想了解频谱吗？阅读这篇文章就足够了

频谱分析是一种观察和测量信号幅度和信号失真的快速方法. 它的显示结果可以直观地反映输入信号的傅立叶变换的幅度. 信号频域分析的测量范围非常广，超过140dB，这使频谱成为适用于现代通信和微波领域的仪器. 频谱分析实质上是检查给定信号源，天线或信号分配系统的幅度和频率之间的关系. 这种分析可以提供有关信号的重要信息，例如稳定性，失真，幅度以及调制的类型和质量. 使用这些信息，您可以调试电路或系统以提高效率，或者验证所需的信息传输和有害信号传输是否符合不断出现的法规.

从研发到制造到现场维护，现代频谱已经以多种方式使用. 新的频谱已更名为信号，已成为重要的实验室仪器. 它可以快速观察较大的频谱宽度，然后快速放大以观察信号细节. 它已被工程师高度重视. 在制造领域，测量速度与通过计算机访问数据的能力相结合，可以快速，准确和重复地完成一些极其复杂的测量.

有两种技术方法可以完成信号频域测量（统称为频谱分析）.

1. FFT使用数值计算方法在一定时间内处理信号，可以提供频率. 幅度和相位信息. 该仪器还可以分析周期性和非周期性信号. FFT的特点是速度快，精度高，但其分析频率带宽受到ADC采样率的限制，适合于分析窄带宽信号.

2. 扫频频谱可以分析稳定且周期性变化的信号，可以提供信号幅度和频率信息，适用于宽频带的快速扫描测试.

图1信号的频域分析技术

快速傅立叶变换频谱

快速傅立叶变换可用于确定时域信号的频谱. 必须在时域中将信号数字化，然后执行FFT算法以找到频谱. 通用FFT的结构是: 输入信号首先通过可变衰减器以提供不同的测量范围，然后信号通过低通滤波器以去除仪器频率范围之外的不希望有的高频分量. 对波形进行采样是模数转换. 转换为数字形式后，微处理器（或其他数字电路，例如FPGA，DSP）用于接收采样的波形，并通过FFT计算波形的频谱，并将结果记录并显示在屏幕上.

FFT可以完成与多通道滤波器相同的功能，但是不需要使用很多带通滤波器. 它使用数字信号处理来实现多个独立滤波器的等效功能. 从概念上讲，FFT方法简单明了: 将信号数字化，然后计算频谱. 实际上，为了使测量有意义，需要考虑许多因素.

FFT的本质是基带变换. 换句话说，FFT的频率范围始终从0Hz开始，一直扩展到某个最高频率. 对于需要分析较窄频带（不是从直流开始）的测量情况，这可能是一个重大限制. 例如，FFT具有采样频率，并且FFT的频率范围是0Hz至128KHz. 如果N = 1024，则频率分辨率为，因此无法区分间隔小于250 Hz的频谱线.

一种提高频率分辨率的方法是增加时间记录中的采样点N的数量，这也增加了FFT输出的节点数量. 然而，问题在于这将增加要由FFT处理的阵列的长度，从而增加计算时间. FFT算法的计算时间通常会限制仪器的性能（例如屏幕刷新率），因此通常需要增加FFT的长度.

另一种方法是使用数字下变频器. 对于带宽受限的信号，请执行数字下变频，从而有效降低采样率并提高频率分辨率. ADC的输出乘以数字正弦波，并通过数字混频降低数字正弦波的频率. 然后使用数字滤波器进行滤波. 数字滤波器使用适当的抽取因子来形成适当的频率间隔. 该带宽可以做得很窄，并且可以形成最小1 Hz的频率间隔和频率分辨率.

图2在FFT中使用数字混频器可以为频率分析提供频带选择

扫频频谱的工作原理

频谱采用扫频原理完成信号的频域测试.

频谱的功能是区分输入信号中的每个频率分量，并测量每个频率分量的频率和功率. 为了实现上述功能，在扫描调谐频谱分析中使用了超，同时允许以中频（IF）处理信号. 图3是超外差扫频的结构框图.

输入信号进入频谱后，将其与本地振荡器（LO）混合. 当混合乘积等于中频（IF）时，此信号将发送到检测器. 检测器输出的视频信号在放大，采样和数字化之后由CRT确定. 显示信号的垂直电平. 扫描振荡器控制CRT显示器的水平频率轴与本地振荡器调谐同步. 它同时驱动水平CRT偏转和调整LO.

频谱依靠中频滤波器来区分每个频率分量，检测器测量信号功率，并通过本地振荡器和显示的横坐标之间的对应关系获得信号频率值.

除了不扫描AM接收机的LO，而是使用比例旋钮手动对其进行调谐外，此扫描调谐的工作原理与您家中的AM接收机相同. 此外，它不会显示在显示器上，而不是使用扬声器提供信息.

图3扫频超外差频谱的简化框图

基于扫描型工作原理，当输入信号为单点频率信号时，该信号需要与扫描本振信号混频，因此中频信号也是变频扫描信号，然后扫描信号通过中频滤波. 检测器和检测器之后的输出波形是中频滤波器的频率响应形状.

图4扫频频谱的测量过程

输入衰减器

输入衰减器是频谱中信号处理的第一级. 频谱衰减器输入衰减器功能包括以下几个方面:

1. 确保频谱在较宽的频率范围内保持良好的匹配特性；

2. 保护混频和其他中频处理电路. 防止组件损坏和过度的非线性失真.

一般频谱衰减器的衰减范围为: 0〜65dB；可以以5dB为步长进行更改. 更改输入衰减器设置时，信号电平将受到影响. 如果衰减值从10dB变为20dB，则信号幅度会被人为地降低10dB，相应的检测输出也会降低. 为了补偿这种变化，频谱将使用放大器来补偿衰减效应. 因此，在更改衰减器的设置时，频谱上的输入信号显示不会改变.

仪器自动设置衰减装置的原理是确保:

输入信号电平衰减器设置<=混频器工作电平

可以注意到仪表的这些参数值是否满足上述公式的关系.

因此，当改变仪表的输入衰减器设置时，其内部衰减器和IF放大器将发生变化. IF放大器确定信号在屏幕上的显示位置.

当频谱工作时，中频放大器的增益和衰减器的设置值一起工作. 更改输入衰减器的设置后，输入信号的显示电平不会改变.

混合器

混频器完成信号的频谱偏移，并将不同频率的输入信号转换为相应的频率. 在混合过程中，会有镜面干扰.

镜面干扰示例:

输入信号频率: 800MHz；本振信号频率: 780MHz；

中频信号频率: 800-780 = 20MHz;

镜像干扰信号的频率: 780-20 = 760MHz，

760MHz信号是800MHz信号的镜像干扰.

由此引起的测量问题是频谱的中频信号无法判断它是响应760MHz信号还是响应800MHz信号.

光谱仪需要采用相应的方法来解决此问题. 频谱使用两种方法来解决此问题.

1. 在低频范围（<3GHz）中，请使用高混频和低通滤波器来抑制干扰.

2. 在高频范围（> 3GHz）中，请使用带通跟踪滤波器来抑制干扰.

图5典型频谱的频率转换过程

中频滤波器

IF滤波器是频谱中的关键组件. 频谱主要依靠此滤波器来区分不同频率的信号. 频谱的许多关键指标（测量分辨率，测量灵敏度，测量速度，测量精度等）为: IF滤波器的带宽与形状有关.

中频滤波器通常由LC滤波器，晶体滤波器或数字滤波器的组合来实现. 外形尺寸和过滤器类型是解释这些过滤器特性的重要因素. 形状因数是选择滤波器的一种度量，通常指定为3dB / 60Dbk宽度比. 该比率表示3dB带宽内的大型信号附件如何分辨小一百万倍（-60dB）的信号. 尽管某些滤波器类型（例如Butterworth或Chebychev Chebyshev滤波器）具有出色的选择性（分离信号的能力）以及高斯滤波器，但这种类型的滤波器对频谱的性能产生了重大影响. 同步调谐滤波器具有更好的时间领域的性能（更好的扫描幅度精度），但到底哪个滤波器最好，将起主要作用. 出色的外形性能可为彼此靠近的信号提供更好的分辨率. 更好的时域性能（无过冲）可提供更快的扫描速度和良好的幅度准确性.

对数放大器

对数放大器以对数方式处理输入信号，从而可以将大小测量进行同步，并且易于显示和区分. 实现这种压缩的一种方法是构建一个放大器，其增益随信号幅度而变化. 在低电平信号下，增益可能为10 dB，而在较大幅度下，增益下降为零. 为了获得所需的对数范围，必须将多个这样的放大器级联. 对数放大器的范围通常在70dB至100dB以上. 除对数范围外，保真度（对数压缩与对数曲线的接近度）是应考虑的重要因素. 该误差将直接反映出测量的幅度误差.

检测器

检测器将输入信号功率转换为与输入信号功率相对应的输出视频电压.

对于具有不同特性的输入信号（正弦信号，噪声信号，随机调制信号等），需要使用不同的检测方法来准确测量信号功率.

现代频谱通常使用数字技术并支持所有检测方法，以确保准确测量各种被测信号的功率参数.

视频过滤器

视频滤波器对从检测器输出的视频信号执行低通滤波. 降低视频带宽可以平滑频谱显示中的噪声抖动，从而减小显示噪声的抖动范围. 这样，频谱可以发现淹没在噪声中的低功率CW信号，并提高测量的可重复性.

扫描本地振荡器

扫描本地振荡器是整个频谱的关键部分之一. 扫描本地振荡器的稳定性和频谱纯度是许多性能指标的限制因素. 本机振荡器的稳定性会影响最小分辨率带宽，但是即使使用频率非常稳定的本机振荡器，仍然存在残留的不稳定性，称为相位噪声或相位噪声边带. 相位噪声会影响附近信号的观察，如果仅考虑带宽和形状因数，就很难观察到. 现代频谱的应用之一是直接测量其他设备的相位噪声，这对于本地振荡器来说要求很高的相位噪声.

频谱的关键性能指标

作为的频谱，其基本性能要求包括:

1. 频率指标:

2. 尺寸外观指示器:

3. 此外，频谱的性能还包括其分析精度和测量速度.

要测量谐波失真或搜索信号，需要将频率范围从基频以下扩展到多个谐波以上. 测量互调失真需要狭窄的跨度（跨度），以便观察相邻的互调失真产物. 因此，第一步是选择具有足够频率和跨度的频谱. 第二个要求是什么频率分辨率？测量两音互调对分辨率有严格要求.

频谱的频率范围由其本地振荡器范围确定. 通过使用本地振荡器的谐波，可以扩展频谱的分析频率范围，并且可以使用扩展到更高的频率（75GHz； 110GHz； 325GHz等）.

频率分辨率

此示例反映了频谱测量分辨率对测试结果的影响. 输入的物理信号是具有两个频率间隔的信号. 只有当频谱的分辨率足够高时，信号才能正确地反映在屏幕特征上.

许多信号测试应用都需要具有最高频率分辨率的频谱.

图6频率分辨率

频谱的频率分辨率与其内部中频滤波器和本机振荡器性能有关.

其中，中频滤波器的影响因素包括:

过滤器类型；带宽;形状因素.

剩余的FM和噪声边带也是确定有用分辨率时应考虑的因素.

依次分析每个项目. 首先要注意的是，频谱上的理想CW信号不能显示为无限细的线，它本身具有一定的宽度. 通过信号进行调谐时，其形状可以显示频谱自身的分辨率带宽（IF滤波器）的形状. 这样，如果改变滤波器的带宽，则改变显示响应的宽度. 技术规格书的数据表中指定了3 dB带宽，其他应用程序（EMC）将滤波器带宽定义为6 dB.

本地振荡器的性能对分辨率有影响，因为中频信号是从输入信号和本地振荡器信号的混合中得出的，并且两个信号中的噪声是功率加法关系.

对频谱进行单点频率信号测试表明，中频滤波器的频率响应形状.

滤波器的形状由其带宽（3dB或6dB）和矩形系数定义. 这两个参数将影响频谱的频率分辨率.

图7中频滤波器带宽和形状因数（矩形系数）的定义

在双音测试中，当两个信号分开10kHz且RBW = 10KHz时，仪表测试可以显示两个信号峰值. 显然，使用10kHz滤波器来区分等幅两音信号是没有问题的.

频谱的RBW是其解析等幅信号的能力.

以上分析得出的结论是:

频谱RBW越小，频率分辨率越高.

IF滤波器的3dB带宽告诉我们，等振幅信号之间的距离有多近（减小3dB）. 一般而言，如果两个信号之间的间隔大于或等于所选分辨率带宽滤波器的3dB带宽，则可以区分两个相等幅度的信号. 两音测试中的两个信号表示此含义. 当两个信号分开10 kHz时，很容易以10 kHz的分辨率带宽将它们分开. 但是，如果使用较宽的分辨率带宽，则两个信号将显示为一个.

注意: 当两个信号出现在分辨率带宽之内时，由于两个信号的相互作用，视频带宽比分辨率带宽小约10倍，可以使响应平滑.

通常，我们需要测量不相等的幅度信号. 由于在我们的示例中这两个信号描述了滤波器的形状，因此小信号有可能被埋在大信号滤波器的滤波器裙边中. 对于幅度相差60dB的两个信号，间隔至少为60dB带宽的一半（下降约3dB）. 因此，形状因子（滤波器的60dB与3dB带宽之比）是确定不等幅信号分辨率的关键.

用于区分不等幅信号的频率示例:

测试相隔10kHz且幅度下降50dB的失真产物.

如果3kHz滤波器的形状因子为15: 1，则滤波器下降60dB的带宽为45kHz，并且失真产物将隐藏在测试信号响应的裙边之下. 如果切换到另一个60dB带宽为15kHz的窄带滤波器（例如1kHz滤波器），则很容易观察到失真产物（因为60dB带宽的一半为7.5kHz，小于边带间隔）. 因此，此测量所需的分辨率带宽不应大于1 kHz（<= 1 kHz）.

滤波器形状因子的范围:

以上分析的结论:

频谱的平方系数越小，不等幅信号的频率分辨率越高.

相位噪声

另一个影响分辨率的因素是频谱本地振荡器的频率稳定性.

剩余频率调制会使显示的信号不清楚，因此无法区分指定剩余频率调制内的两个信号. 频谱的分辨率带宽不能太窄，以至于无法观察到其自身的不稳定性. 如果可以的话，我们将无法在频谱和输入信号的残余频率调制（Residual FM）之间进行区分.

这意味着频谱的剩余频率调制确定了最小允许的分辨率带宽. 同样，它确定等幅信号的最小间隔. 此测量所需的剩余频率调制不大于1kHz（<= 1kHz）.

锁相本机振荡器作为参考源可以增加剩余的FM指数，还可以减小最小允许的分辨率带宽. 高性能频谱相对昂贵，因为它使用高性能的锁相本地振荡器源，该源具有较低的残留频率调制和较小的最小分辨率带宽.

由于信号频谱中显示的噪声边带来自本地振荡器的频率不稳定性，因此该噪声可能会使近端（载波附近）的低电平信号模糊. 换句话说，仅考虑带宽和形状因数，我们可能会看到它. 但是，频谱中本机振荡器的相位噪声将叠加在输入信号上. 这些噪声边带会影响近端低电平信号的分辨率.

测量示例:

要测量的信号:

从载波<=-50dBc到10kHz的1kHz频率带宽内的噪声边带功率，等于<=-80dBc / 1Hz，也就是说，频谱的本地振荡器信号需要测量距载波10kHz处1Hz带宽内的噪声能量. 载波功率为80dB.

图8频谱的局部相位噪声对测量的影响

灵敏度

不添加任何信号时，频谱将显示噪声水平. 由于频谱产生的噪声，大部分来自中频放大器的第一级.

频谱的灵敏度定义为它显示的平均噪声水平（DANL）. 该指示器与仪器检测微弱信号的能力有关. 如果信号的电平等于显示的平均噪声电平，则它将出现在平均噪声电平之上，并且投影约为3dB. 该信号被认为是最小的可测量信号电平，但是如果不使用视频滤波器对噪声进行平均，则无法始终看到这种现象.

频谱的灵敏度定义为在特定分辨率带宽下显示的平均噪声水平. “平均”是指噪声信号的幅度随时间和频率随机变化. 要量化噪声功率，只能获得平均值.

频谱的灵敏度是仪器的重要指标，

频谱的灵敏度与其RBW有关； VBW；衰减器设置.

图9频谱的测试灵敏度

频谱内部噪声对测试的影响可以从不同方面反映出来.

1. 当输入信号的功率电平小于仪器的噪声电平时频谱的失真测量，将不会显示该信号，并且该仪器也无法对此小信号进行测试.

2. 当输入信号幅度大于仪器噪声时，仪器噪声将叠加在输入信号上，即最终的显示信号电平为输入信号电平与仪器噪声的功率之和.

当被测信号的功率比仪器的内部噪声功率大10-20dB以上时，频谱内部噪声的影响可以忽略不计.

在前面阐明了频谱产生噪声的原因以及噪声对仪器测试的影响. 下面分析会影响以下仪器设置的噪声水平的因素.

影响频谱噪声电平的因素1: 输入衰减设置.

每次衰减器的衰减增加10dB时，频谱显示的噪声级就会增加10dB.

分析衰减器设置对频谱灵敏度的影响:

输入信号的电平不会随着衰减的增加而降低. 这是因为，当衰减减小施加到检测器的信号电平时，中间放大器（IF）的增益将增加10dB，以补偿此损耗. 信号幅度保持不变. 但是，噪声信号只会受到放大器的很大影响，其电平会放大10dB.

由于内部噪声主要由中间放大器的第一级产生，因此输入衰减器不会影响内部噪声电平. 但是，输入衰减器会影响混频器的信号电平并降低信噪比.

方法1: 提高频谱仪的灵敏度:

使用尽可能小的输入衰减来获得最佳灵敏度.

仪表内部产生的噪声是宽带白噪声. 即，其在整个频率范围内的电平是平坦的随机噪声，并且与分辨率带宽滤波器相比，其频带较宽. 因此，分辨率带宽滤波器仅将一小部分噪声能量传递到包络检测器. 如果分辨率带宽增加（或减少）10倍，则噪声能量增加（或减少）10倍到达检测器，显示的平均噪声水平将增加（或减少）10dB.

显示的噪声电平与分辨率带宽RBW之间的关系为:

噪声电平变化（dB）= 10log（分辨率带宽2 /分辨率带宽1）

RBW从100kHz（分辨率带宽（旧））更改为10kHz（分辨率带宽（新）），结果噪声电平更改为

噪声电平变化= log（10 kHz / 100 kHz）= ­10dB.

频谱的IF滤波器具有带抑制功能，可消除中间放大器产生的宽带白噪声. 因此，RBW越小，通过IF滤波器的噪声能量越小，检测后的噪声水平越低.

频谱的噪声是在一定的分辨率带宽下定义的.

以最小的分辨率带宽获得频谱的最低噪声水平（和最慢的扫描时间）.

方法2: 提高频谱仪的灵敏度:

以最小的RBW设置获得最佳灵敏度.

图10 RBW设置对仪器灵敏度的影响

频谱显示信号加噪声，因此当信号接近噪声电平时，附加噪声会叠加在扫描线上频谱的失真测量，从而使读取信号更加困难.

视频滤镜经过检测后为低通滤镜. 由于声音信号的幅度随时间和频率随机波动，因此通过检测处理将其作为AC AC信号输出. 随着轨迹线的晃动，这些交流信号会在显示屏上反射. 视频滤波器的低通处理用于消除噪声波动. 尽管它不能提高灵敏度，但可以改善在低信噪比下的测量分辨力和可重复性.

降低VBW不会影响显示的CW信号频谱，因为CW信号检测输出是DC信号. 通过低通滤波处理直流信号后，不受滤波带宽的影响.

应该注意，降低VBW可以使噪声信号平滑，但这不是噪声信号功率的平均值.

提高频谱测试灵敏度的技术方法概述:

1，最窄的分辨率带宽；

2. 最小输入衰减；

3. 充分利用视频过滤器（视频带宽<0.1-0.01分辨率带宽）

4. 前置放大器（内部或通常<3GH. 前置放大器开关由[Amplitude] Int Amp: 开/关控制.

外部放大器对频谱的灵敏度提高=放大器设备的增益放大器噪声系数.

这些提高灵敏度的设置可能与其他测量要求冲突:

1. 较小的分辨率带宽将大大增加测量时间；

2，0dB输入衰减会增加输入驻波比并降低测量精度；

3. 预放大的增加会影响频谱的动态范围指数.

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