频谱分析仪的工作原理和如何提高测试灵敏度

简单介绍了频谱分析仪的工作原理和频谱分析仪的频率分辨力，提出了使用频谱分析仪进行测试时如何选择频率分辨力和提高测试灵敏度。

一、 频谱分析仪的简单工作原理

现在所用的频谱分析仪多为超外差式，并采用多次变频（3～4次），以降低中频频率，实现窄通带和高分辨力。超外差式频谱分析仪的基本工作原理如图 1所示。输入信号与本振（LO）混频，产生中频（IF）信号经窄带中放被送到包络检波器，检波器输出信号被放大并使屏幕显示产生垂直偏转，扫描发生器保证屏幕显示的水平频率轴和本地振荡器调谐同步，它同时驱动水平偏转调谐LO。

图 1　超外差式频谱分析仪基本工作原理

二、 频率分辨力

当信号进入频谱分析仪显示时，所显示的形状其实是频谱分析仪自身分辨力带宽RBW（IF滤波器）形状的显示。若改变滤波器的带宽，也就改变了显示波形响应的宽度（如图 2所示）。频率分辨力为决定选择性的最低中频滤波器的带宽，带宽越窄，分辨力越高。

图 2　不同分辨力带宽下观测到的同一信号

滤波器的带宽通常定义在3dB（或6dB）点上。滤波器的带宽表示的是，可分辨的等幅信号间的最小频率间隔。

三、 掩埋在大信号裙边下的小信号的测量

一般来说，若两等幅信号的间隔大于或等于所选用分辨力滤波器的宽度，两个等幅信号就可以分辨出来了。但对于不等幅信号，尤其是一个大信号与一个相隔很近的小信号时，若两信号的间隔只大于或等于所选用分辨力滤波器的宽度，小信号有可能被掩埋在大信号的裙边中。因此，在具体测试确定分辨力大小时，还需考虑形状因数（滤波器60dB对3dB带宽之比，如图 3所示）。

图 3　波形因素

例如对于幅度相差60dB、频率相差为10kHz的两信号，其间隔至少是60dB带宽的一半，此时，形状系数是决定不等幅信号分辨力的关键。对于15：1的形状因数，1kHz分辨力带宽对应的60dB带宽是15kHz。它的一半是7.5kHz。即利用1kHz分辨力带宽就能区分两个信号了。所以此时分辨力带宽（B0）应小于或等于两倍的信号频率间隙（Δf）除以形状因数（K），即B0≤2Δf/K。

图 4　大信号与小信号同时显示

在选择较小的频率分辨力时需注意，由于较窄的滤波器所需的响应时间较长。若扫描时间设置的太快，频谱分析仪的分辨带宽滤波器不能充分响应，会导致信号幅度和频率显示不正确。为保证读数正确，需按下式设置扫描时间：

也可将扫描时间设为联锁（coupled）方式，由仪表根据选取的频率间隔和分辨带宽自动选取最快的可允许的扫描时间。

四、 测试灵敏度

在测量大信号时，一般不需考虑测试灵敏度。但在测试小信号时，如不注意，会使小信号掩埋在一片噪声之中，无法观测到。此时频谱仪的测试灵敏度就变得十分重要了。

频谱分析仪的灵敏度定义为在一定的分辨带宽下显示的平均噪声电平（平均指的是视频带宽足够窄去平均信号加噪声或仅仅噪声）。我们讲的测试灵敏度指的是可以测试的最小信号，一般比本机噪声大4～5dB，也就是说测试灵敏度主要由本机噪声决定。由于频谱仪自身产生的噪声大部分来自中频放大器的第一级，它是宽带白噪声，即它在整个频率范围内的电平是平坦的随机噪声，与分辨带宽滤波器相比它的频带是宽的。因此，分辨力带宽滤波器只通过一小部分噪声能量到包洛检波器。如果分辨带宽增加或减小10倍，则增加或减小10倍的噪声能量到达检波器，并且显示的噪声电平将增加或减小10，如图 5所示。

图 5　小信号与噪声电平

显示的噪声电平和分辨力带宽之间的关系是：

频谱分析仪的噪声是在一定的分辨带宽下定义的。频谱分析仪的最低噪声电平是在最小分辨带宽下得到的。

但在决定测试灵敏度时还需考虑输入衰减器。既然内部噪声主要取决于中放第一级，因此输入衰减器不影响内部噪声电平。但是，输入衰减器影响加到混频器的信号电平，并降低信噪比。这是由于当衰减器降低加到检波器的信号电平时，中放（IF）增益同时增加10来补偿这个损失，使显示的信号电平不随衰减增加而下降，显示幅度保持不变。但是，噪声电平被放大，增加了10。

综上所述，测试灵敏度由下列条件决定：

1. 最窄的分辨带宽

2. 最小的输入衰减（由于0dB输入衰减会增加输入驻波比，降低测量精度。我们一般选取10的输入衰减）。

3. 充分利用视频滤波器（视频带宽0.1～0.01分辨带宽）。