测量仪表
当你用频谱仪测试一个正弦波时,理论告诉你,你应该得到一根线。
但是实际上,频谱仪显示出的曲线是这样的,不是一根线,而是一个包络。
这是因为,频谱仪显示的是中频滤波器的频域响应曲线。
频谱仪扫描LO,把输入信号转换成固定IF的信号,然后通过IF滤波器,这时,IF信号与滤波器的传递函数相乘。
想像一下,你要测量一个1GHz的信号,但是你知道是1GHz,频谱仪不知道。
那频谱仪怎么做的呢?
首先频谱仪让你设置要测量的频率范围,比如start,stop或者center,span。
好吧,其实不是频谱仪让你设置,是你主动去设置,因为是你想测频率。
好了,现在频谱仪就知道了要测试的频率范围,假设start是0.5GHz,stop是1.5GHz。
频谱仪就开始扫描LO,扫描频率需要远小于RBW,比如设置为RBW/10.
然后输入信号就开始一小段一小段地经过中频滤波器器。
比如说,1GHz的信号,经过变频,变换到20.4MHz,假设IF滤波器的BW为10KHz,LO扫频间隔为1KHz,则频谱仪的扫描过程就如下图所示。
看不明白的,就多看几遍,我脑子本来转也慢,也是想了一小久,才想明白。
所以,频谱仪显示的不是理想的线谱,而是显示出了中频滤波器的包络。
频谱分析仪的频谱分辨率主要取决于分辨率带宽,即中频滤波器的带宽。
IF 带宽(3 dB 带宽),是指,在使用sample或者peak检波器时,使信号能够通过3dB的下降来区分时,两个幅度相同的信号之间所需的最小频率间隔。
如下图中的上面图中的红线所示,此时,RBW的带宽为30KHz,两信号之间的间隔也为30KHz,正好可以通过3dB的凹陷,来看出是两个信号。
通过减小RBW,如3KHz,两个信号则可以更清楚的区分开来,图中的蓝线所示。
但是,如果两个相邻信号具有明显不同的幅度,则当RBW设置的太高时,较小的信号则在显示中看不出来,如下图红线所示。
通过降低分辨率带宽,可以显示微弱的信号。
由此可见,想要获得高的频谱分辨率,则需要窄带IF滤波器。
但是窄带滤波器的瞬态时间总是要比宽带滤波器长,因此,现代频谱仪提供了大量可选的RBW。
这样,想精确点,RBW就打窄点,扫描速度慢点;想快点,RBW就打宽点,扫描速度快点。
设置范围通常比较大,可以从10Hz到10MHz。
不过,这么多不同带宽的滤波器,并不是使用一种滤波器实现,而是以不同的方式实现。
共有三种不同类型的过滤器:
模拟滤波器
数字滤波器
FFT
模拟滤波器
模拟滤波器用于实现非常大的分辨率带宽,比如 100 kHz 到 10 MHz。
模拟滤波器无法实现理想的高斯滤波器,但是可以在20dB带宽内实现很好的近似,其瞬态响应几乎与理想高斯滤波器的响应相同。
滤波器的选择性特性取决于滤波器电路的数量。 频谱分析仪通常有四个滤波器电路,但有时候也有可能有五个。
如上图所示的中频通路中,共使用了4个独立的IF滤波器,在IF放大器(30)的前后,各放置了两个滤波器电路.
数字IF滤波器
数字滤波器可以实现窄带宽。
与模拟滤波器相比,数字滤波器可以实现理想的高斯滤波器。
此外,数字滤波器具有高温度稳定性,不受老化影响,且不需要调整的特点,因此,具有更高的带宽精度。
数字滤波器的瞬态响应是定义好的并且是已知的。 使用合适的校正因子,数字滤波器和相同带宽的模拟滤波器相比,具有更短的扫描时间。
数字滤波器可实现的分辨率带宽通常为10Hz到30KHz。
FFT
非常窄的 IF 带宽会导致较长的瞬态时间,从而大大降低扫描速度。
因此,对于非常高的分辨率,建议根据时间特性计算频谱,即FFT。
由于非常高频信号(高达数 GHz)不能直接由 A/D 转换器采样,因此需要将感兴趣的频率范围作为一个块转换为 IF,然后对带通信号进行时域采样。
如下图所示。
对采样后的信号进行FFT计算,即可获得相应的频谱。
在特定分辨率下面,FFT可分析的最大带宽取决于 A/D 转换器的采样率和可用于保存采样值的存储器的限制。
因此,必须将大跨度的频率范围细分为单独的段,然后将其转换为块中的 IF 并进行采样。
当要求的频率范围宽,RBW窄的时候,即跨度/RBW比值比较大的情况下,如果数字信号处理速度足够高的话,使用FFT可以获得比传统滤波器更短的测量时间。
FFT滤波器的远端抑制度,受泄露效应的影响,具体取决于所使用的窗函数。
当使用平顶窗作为FFT的窗函数时,可以获得大约2.6的形状因子,由于使用模拟或数字IF滤波器的选择性。
FFT滤波器不适用与脉冲信号的分析,因此频谱分析仪有时候会同时提供FFT和传统滤波器。
审核编辑:汤梓红
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