频谱分析仪基础教程修正版课件.ppt

1,2,频谱分析仪基础,3,概要,第一章 信号分析简介 第二章 频谱仪工作原理 第三章 频谱仪面板介绍 第四章 频谱仪重要指标 第五章 频谱仪跟踪源简介,4,5,1.1 信号的分类：按表现形式分：连续波信号，模拟调制信号，数字调制信号，噪声信号。对信号的分析包括：时域分析，频域分析，调制域分析。,6,7,8,完整的信号分析内容,9,1.2 为什么要进行频域测量？描述信号最直接的途径是采用时域表征方式（如示波器）。描述信号另一个途径是利用频域表征方式，付式理论将时域和频域表征联系起来，适当利用付式级数，付式变换和离散付式变换（DFT）能将时域函数X（t）变换成频域函数X（f）。,10,频域测量仪器相对于时域测量仪器有一些优点：a. 较之时域测量具有更高的灵敏度。由于窄带频域测量带宽几乎可以被任意压缩，故能大大减少测量中的噪声。窄带测量还能除去某些频率上的强干扰信号。例如在测量正弦波谐波失真（示波器不限百分之几，而频谱仪往往允许到0.01）；b. 某些系统原本就与频域有关，如：电信系统中所用的频分复用系统（FDM）；,11,c. 多重信号在频域中更容易分离。利用频谱仪能区分这些频率成分并精确加以测量，而用示波器则难以做到。如图所示，在频域中信号的频率成分可很清楚的辨别出来。,12,图6 频谱分析仪典型应用,1.3 频谱分析仪典型应用,13,14,图8 器件三阶交调性能测试,15,图9 调制信号的矢量描述,16,图10 调制信号的误差,17,技术小结根据信号的特性，可将信号分为：非调制连续波信号（CW信号）；调制信号根据信号存在形式，可将信号分为： 连续稳定信号；周期变化信号（例如：TDMA信号）；瞬变信号等分析CW信号，可利用时域和频域分析法；分析调制信号精度，需进行解调分析；分析周期变化信号，需利用选时分析能力；分析瞬变信号，需具备存储分析功能。,18,19,2.1 频谱仪定义 一切信号,不管它是编码型的、发射型的或是其它什么类型的；不管是周期重复的、瞬态的还是随机的，其基本参数之一就是频谱特性。用于频域内分析这些信号参数的仪器叫做频谱仪。或者说频谱仪是把信号的能量作频率的函数显示出来的测量仪器。它实质上是一台被校准于正弦波有效值的峰值响应的选频电平表。,20,2.2 频谱仪分类按照工作原理分，频谱有两种基本的类型：实时频谱仪和扫频调谐式频谱仪。实时频谱仪包括多通道滤波器（并联型）频谱仪和FFT频谱仪。扫频调谐式频谱仪包括扫描射频调谐型频谱仪和超外差式频谱仪。,21,2.2.1 实时频谱仪实时频谱仪能同时显示其现实频率内的所有频率分量，而且保留了相位信息，不仅能分析周期信号、随机信号，而且能分析瞬时信号，显示相位关系。 a. 多通道频谱仪：信号同时送到每一个滤波器，滤波器的输出表示输入信号中进该滤波器通带内的那部分能量，显示出是各滤波器通带内的信号的合成信号。 优点：速度快，可构成实时测量系统。 缺点：由于受滤波器数量及带宽限制，这类频谱仪主要工作在音频范围。,22,b. FFT分析仪：,图11 FFT频谱仪简化框图,23,FFT频谱仪的核心：就是以函数进行付立叶变换的数学计算为基础的计算机分析。能完成多通道滤波器式频谱仪相同的功能。一般工作在DC100kHz的低频段。 优点：可测非周期信号，保留相位信息。 缺点：相对来说频率范围小、灵敏度低、动态范围小。,24,图12 FFT(快速傅立叶变换),25,2.2.2 扫描调谐式频谱仪： 这类频谱仪对输入信号按时间顺序进行调谐，因此只能分析在规定的时间内频谱几乎不变化的周期重复信号。扫描射频调谐型频谱仪： 利用中心频率可电调的带通滤波器来调谐和分辨输入信号。这类频谱仪价格便宜，但分辨率、灵敏度都较差。,26,图13 扫频频谱仪,27,超外差式频谱仪： 应用最广泛的是超外差式频谱仪，它是按外差方法选择所需频率分量，这种方法固定中频，只改变本振频率，这类频谱仪频率分辨率、灵敏度和测量频率范围都比较好。（工作原理类似于AM收音机）,28,2.3 超外差式频谱分析仪,图14 传统超外差式频谱仪原理简图,29,2.3.1 功能单元简介 在讨论这些单元怎样一起工作前，先来了解一下每一个部分：a. RF输入衰减器： 是一个步进衰减器，位于输入信号和第一个混频器之间，用于调节到达第一个混频器的信号电平大小，以防止由于电平过高或宽带信号引起混频器增益压缩或失真。,30,b. 混频器：三端口器件，把信号从一个频率变换成另一个频率。输入信号有两个，分别是输入信号fsig和本振信号fLO。由于混频器是非线性器件，它的输出是这两个频率的和或差。我们感兴趣是这两个频率的差，即中频信号fIF，如图所示。 混频器调谐公式： fsig = fLO - fIF,31,图15 fLO= fIF +fsig,32,c. 本振（LO）: 是一压控振荡器（VCO）,扫描发生器调谐LO以使它的频率与斜波电压成比例。并且扫描发生器同步视频信号的采样，以便根据输入信号的频率校准显示器的水平（频率）轴。d. 低通滤波器： 防止高频信号进入混频器，同时也抑制中频频率的信号进入混频器，以免产生假响应。 比如：fIF =3.6GHz, fLO=3.6GHz6.5HGz, fsig=02.9GHz 如果输入端同时有1GHz,8.2GHz信号， 对于1GHz fLO= fIF +fsig=4.6GHz 对于8.2GHz fLO= fIF -fsig=4.6GHz,33,e. IF GAIN( 中频增益) 用于调节IF信号进IF滤波器的幅度大小，包括中频放大器和衰减器，通过改变中频增益而改变参考电平。现在的频谱仪一般都是中频增益和RF输入衰减器保持联动，以使在改变RF输入衰减器时，参考电平保持不变。f. IF滤波器 是一带通滤波器,可看成是一个探测信号的窗口,它的带宽也叫作频谱仪的分辨率带宽(RBW)，通常中频带宽越小越好，因为RBW减小，分辨信号的能力就越强，同时提高了信噪比（SNR），但同时扫描时间也会增加，所以选择RBW要根据实际情况确定。,34,输入信号,分辨率带宽,显示,35,现代频谱仪的窄分辨带宽是数字滤波器实现的（即通过数字信号处理来实现滤波功能），如DS8831Q 1KHz以下的分辨率就是采用的数字滤波器。,为什么采用数字滤波器? 因为模拟滤波器存在频率漂移,做到极窄带宽比较困难（1KHz），而且采用数字滤波器可大大提高响应速度。,图17 数字中频级,36,g. 检波器 中频滤波器后面是包络检波器，通常检波器前或后有一个对数放大器，把信号电平变为对数刻度方式，大大减小显示检波器检测的信号电平的变化和提高显示的动态范围。,图18 最简单的包络检波器,输入信号,包络检波器输出,37,在DS8831Q频谱仪中，有以下几种检波模式：正峰值检波、负峰值检波、采样检波方式、平均方式和普通值方式。,图19 检波方式示意图,38,39,h. 视频滤波器（VBW）是一低通滤波器，位于包络检波器之后，ADC之前，视频滤波器决定了视频放大器的带宽，它的作用是用来平均或平滑显示的轨迹。 频谱仪显示的是信号加噪声，信号越靠近噪声电平，就有越多的噪声，使信号难以读出。通过减小视频滤波器的大小，可以减小噪声的峰峰值变化，从而使信号易于读出。,40,41,现在的数字化频谱仪还提供另外一种平滑显示的方法：视频平均。DS8831系列频谱仪就有此方法，它通过内部微处理器的计算实现平滑。公式如下：,42,该选择何种平滑方式？ 多数情况下，这两种方式得到的结果是相同的。比如要测的是噪声或是靠近噪声的低电平信号正弦波，两种方法得到的结果是相同的。但两者还是有区别的，视频滤波是一种实时的方法，是在扫描过程中同步完成的。而视频平均则需要多次扫描过程完成平均过程。因此在观察一个频谱随时间改变的信号时，两者得到的结果是不一样的。比如在测量FM广播信号时。,43,2.3.2 以上各部分是怎样一起工作的？ 如图22所示，信号从分析仪的输入端输入，经过衰减器、低通滤波器后与本振混频变成中频信号，中频信号经过IF滤波器后，然后被检波，检波器的输出电压驱动CRT的垂直偏转系统。扫描发生器在显示水平轴和本振的调谐之间提供同步。以上所述省略了一些部分，但他们同样是重要的。,44,图22 传统频谱仪的工作过程,45,2.4 实际频谱仪的一些改进。2.4.1 多次混频 实际的频谱仪常常用到24混频，如图23所示,使IF下降到最终一个合适的频率，比如DS8831Q最终的IF是36MHz。,46,47,图24 DS8831的功能框图,48,2.4.2 预选器 由于用频谱仪测量往往不知道有什么样的信号和有多少信号，如果都通过信号识别技术来测量，将耗费大量的时间，因此还需要预滤波器预选信号。通过预选器，让只有被分析仪需要接收的信号到达混频器，从而有效排除所有镜像和多重响应，也就是说预选器是一个可跟踪本振频率和混频模式调谐的带通滤波器，一般在2GHz以上使用，见图25（因为大多数预选器使用了YIG技术，YIG滤波器在低频段不能很好的工作），预选器的隔离度大约为7080dB，并不是完全排除无用信号。所以在频谱仪上看到的小信号极有可能是某些高电平信号在此处的镜像或多重响应。（识别技术还是有用的）。,49,图25 预选器阻止了不必要的信号进入频谱仪,50,技术小结完成频谱分析有：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；单点频CW信号在扫频式频谱仪上测试显示的结果为中频滤波器形状。,51,52,3.1 前面板,图26 前面板,53,(1) 电源软开关按钮 仪器的电源软开关。当仪器后面板上的电源开关打开后，按下此按钮可以打开或关闭仪器。当后面板电源关时是无法开机的。(2) TFT彩色LCD显示屏 仪器用于波形和参数显示的装置。其对角线长度为6.4英寸，显示格式为X轴方向为640个像素，Y轴方向为480个像素。(3) USB接口 USB外设接口。(4) 校准信号输出端口（CAL OUT） 此端口输出150MHz的校准射频信号。校准信号的输出幅度为-20dBm，端口的接头类型为BNC型。,54,(5) 射频信号输入端口（RF IN） 此端口是频谱分析仪的信号输入端，测量频率范围为1MHz1GHz，端口的输入阻抗为： B/Q型 75 端口接头类型为BNC型 A型 50 端口接头类型为N型(6) 软键 7个软键对应着测量中的相应选择(7) RESET 重新启动频谱仪(8) 跟踪源(TG OUT)（选件） 跟踪源输出,55,图27 前面板按键,56,主控制功能键区（FUNC）FREQUENCY: 频率参数设置键 在测量时，按下此键即用于设置中心频率、起始频率、终止频率、频率步长等有关测量的频率参数。SPAN: 频率间隔（扫宽）设置键 在测量时，按下此键即用于设置扫描频率间隔、扫宽缩放、全带扫宽、零带扫宽等有关测量的频率扫宽参数。AMPLITUDE: 电平幅度设置键 在测量时，按下此键可进行参考电平值、输入衰减器自动/手动控制、对数/线性切换、电平幅度单位、显示刻度等有关电平测量的参数设置。WINDOW: 显示窗口操作键 在测量时，按下此键即可根据相应的软键菜单进行开启/关闭多窗口显示方式、窗口间切换、控制区域间隔和位置、窗口的缩放等窗口控制功能的操作。,57,(2) 频标设置操作键区（MARKER）NORMAL: 频标操作控制键 在测量时，按此键可进行每个频标的打开和关闭、读取、比较等操作。仪器允许测量扫迹最多可打开八个频标。PEAK: 频标峰值功能键 按此键后自动将频标安放在扫迹的最高幅度峰值上，同时显示频标的频率和幅度值。此外还可以进行调出频标峰值表、其它峰值点的搜索等功能在内的频标峰值功能的操作。,58,(3) 测量控制功能键区（CONTROL）SWEEP: 扫描参数设置键 在测量时，按此键可对仪器扫描速度、连续/单次扫描等有关扫描方式的参数进行选择设置。BW: 中频带宽设置键 在测量时，按此键可对中频分辨率带宽、视频带宽进行自动或手动调整设置，同时也可以设置当前的数字平均次数。TRIG: 触发方式选择键 按此键后可以选择当前频谱分析扫描时触发方式是自动触发还是视频触发。HOLD: 测量结果保持键 按此键后自动将当前测量扫迹和显示界面保持在屏幕上，直至按相应软键关闭保持功能。,59,AUTO: 自动配合功能设置键 按此键后，对于中频分辨率带宽、视频带宽、输入衰减器、扫描时间、中心频率步长等可以进行自动和手动调整的功能项全部或分别设置成自动配合方式。TRACE: 扫迹操作和存储键 按此键后，操作相应的软键菜单功能可进行取样检波、正峰值检波，可对测量扫迹进行存储、消隐和其它状态操作。每条测量扫迹是由一系列数据点组成，这些数据点将在屏幕显示的同时也存储在相应的存储器中。仪器最多可以同时显示三条轨迹。SGL: 单次触发扫描键 在测量时，将频谱分析仪测量扫描变为单次扫描。满足触发扫描条件后，执行单次扫描。AUX: 辅助控制操作键 按此键后，操作相应的软键可以测量通道功率；可以进行AM/FM信号的解调和监听操作。,60,(4) 系统参数设置功能键区（SYSTEM）CONFIG: 系统参数设置键 对于许多仪器整机使用和控制方面的操作，可以按此键后按照软键菜单功能来进行。MODE: 仪器测量模式键 在按此键后，根据测量领域的需要可选择相应软键菜单功能将仪器设置为频谱分析、有线电视,数字电视，回传测量，跟踪源。PRINT/SAVE: 屏幕硬拷贝（打印）键/保存图片 按此键后，即根据操作者对打印格式的设置将当前屏幕的显示内容打印出来。或是存储到磁盘上。MEAS : 指标测量功能键 按此键后，选择相应软键菜单功能可以对N dB带宽测量有关信号的指标进行分析测量。CAL: 仪器校准设置键 操作者在按此键后，可选择“幅频校准”、“频率校准”、“幅度校准”等几种模式对仪器进行校准，更加确保测量的准确性。还可以决定是否使用校准数据。RESET: 仪器复位键 按此键后，可以在不关闭整机电源的情况下对仪器进行复位操作，仪器的测量软件将重新开始运行。,61,(5) 数字和符号设置键区（ENTRY）09: 数字键 这些键用于输入相应的数值数字。在数据输入状态下，按这些键即可按顺序输入数字。: 小数点键 用于在输入数据时加入小数点。: 负号/退格删除键 用于在输入数据前加入负号或在输入数字和字符时删除前一次输入数字或字符。ENTER: 回车确认键ESC: 取消键,62,(6) 选择和序列调整功能键区（Select）: 序列参数下调整（步进）键 在调整某些测量参数时（例如测量带宽、视频带宽、扫宽范围等）时，按此键后可按照此参数的调整序列（ 例如按1，3，10序列）向下调整此项参数。: 序列参数上调整（步进）键 在调整某些测量参数时（例如测量带宽、视频带宽、扫宽范围等）时，按此键后可按照此参数的调整序列（例如按1，3，10序列）向上调整此项参数。步进调节旋轮 用此旋轮可以连续改变测量频率、参考电平、频标位置等需要改变的测量状态数值。旋轮的转动速度将影响量值的改变速率。,63,图28 后面板,3.2 后面板,64,(1) 铭牌 产品铭牌。(2) 产品标签 包括产品的编号等信息。(3) 符合视频输出（选件） 此连接口可以连接电视机。(4) S端子输出（选件） 此连接口可以连接电视机。(5) 外接显示器接口 此接口为标准VGA接口，显示器上将与仪器的液晶显示屏显示相同的图形，以便更详细地观察测量结果。(6) 外接键盘接口 仪器支持操作者通过此接口连接标准计算机键盘，频谱分析仪的标准附件中不包括外接键盘。,65,(7) 并行接口 此接口支持并行打印机，可以通过此接口连接外部并行打印机打印测量数据和测量波形。接口的接头类型是25Pin的D-Sub插座。(8) 串行接口 仪器提供标准的计算机RS-232串行接口，在进行升级操作或是传送图片时可以使用串口。(9) 电源开关 只有当电源开关开启时，前面板上的软开关才起作用。(10) 接地柱(11) 风扇(12) 直流电源输入插座 此插座通过外接充电器为仪器工作。,66,67,4.1 频率范围 频率范围指标是最基本且也是重要的，须注意的选择频谱仪时频率范围不仅要覆盖信号的频率范围，还要考虑到谐波的测量，如无线通信系统有时需测量信号的十次谐波。,表1 DS88xx频谱仪的测量范围,68,4.2 频率准确度和幅度准确度4.2.1 频率准确度频谱仪的频率准确度通常以频率读出准确度的指标给出，它和以下因素有关：频率参考、扫宽、RBW和剩余误差（剩余调频和边带噪声的影响等）。 对于单标记，即绝对测量时，DS8831Q系列指标是： 2ppm，频率计数是精度为1Hz。 频率测量误差来源：10 MHz OCXO 恒温晶振频率计数器 （1 Hz 分辨率）全频率合成本振,69,4.2.2 幅度准确度幅度测量分为绝对测量和相对测量。绝对幅度是信号的功率或电压的电平。相对幅度是两个电平间的差值。大多数频谱仪应用采用相对测量。下表列出了典型频谱仪的幅度不确定度因素。,70,表2 频谱仪的幅度不确定度因素,71,4.2.2.1 相对幅度准确度与相对幅度不确定度有关的因素：频率响应（平坦度） 频率响应不确定度或平坦度表示在指定频率范围内的一个不确定度窗口。频谱仪的频率响应是不确定度的最大贡献者，它与输入衰减器频响、混频器的变频损耗及预选器平坦度等有关。这里的频率响应指的是相对频响不确定度，它描述了在给定的频率范围内，频带内的所有幅度响应相对于某值的最大值。,72,波段转换 每个本振谐波在分析仪的总频率范围内提供不同的谐波波段 。当在不同的谐波波段测量信号时，如果分析仪从一波段转换到另一个，将产生附加的不确定。刻度逼真度 当在显示栅格中显示一个信号在一个垂直位置与另一个信号在另一垂直位置的相对关系时，将出现刻度逼真度的不确定度。刻度逼真度不确定取决于检波器线性度、数字化电路的线性度及对数线性与垂直放大器的将不同信号电压转换为显示器上显示的相应的相对功率（对数）或电压（线性）电平的能力。对于LCD而言就是一个像素点表示的幅度值。,73,参考电平（中频增益） 由刻度顶部线代表的幅度为参考电平，它是输入衰减和IF增益的函数。参考电平控制决定了IF增益，在特定参考电平置位下，IF增益大小的不确定度将影响参考电平幅度的精度。任何参考电平控制的变化都导致不确定度。输入衰减器转换 输入衰减器有其固有的不确定度，而改变在参考电平校准和测量之间衰减器设置时，才会降低参考电平的精度。由于输入衰减器工作在分析仪的全频段，它的步进精度是频率的函数。在较低频率时，精度很好。,74,分辨率带宽转换 不同的分辨带宽（RBW）设置有不同的插入损耗特性，在不同设置下测量同一信号时，可能导致幅度的变化。在幅度测量过程中改变带宽设置降低精度。 显示刻度转换 改变每格刻度因子，例如，从10dB格到1dB格或改变到线性刻度，将引入与对数线性放大器的相对校准特性相关的不确定度。通过不改变刻度来避免增加这一不确定度。对于那些将示迹存入存储器，然后由存储器显示数据的频谱仪来说，不存在这项不确定度。,75,阻抗失配 频谱仪是在50或75负载（视具体仪器）上进行测量，但它的输入阻抗并不确切等于特征阻抗，因而可能产生不确定度。在某些情况下，由于失配所造成的不确定度很小，例如，若分析仪的输入VSWR为1.3，而源的VSWR为1.2，则因失配造成的最大不确定度是0.1 dB 。,76,4.2.2.2绝对幅度不确定度因素频率响应 绝对频率响应不确定度描述了在给定的频率范围内相对于某幅度参考信号的最大可能的幅度不确定度。校准器 绝对测量是相对于一具有已知幅度的校准信号所进行的测量。大多数频谱仪都有内置的校准器，它提供在一个频率上具有规定幅度的信号。校准器为刻度的顶部线提供绝对校准。DS8831Q的校准信号是150MHz，-20dBm。,77,误差问题 以上讨论了不确定度，误差同不确定度是不同的，测量中的误差可以修正。下面来看一下测量幅度时的误差。频谱仪上显示的任一点的幅度是在中频带宽内所有能量的总和。因此，显示的信号幅度实际上是信号电平加噪声电平。由于附加了噪声，显示的信号大于其真实值。视信噪比的不同，此误差也会不同，并且可以修正。对于接近所显示DNAL的信号，此误差可能较大。但是一般对数刻度下，对于噪声以上5dB的信号其测量误差可以忽略。见下图29。,78,图29 在对数刻度上测出连续波信号由于噪声信号的影响产生的误差,79,4.2.3 怎样提高频谱仪的幅度测量精度？使变化最少 在采集任何数据之前，对测量过程加以审视，检查一下是否有什么控制可以不改变。如果对该测量可能使用单一的输入衰减器设置、分辨率带宽和显示刻度的话，则与这些控制相关的不确定度可以忽略。为得到最好的精度，应在各种控制处于测量时相同状况的条件下校准频谱仪。用IF增益代替刻度逼真度 如果参考电平（IF增益）不确定度小于刻度保真度，可利用参考电平控制使两个信号在相同垂直位置上进行测量，从而消除刻度保真度的影响，使相对测量不确定度最小。,80,自校准 许多当代的频谱仪都有自校准例程，这些例程产生各种误差系数，分析仪利用它们修正测量到的数据。说明书中的指标已假定完成了自校准。特征化 对分析仪的特征进行测量可以降低频率响应和校准器的不确定度。就是利用更精确的外部校准信号代替频谱仪内置的校准器来校准参考电平（刻度的顶部线）。,81,幅度修正某些频谱仪具有内置的幅度修正例程，该例程将逐点的频率响应数据存入一个表中，并自动将其用于被测数据，以便产生经修正的显示信息。利用这项功能，还可以修正输入由于被测器件和分析仪之间的电缆和适配器所造成的误差。该功能利用输入的频率/幅度数据对构成的修正曲线来补偿输入信号中的变化，所得到的信号示迹代表了在被测器件输出端的实际信号幅度。另外还包括温度补偿程序。,82,提高灵敏度 如前所述，显示的信号幅度示所出现的信号和噪声之和。对于接近频谱仪本底噪声的信号（5dB以内），显示的幅度和真实幅度之间的误差是显著的。因此，在测量低电平信号时，分析仪的噪声电平应尽可能低。所以此时应尽量降低RBW。 前置放大 由于有限的IF增益，不能将小信号提升到对数显示的参考电平。因此测量这些信号时，刻度保真度不确定都是一个因数。某些频谱仪具有内置的前置放大器，它可以提升信号的电平。但要注意的是，前置放大器的增益平坦度和失配可能使总平坦度变坏，故前置放大器的增益不确定度将进一步影响总的测量不确定度，这些附加的不确定度有可能比刻度保真度的不确定度还要大。,83,减小失配 将一匹配良好的衰减器接到频谱仪的输入端可降低失配不确定度。此外频谱仪在输入衰减置于0dB时，其匹配情况最差，故应尽可能避免0dB的设置。4.3 分辨力 当试图区分并测量两个彼此靠近的两个信号时，分辨力是一个重要的指标。影响分辨力的因素有：RBW，RBW类型和选择性，剩余调频和相位噪声。见图30、图31。,84,图30 分辨力,85,图31 影响频谱仪分辨力的因素,86,a、分辨率带宽（RBW） 信号显示在频谱仪上不可能是一根无穷窄的谱线，而是有一定宽度和形状的。这个形状其实就是频谱仪的中频滤波器的形状，对于DS8831Q频谱仪RBW指的是3dB带宽，因此对等幅信号，通常只要他们的相邻频率大于所选IF滤波器的3dB带宽，就可以分辨它们。见图32。,87,图32 3dB 带宽,88,b、IF滤波器的形状因素（选择性）什么是形状因子（选择性）？（见图33） 形状因子60dB BW/3dB BW通常 模拟滤波器 11：115：1 数字滤波器 5：1 通常我们用频谱仪测量的是不等幅信号，这样小信号又可能被淹没在大信号的群边中（图35）。对于幅度相差60dB的两个信号，其间隔至少应是60dB带宽的一半，才能分辨出信号。因此，形状因数是分辨不等幅信号的关键。,89,图33 IF滤波器的形状因子,90,图34 中频滤波器矩形系数影响频谱仪对不等幅信号的分辨能力,91,图35 低电平信号被淹没在大信号的裙边之中,92,93,c、剩余调频 影响频谱仪分辨率的另一个因素频谱仪的本振频率稳定度（即LO的剩余调频），这种不稳定度将被转移到任何混频产物中去，并将无法确定是由LO还是输入信号引起的。剩余调频是显示的信号模糊不清（图37），以至于在规定的剩余调频至内的两个信号不能被分辨；所以，频谱仪的剩余调频决定了可允许的最小分辨率。锁相本振作为参考源可降低剩余调频，也降低了最小可允许的分辨带宽，高性能的频谱仪价格较贵，因为它有较好的相位锁定系统，具有较低的剩余调频和较小的最小分辨率。,94,图37 剩余调频使信号模糊,95,d、相位噪声 相位噪声也称作边带噪声，它是由LO的不稳定引起的，因为在某种程度上所有振荡器都存在随机噪声的相位调制，在频域上就表现为信号附近的边带噪声，这种边带噪声可能掩盖近端的低电平信号。见图38。,96,图38 噪声边带掩盖小信号,97,分辨率带宽对扫描时间的影响： 较窄的RBW所需要的扫描时较长，因为当扫描数度太快时，频谱仪的分辨率带宽滤波器不能充分响应，将引起幅度先是下降和指示频率的漂移，,98,频谱仪通常具有自动（AUTO ）功能，可根据所选的SPAN，RBW和VBW自动确定可允许的最扫描时间。如果手动选取的扫描时间太快，显示器上会有提示UNCAL。,99,4.4 灵敏度显示平均噪声电平（DANL） 频谱仪的主要用途之一是搜索和测量低电平信号。这时分析仪的灵敏度就决定了可以测量的最小信号，定义为在一定的分辨率带宽下显示的平均噪声电平。对于接收机而言，DANL的理论下限为:kTB=-174dBm/Hz,（k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，B为带宽。）但实际上，由于内部噪声的影响，接收机的DANL都高于此值。DS8831Q为-117dBm(放大器开，RBW=30KHz)。,100,哪些因素影响频谱仪的灵敏度？输入衰减器的影响 在频谱仪的混频器前产生的噪声很小,所以射频输入衰减器对噪声电平实际上没什么影响,但是输入衰减器衰减输入信号,从而降低了信噪比.所以要想得到最好的信噪比,输入衰减器的设置需最小. 但在实际中增加输入衰减时,显示器上的信号位置并没有下降,并且噪声底上升了，因为输入衰减与中频增益联动,在输入衰减增加的同时中频增益也增加了.如图40。,101,图40 输入衰减增大，信噪比下降,102,RBW的影响 在频谱仪中到达检波器的噪声与RBW的设置有关，如图41所示。显示噪声电平与RBW的关系如下：如RBW从100kHz变到10kHz,噪声电平的改变是：noise level change = 10 log (10 kHz/100 kHz) = -10dB,103,104,VBW的影响 实际上VBW并不影响频率分辨率，所以实际上它并不改善灵敏度，但它使靠近噪声的信号容易识别，因为频谱仪中等于显示平均噪声电平的信号将以高出噪声示迹约2.2dB显示(因为噪声轨迹低于实际噪声值约2.2dB)，但如果不用视频滤波器平均噪声，将不能看到这一信号，所以使用VBW也就相当于提高了灵敏度。图42所示。,105,106,提高频谱仪灵敏度的技术方法最小RBW设值最小衰减器设值减少VBW前置放大器（增益噪声系数）,107,4.5 失真 经常需利用频谱仪测量三阶交调和谐波失真，但有时频谱仪的内部失真会影响测量。混频器是非线性器件，他们会产生内部失真。在测量外部信号的失真时，这种内部失真会引起测量误差。任何非线性器件的失真特性，不管它是由频谱仪混频器产生的内部失真还是被测器件产的失真二阶失真随基波上升曾平方关系增加，而三阶失真随基波呈三次方增加。见图43、图44。,108,图43 交调和谐波测试,109,频谱分析仪产生内部失真的原因混频器非线性特性,图44 混频器失真,110,图45 失真产物与基波功率的关系,111,图46 幅度失真与输入功率电平的关系,112,知道了失真特性，刻画出频谱仪内部产生的失真电平与第一混频器的信号功率关系。,图47 怎样判断失真使内部还是外部的,113,图48 灵敏度、相位噪声、三阶和二阶失真随混频器电平的变化,114,无失真测试动态范围在内部失真和噪声电平间折衷，衰减器设值小时，频谱仪内部失真大，噪声电平低；衰减器设值大时，频谱仪内部失真小，噪声电平高。改变衰减器来判断频谱仪测试结果的真实性,115,4.6 动态范围什么是动态范围？ 一般所说的动态范围是频谱仪可测量的输入端上同时存在的最大信号和最小信号之比。 动态范围决定了当存在大信号时是否能看见低电平信号，因此，动态范围是一项重要指标。频谱仪的显示范围、测量范围、本地噪声、相位噪声等都对动态范围起重要作用。所以对于不同的测量，动态范围有不同的理解。,116,测量范围： 是频谱仪在不同的仪器设置下能测量的最大信号和最小信号之差。 最大功率电平决定了最大信号（DS8831Q是+20dBm），本底噪声决定最小信号（DS8831Q是-10dBV ，RBW=30KHz，放大器打开）。显示范围： 是显示的已校幅度范围。对于DS8831Q是80dB.混频器压缩： 混频器压缩电平是指输入频谱仪混频器而不损害显示信号精度的最大功率电平。当混频器上的信号远低于压缩点时，所希望的混频分量的电平是输入的线性函数，只有极少量的能量被转换成失真。当混频器上的信号电平高于压缩点，由相当大一部分能量被转换成失真分量，这时混频器处于压缩状态，显示信号电平低于实际信号电平。,117,二阶和三阶的动态范围 一般利用频谱仪测量二阶、三阶失真，这是指的是二阶或三阶动态范围，它受以下三个因素的影响：1、输入混频器的失真性能2、DANL 3、本振的相位噪声影响动态范围的因素 1失真： 当对失真分量进行测量时内部失真是决定动态范围的因素之一， 2 噪声 有两类噪声影响动态范围，即灵敏度和相位噪声分析仪的灵敏度（也叫作显示的平均噪声电平（DANL）或本底噪声）决定了可以测量的最小信号。对于在室温下的1Hz噪声带宽，理论上，DANL的下限为KTB或-174dBm。,118,图49 频谱分析仪动态范围定义,119,相位噪声 DANL是测量两个频率相差很大的信号的有关参数，而相位噪声则是衡量两个频率相近（相隔1MHz）的信号的关键参数。相位噪声也称为边带噪声，它是由本振（LO）的不稳定所引起的。世界上不存在理想的振荡器。在某种程度上所有振荡器都有随机噪声的相位调制。本振的任何不稳定性都会通过混频器转移到被显示的信号上。为了在内部失真电平图（图47）上加上噪声的影响，我们需要考虑信噪比如何随混频器的输入端的基波电平变化而变化，对于混频器上信号电平每增加1dB,信噪比也增加1dB,因此DANL曲线是一条斜率为-1的直线。相位噪声是一条直线。,120,近端测试动态范围受本振相位噪声影响,图50 相位噪声的影响,121,频谱仪对信号功率的测量过程,图51 信号功率的测量,122,不同性质信号功率的测试结果与检波方式，平均方式有关频谱仪检波方式: 采样值、正峰值、负峰值、普通值、平均值。,图52 频谱分析仪检波方式,正峰值检波方式：适合CW 信号及信号搜索测试采样值检波方式：适合于噪声信号测试负峰值检波方式：适合于小信号测试,123,124,平均值检波,图54 频谱分析仪平均值检波,125,126,127,功率测量显示由多个包络电平值的平均得到可减少显示信号的抖动，扫描速度越高，平均效果越明显,平均方式Log, Lin, PowerLog平均CW signals，窄VBW, trace 平均，适合于低电平CW信号测试电压平均 voltage envelopes，适合于脉冲信号上升下降时间测量功率平均 time-varying signals，信号平均功率测量,128,平均处理举例,Log 平均结果= 3 dBm=(0 dBm + 6 dBm)/2功率平均结果= 3.98 dBm=(1 mW + 4 mW)/2 = 2.5 mWLog 平均与功率平均结果不相同窄VBW及trace平均为Log 平均，测量时变信号时存在误差RMS 检波等效为功率平均,129,RMS 检波方式Average Type,NormalAverage(Log/RMS/V)PeakSampleNegative Peak功率平均作用适合于对类噪声信号（CDMA）总功率测量为保证测量精度，VBW3RBW,130,技术小结扫频式频率分析仪分析频率范围由本振范围决定；扫频式频率分析仪频率分辨率与中频率滤波器和本振有关；测试中可通过减小RBW来提高频率分析分辨率扫频式频率分析仪分析灵敏度与中频率滤波器；衰减器设值；视频滤波器和本振有关；测试中可通过减小RBW；VBW，衰减器设值和前置放大来提高分析灵敏度扫频式频率分析仪分析内部失真与混频器工作电平，中频放大器性能有关；测试中可通过减小混频器工作电平（增加衰减器设值）来减小内部失真扫频式频率分析仪分析灵敏度与中频率滤波器；衰减器设值；视频滤波器和本振有关；扫频式频率分析仪衰减器设置在灵敏度指标和内部失真指标间折。通过改变衰减器设置可判断频谱分析仪测试结果的真实性；扫频式频谱仪测量功率结果与其检波方式和平均方式有关。,131,第五章 频谱仪跟踪源简介,132,图57 DS8831系列跟踪源实现方法,133,频谱分析仪跟踪源选件,图58 频谱仪跟踪源,75 1MHz1GHz 跟踪源,134,跟踪源应用-传输频响测试,图59 跟踪源传输响应测试,135,图60 跟踪源滤波器测试,136,跟踪源应用-反射频响测试,图61 跟踪源反射响应测试,137,