浅析频谱测量以及频谱分析仪的应用特性

浅析频谱测量以及频谱分析仪的应用特性

张伟

(中国电子科技集团第三十八研究所，安徽  合肥  230088)

摘 要：频谱分析已经成为当前信号分析的主流，通过陈述频谱测量的概念、分类以及测量形式，引出频谱分析仪，分析了频谱分析仪扫描时间、频率跨度与视频带宽的相关性、参考电平与射频衰减的相关性，探讨了噪声、最大输入电平、抗扰度等决定频谱分析仪性能的因素。通过对频谱分析仪原理的阐述和特性的分析，列举了对频谱分析仪使用不当导致测试结果失真的案例，避免测量错误。

关键词：频谱测量；频谱分析仪；扫描时间；频率跨度；抗扰度

1引言

随着电子技术的不断发展，在通信、航天、航空、导航、遥控、电子智能领域的不断深入研究，频域内分析信号已经成为现代信号分析的重要趋势。这个时候频谱测量就应运而生，可以测量信号的电平、频率、频率响应、谐波失真、互调失真、频率稳定度、频谱纯度、调制度、衰减量等。随着频谱测量概念的产生，频谱分析仪出现并成为必不可少的信号分析手段。频谱分析仪可以对信号的频率、电平、频谱纯度及抗干扰特性等进行分析，成为电子领域必不可少的测量工具。

通过阐述频谱分析仪组成原理，分析频谱分析仪参数的相关性及探讨决定频谱分析仪性能的诸多因素，从而避免频谱分析仪在使用过程中由于操作不当导致的测试结果失真，保证测试结果的准确性和有效性，满足实际应用需求。

2 频谱测量

频谱测量就是在频域内测量信号的频率分量，以获得信号的多种参数。频率测量的基础是傅里叶变换，它可将一个随时间变化的信号变换成与该信号相关联的频率的函数，因而任意一个时变信号可以分解成不同频率、不同相位、不同幅值的正弦波。

频谱测量通常采用扫频式和实时式，扫频式是利用扫频超外差接收的原理，本振在宽频段内扫频，接收机是窄带的，所以在任一瞬间信号中只有一个频率分量被测量，随着本振的扫频，按顺序测量信号中的其余频率分量，这种方法只适用于连续信号和周期信号的频谱测量，测不出信号的相位。

实时式能在被测信号发生的实际时间内取得所需要的全部频谱信息，这种方法的特点是利用现代数字电路技术和计算机技术，对信号进行快速取样，通过相关处理和积分运算后存储并显示测量结果，这种方法特别适用于非重复性信号和持续时间很短的平稳随机过程及瞬态过程的频谱测量，也可用于周期信号的频谱测量，并能测量信号的相位。

3 频谱分析仪

频谱分析仪按照工作原理分为两种类型：扫频（非实时）频谱分析仪和实时频谱分析仪。

扫频（非实时）频谱分析仪实际上就是一台具有显示装置的扫频测试接收机。一次扫描过程中完成对重复信号的频谱分析。在某一瞬间只显示某个频率分量，因此它是非实时的。

实时频谱分析仪是将被测信号发生时间内的全部频谱信息进行显示和分析。

4 频谱分析仪参数的依赖性

4.1 扫描时间、频率跨度和视频带宽

频谱分析仪的扫描速度受中频滤波器和视频滤波器的瞬态响应时间所限。若 VBW > RBW，则扫描速度与视频滤波器的瞬态响应时间无关，所需的瞬态响应时间与RBW的平方成反比。若VBW < RBW，则最小扫描时间受视频滤波器瞬态时间的影响。如果达不到最小扫描时间，中频或视频滤波器不能达到稳定状态，会引起显示信号的幅度失真和频率偏移。为避免因扫描时间不足引入的误差，频谱分析仪在正常工作模式下，VBW 、RBW和扫描时间是连动的。为保证减小扫描时间，同时不影响视频滤波器的稳态工作，VBW约为RBW的3倍。

4.2　参考电平与射频衰减

频谱分析仪的动态决定于本底噪声和最大允许输入信号电平。为避免过载或者破坏后续电路，大信号输入前必须经过衰减，衰减量的大小由第一级混频器和后续电路的动态范围决定。频谱分析仪的参考电平与射频衰减也是连动的。

参考电平与射频衰减设置不当会导致两种形式的过载。第一种，由第一级混频造成，如果混频前没有预选器，则整个频带内的信号都会进入第一级混频器，而无论设置的频率跨度有多大，这样混频器会由于频跨外的信号电平过大造成过载，从而产生失真。第二种，由中频放大器和转换电路导致，这些电路的过载是由频跨内的信号过大造成，但这种过载产生的失真不会在显示的频跨内出现，它们将被后续的窄带滤波器压缩。在信号电平超过参考电平的情况下无法实现精确测试。因此，设置测试条件时，需充分考虑参考电平与射频衰减的设置。

5 频谱分析仪的特性

5.1 固有噪声与相位噪声

固有噪声可以理解为频谱分析仪的热噪声，它会导致输入信噪比的恶化，因此固有噪声是度量频谱分析仪灵敏度的重要指标，决定频谱仪的最小可检测电平。

相位噪声是振荡器短时间内输出信号相位、频率和幅度变化的度量参数，假设频谱仪的分辨率足够高，那么纯净的正弦信号频谱应为一根谱线，但实际振荡器产生的信号频谱却比单一谱线宽。相位噪声主要由锁相带宽决定，影响频谱分析仪的频谱纯度。

5.2 1dB压缩点和最大输入电平

对频谱分析仪来说，1dB压缩点是对输入电平而言的，其特性主要由第一级混频器决定，标称的输入电平指混频器输入端口的电平。改变衰减器设置时，1dB压缩点会随着衰减值的加大而以同样的量值增加。

为避免过载失真，显示的最大输入电平（即参考电平）值应在1dB压缩点以下。最大输入电平是使用者安全操作频谱分析仪的重要因素，为避免损坏频谱仪，输入电平不可超过最大输入电平。

5.3 抗扰度

加到频谱仪输入端口的信号可能包含无用频谱分量，与输入信号并没有实际联系。抗扰度指频谱仪抵抗干扰的能力，由镜像频率、杂散响应来衡量。为避免频谱分析仪自身的干扰频谱，分析测量结果时，应清楚频谱分析仪本身的特性。

6 结　论

随着信号频率的不断提升，其信号特征正得到越来越多的关注。在论述频谱分析仪组成原理，分析决定频谱分析仪性能因素的基础上，列举了由于对频谱分析仪使用不当导致测试结果失真的案例。我们在使用频谱仪时，应充分了解频谱分析仪的性能，尽可能排除由仪器自身特性造成的对测试结果的影响，充分发挥频谱分析仪在测试领域的最大效能。

参考文献：

[1]何毅军.频谱分析仪的失真测量[J].国外电子测量技术,2010,29(12):1-3．

[2]班万荣.频谱分析仪的原理和发展[J].现代电子技术,2005,28(7):101-102.

[3]李剑雄.频谱分析仪与测量技术基础[M].北京:人民邮电出版社,2011:13-16.