扫描频谱分析仪基础知识：超外差光谱分析仪技术的优势

超外差频谱分析仪，也称为扫描或扫描频谱分析仪，是第一种使用的频谱分析仪形式。

从本质上讲，超外差频谱分析仪或扫描/扫描频谱分析仪是一种无线电接收器，在输出端有一个显示屏，指示输出电平。在所需范围内对接收机进行调谐或扫描，并选择滤波器以接受所需的信号带宽。

频谱分析仪使用许多无线电接收机中使用的超外差原理作为其操作所依赖的基本原理。超外差原理使用混频器，此外还使用本地生成或本地振荡器来转换频率。

扫描/扫描频谱分析仪的优缺点

与其他类型的频谱分析仪相比，扫描或扫描频谱分析仪具有许多优点和缺点。在选择合适的类型时，有必要了解它们之间的差异及其相对优点。

另一种主要类型的频谱分析仪使用数字技术并依赖于快速傅里叶变换，因此通常被称为 FFT 分析仪。

超外差光谱分析仪技术的优势

宽带：由于采用超外差原理，这种类型的频谱分析仪能够具有非常宽的扫描范围。扫描的跨度可以扩展到几 GHz。

能够在较宽的频率范围内工作：使用超外差原理，这种类型的频谱分析仪能够在非常高的频率下工作 - 许多频谱分析仪将其覆盖范围扩展到许多GHz，因为可以从非常高的频率转换到处理频段。

超外差频谱分析仪技术的缺点

无法测量相位：超外差或扫描频谱分析仪是一种标量仪器，无法测量相位 - 它只能测量给定频率上的信号幅度。

无法测量瞬态事件：FFT分析仪技术能够在短时间内进行采样，然后对其进行处理以提供所需的显示。通过这种方式，它能够捕获瞬态事件。由于超外差分析仪扫描所需的带宽，这需要更长的时间，因此无法有效地捕获瞬态事件。

过去，FFT频谱分析仪比更传统的扫频或超外差频谱分析仪更昂贵。然而，技术已经向前发展，现在在许多情况下几乎没有成本差异。通常，大多数现代频谱分析仪将使用数字处理，尽管它们可能仍使用超外差原理来提供所需的频率范围。

扫描频谱分析仪基础知识

扫频谱分析仪使用与许多无线电接收机相同的超外差原理，作为其工作所依赖的基本原理。超外差原理使用混频器和本地生成的本地振荡器信号来转换频率。

分析仪中使用的混频原理与超外差无线电的工作方式完全相同。

进入前端的信号被转换为另一个频率，通常频率较低。在设备的中频部分使用固定频率滤波器，可以使用高性能滤波器，并且可以通过改变进入混频器的本振信号的频率来改变分析仪或接收器的输入频率。

尽管频谱分析仪的基本概念与超外差无线电完全相同，但使其能够执行功能的特定实现略有不同。

超外差或扫频频谱分析仪框图

本振的频率决定了通过中频滤波器的信号频率。这在频率上是扫描的（频率线性增加），以便覆盖所需的频段。用于控制本振频率的扫描电压也控制显示屏上扫描的扫描。这样，扫描点在屏幕上的位置与本地振荡器的位置或频率有关，因此与输入信号的频率有关。此外，由于接收到的输入电平范围很大，通过滤波器的任何信号都会被进一步放大、检测并通常转换为对数刻度，然后被传递到显示器 Y 轴。

扫描频谱分析仪的元件

虽然扫描频谱分析仪的基本概念相当简单，但一些电路模块可能需要进一步解释。

射频衰减器：信号进入测试仪器时到达的第一个元件是射频衰减器。早期型号使用手动切换的衰减器，但现代分析仪通常由测试仪器中的处理器控制。其目的是将进入混频器的信号电平调整到最佳电平。如果信号电平过高，不仅读数可能落在显示屏之外，而且混频器性能也可能不是最佳的。混合器可能会在指定的操作区域之外运行，并且可能会看到其他混合产品，并且可能会在显示屏上看到错误信号。

事实上，当怀疑有错误信号时，可以调整输入衰减器以提供额外的衰减，例如+10 dB。如果显示电平上的信号下降超过此量，则很可能是不需要的混频产物，并且输入信号电平的射频衰减不足。

输入RF衰减器还用于为非常大的信号提供一些保护。非常大的信号很可能会损坏混频器。由于这些混合器是性能非常高的部件，更换起来并不便宜，而且相对容易损坏。还增加了一个保护元素。通常，输入RF衰减器包括一个电容，这样可以保护混频器免受被测线路上可能存在的任何直流电的影响。

低通滤波器和预选器：该电路跟随衰减器，用于消除带外信号。频谱分析仪中的该滤波器可防止无用信号与本振混杂，并在中频产生无用响应。这些将作为信号出现在显示屏上，因此必须将其删除。

微波频谱分析仪通常用更全面的预选器取代低通滤波器。这允许通过一个频带，并且其响应显然是针对感兴趣的频带量身定制的。

搅拌机：混合器自然是分析仪成功的关键。因此，搅拌机是高性能产品，通常非常昂贵。它们必须能够在非常宽的信号范围内工作，并提供非常低水平的杂散响应。产生的任何杂散信号都可能引起杂散响应，这些杂散响应将与实际信号一起显示在显示屏上。因此，混频器的动态范围性能对于整个分析仪至关重要。

使用扫描频谱分析仪时必须格外小心，不要将过多的功率直接馈入混频器，否则很容易发生损坏。在测试功率可能很高的无线电发射机时，可能会发生这种情况，并且意外地将衰减器调到低值设置，以便更高的功率电平到达混频器。因此，通常最好使用能够处理功率的外部固定衰减器。混频器损坏将导致频谱分析仪无法使用，需要维修，这通常很昂贵。

IF放大器：离开混频器的信号通常是低电平的，需要放大。级的增益是可调的，通常为10dB级。改变此处的增益会改变信号在分析仪垂直刻度上的位置。中频增益必须与射频增益控制结合使用，在现代分析仪中，两者通常相互连接和调整，以提供最佳的整体性能。过高的IF增益水平会增加前端噪声水平，这可能导致低电平信号被屏蔽。因此，RF增益控制通常应保持在尽可能高的水平，而不会使混频器过载。通过这种方式，整个测试仪器的噪声性能得到了优化。

IF滤波器：IF滤波器限制了所查看的带宽，从而有效地提高了频率分辨率。但是，这是以较慢的扫描速率为代价的。缩小IF带宽可降低本底噪声，并能够查看较低电平的杂散信号。

本地振荡器：频谱分析仪内的本地振荡器自然是设备整个运行的关键元件。它的性能决定了整个分析仪的许多整体性能参数。它必须能够在非常宽的频率范围内进行调谐，以使分析仪能够在所需的范围内进行扫描。它还必须具有非常好的相位噪声性能。如果振荡器的相位噪声性能较差，那么不仅会导致设备无法进行窄带测量，因为本振上的近相位噪声将转化为被测信号的测量值，而且还会阻止它对相位噪声本身进行任何有意义的测量 - 如今越来越多地进行这种测量。

斜坡发生器：斜坡发生器驱动本地振荡器和显示器的扫描。这样，显示器的水平轴就直接与频率相连。换言之，斜坡发生器由频谱分析仪上的扫描速率调整控制。

包络或液位检测器：包络检波器将来自IF滤波器的信号转换为可传递到显示器的信号电压。由于电平检测器必须适应非常大的信号差异，因此线性度和宽动态范围至关重要。

检测器的类型也可能对所进行的测量有影响。检测器是平均电平检测器还是提供RMS值。

RMS 检波器根据分配给该像素的样本计算显示迹线中每个像素的功率，即该像素所代表的带宽。将每个样本的电压平方相加，然后将结果除以样本数。然后取平方根给出 RMS 值。

对于平均值，将样本相加，然后将结果除以样本数。

显示：在许多方面，显示器是测试仪器的核心，因为这是查看信号频谱的地方。频谱分析仪的整个显示部分包含大量的处理功能，使信号能够以易于理解的方式查看。最小信号、最大峰值、自动峰值、突出显示和更多元素的标记等项目由该区域的信号处理控制。这些功能以及更多功能是所提供处理量显着增加的结果。

至于显示屏本身，最初使用的是阴极射线管，但现在最常见的显示形式是液晶显示器的形式。液晶显示器的使用确实有一些局限性，但总体而言，随着该技术的发展水平，它们可以提供所需的灵活性。

超外差频谱分析仪，或也称为扫描频谱分析仪，尽管已被使用数字FFT技术的频谱分析仪所取代，但仍在使用。然而，它有助于说明频谱分析仪的原理，并且通常在某些实验室中可能提供较旧的设备。

审核编辑：黄飞