定频率信号进行测量分析，由 此依次获得被测信号不同频率成分的幅度信息。这 是模拟式频谱仪最常采用的方法。
fx 输入 电路
中频信号处理 IF滤波
检波
fL LO
扫描信号 发生器
视频 滤波
Y放大
X放大
外差式频谱分析仪频率范围宽、灵敏度高、频 率分辨率可变，是目前频谱仪中数量最大的一种。 由于被分析的频谱依次被顺序采样，因而不能进行 实时分析。这种分析仪只能提供幅度谱，不能提供 相位谱。
输入通道
• 输入通道也称前端，主要由输入衰减、低噪声放大、低通滤 波及混频等几部分组成，功能上相当于一台宽频段、窄带宽的 外差式自动选频接收机。用于控制加到仪器后续部分的信号电 平，并对输入信号取差频以获得固定的中频。 • 输入衰减：一方面避免因信号电平过高而引起的失真，同时 起到阻抗匹配的功能，尽可能降低源负载与混频器之间的失配 误差 • 低噪声放大：对输入电平进行调整，保证混频器输入电平满 足一定的幅度要求，获得较佳混频效果 • 低通滤波技术 • 多级混频
2、动态频率特性测量——扫描式频谱仪 3、动态频率特性测量——傅立叶分析仪
8.2 扫描式频谱仪
• 8.2.1 滤波式频谱分析技术 • 8.2.2 外差式频谱仪 • 8.2.3 外差式频谱仪的主要性能指标
另: 扫频信号发生器
8.2.1 滤波式频谱分析技术
滤波式频谱分析仪原理及分类
基本原理：先用带通滤波器选出待分析信号，然 后用检波器将该频率分量变为直流信号，再送到显示 器将直流信号的幅度显示出来。为显示输入信号的各 频率分量，带通滤波器的中心频率是多个或可变的。
在一定频率范围数据分析速度与数据采集速度 相匹配，不发生积压现象，这样的分析就是实时的； 如果待分析的信号带宽超过这个频率范围，则是非 实时分析。
五、线性系统幅频特性测量的方法 线性系统可用传输函数描述其激励与响应的关系：
H ( j) Uo ( j) H ()e j() Ui ( j)
视频滤波器
• 视频滤波器用于对显示结果进行平滑或平均，以减 小噪声对信号幅度的影响。
• 基本原理：视频滤波器实质是低通滤波器，它决定了 驱动显示器垂直方向的视频电路带宽。当视频滤波器的 截止频率小于分辨率带宽时，视频系统跟不上中频信号 包络的快速变化，因此使信号的起伏被“平滑”掉。
• 频谱的两种基本类型
– 离散频谱（线状谱），各条谱线分别代表某个频率分量 的幅度，每两条谱线之间的间隔相等
– 连续频谱，可视为谱线间隔无穷小，如非周期信号和各 种随机噪声的频谱
信号的种类：周期信号/非周期信号 离散信号/连续信号
时、频域对应关系：
f
(t)
1
2
F ( j)e jtd
• 并行滤波式频谱仪 • 顺序滤波式频谱仪 • 扫频滤波式频谱仪 • 数字滤波式频谱仪
一、并行滤波式频谱仪
每个滤波式之后都有各自的检波器，无需电子开 关切换及检波建立时间，因此速度快，能够满足实 时分析的需要。但是可显示的频谱分量数目取决于 滤波器的数目，所以需要大量的滤波器。
ux 前置 放大器
窄带滤波器 窄带滤波器 窄带滤波器
• 波形因子
dB
dB 3dB B3dB
0
60dB －20
－40
3dB
－60
B 40dB B 60dB
f1
f2 f
f0
f
波形因子定义为滤波器60dB带宽 与3dB带宽之比：SF60/ 3 B60dB / B3dB
波型因子反映了区分两个不等 幅信号的能力，也称带宽选择性。
也可用40dB带宽与3dB带宽之 比表示。波形因子较小的滤波 器的特性曲线更接近于矩形， 故波形因子也称矩形系数。
1
0
-1
-2 -3
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
蓝+蓝=红
三、频谱分析的基本原理
频谱分析仪是使用不同方法在频域内对信号 的电压、功率、频率等参数进行测量并显示的仪 器。一般有FFT分析（实时分析）法、非实时分析 法两种实现方法。
FFT分析法：在特定时段中对时域数字信号进 行FFT变换，得到频域信息并获取相对于频率的幅 度、相位信息。可充分利用数字技术和计算机技 术，非常适于非周期信号和持续时间很短的瞬态 信号的频谱测量。
２、信号的频谱分析：分析信号的频率特性、频 谱纯度、频率稳定度、调制度等。
二、频谱分析的基本概念
• 广义上，信号频谱是指组成信号的全部频率分量的 总集；狭义上，一般的频谱测量中常将随频率变化 的幅度谱称为频谱。
• 频谱测量：在频域内测量信号的各频率分量，以获 得信号的多种参数。频谱测量的基础是傅立叶变换。
检波器 检波器 检波器
窄带滤波器 检波器
电 子 扫 描 开 关
扫描 发生器
Y放大 X放大
二、顺序滤波式频谱仪
这也种叫方档法级简滤单波易频行谱，仪但，在由频多带个较通宽带或互较相高衔频接段的的 带 情况通下滤需波要器大和量共滤用波检器波，器仪构器成体。积用过多大个；频由率于固通定带窄且， 相 分邻辨的力窄和带灵带敏通度滤都波不器是阵很列高来。区一分般被用测于信低号频的段各的种频音