频谱分析仪的工作原理及常见问题

 

信号的频谱分布实际上就是测量结果在频域上的反映，频域和时域的关系如图1所示。示波器在时域测得近似方波的信号，经过傅里叶变换被分解为基波和高达11次奇次谐波。当用频谱分析仪从频域观察时，能够识别出所有频率组成。以图1为例，基波、3次谐波、5次谐波和11次谐波可以被区分出来。由此可以看出，时域和频域是从不同角度对同一个信号的描述。简单介绍下频谱分析仪的工作原理：以带宽接收机开始，然后逐渐涉及频谱分析仪的其他部分。在了解这些内容和频谱结构的基本概念后，读者应该对RBW和VBW功能有所了解。

带宽接收机频谱分析仪的工作原理就像一个带宽接收机，带宽范围从几十KHz或几十MHz开始。接收机的功能是将输入信号的频率转换为检测回路能处理的频段，正如我们所知的外差法。图2位带宽接收机的基本结构，包括一个混频器、一个本机振荡器（LO）和一个带通滤波器。本机振荡器产生一个混频振荡信号。混频器将输入信号与本机振荡器产生的信号混合在一起，总信号就包括两种信号的和与差。量信号之差成为中频（IF），它是检测回路使用的部分信号。带通滤波器滤掉信号中不需要的成分，然后将仅留下的IF传到检测和显示单元。频谱分析仪本质上是一个带宽接收机，因此需要不只一次的频率转换。次数由频率范围、频率分辨率和RBW滤波器决定。

 

衰减器将衰减器置于射频输入路径，扩宽了输入信号准位的动态范围或对频谱分析仪增添了更多的输入保护。参考图3，衰减器将来自混频器（RF中部）的信号准位限制在一定范围内，如果输入信号超过参考准位，将会引起测量误差或伪噪声，这就是为什么某些频谱分析仪会在特定信号条件下列出仪器规格，包括混频器中具体的信号准位。分辨率滤波器当输入信号频率转换为更低频带并滤入检测和显示单元时，为了区别频率接近的信号，会用到RBW（分辨率带宽）滤波器，如图4所示。图5，在不同分辨率带宽下，RBW滤波器如何区分两种信号。将两个等幅信号通过两种RBW滤波器滤波，其中RBW1的分辨率优于RBW2。从结果可以看出，当通过较窄RBW1滤波器时，能清晰分辨出两种信号，但是通过较宽RBW2滤波器时，结果就不如RBW1。我们可以预测到，如果RBW2的分辨率带宽更宽，我们甚至会将结果误认为是一个信号。当两个信号的频率十分接近时，这种情况机会发生。另一种情况是，当两个信号的幅值差距很大，RBW1仍能够检测到较小信号，但是RBW2却不能，如图6所示。所以这些滤波器又称为分辨率滤波器。

检波器RBW滤波之后，检波器能够检测能量并将其转换成直流电压。显示单位利用该直流电压描绘频谱分布，如图7所示。

视频滤波器在直流电压进入显示单元之前，需要将检波器产生的噪声压缩，这个滤波器成为视频滤波器，它的带宽成为VBW，系统如图8所示，视频来自电视广播系统。视频滤波器也作为后置滤波器，图9呈现出VBW对显示输出的影响。如果待测信号通过两个VBW滤波器，其中VBW1小于VBW2，结果显示VBW2的底噪要比VBW1大。换句话说，视频滤波器将底噪平均了。但要注意的是，底噪准位并没有改变，VBW滤波器仅平均噪声准位，并不影响信号底噪的总体幅值。扫描时间上述内容介绍了频谱分析仪的基本机构，而且对RBW和VBW也作了详细解释。一般来说，扫描时间与频谱分析仪的频率分辨率成反比。扫描时间越快，解析度越低（RBW、VBW越宽）；扫描时间越慢，解析度越高（RBW、VBW越窄）。因此如果选择较窄的RBW或VBW，显示信号的时间就会变长。这就意味着RBW和VBW越窄，扫描时间越长。对于RBW/VBW/扫描时间，绝大多数频谱分析仪都具有自动和手动选择模式。自动模式权衡了频宽、RBW、VBW和扫描时间，通常能获得最好的结合。

 

 

问：在频谱分析仪上AM信号呈现什么波形？图10为AM信号在频域和时域的测量结果。在时域中，AM调制指数由A和B的大小决定。但是用示波器很难精确测量调制指数和载波频率。在频域中，很容易测量载波和调制信号的频率。根据载波和边带信号的差值（delta）dB以及标记读值，可以计算调制指数。

 

问：在频率分析仪上FM信号呈现什么波形？时域中的FM信号比AM信号更复杂，如图11所示。AM信号是幅值调制，而FM信号是频率调制。在FM信号中，频率经调制后以一定偏移量进行扫描，但是该偏移量却在时域很难测量。然而频谱分析仪却能直接显示出载波频率、调制信号频率、偏移量和带宽。