最全的频谱分析仪基础知识

描本振

扫描本振是整个频谱分析仪中的关键部分之一，扫描本振的稳定度和频谱纯度对许多性能指标都是一个限制因素。本振的稳定度影响最小分辨带宽，但是，即使利用频率很稳定的本振，仍然存在残余的不稳定度，这称之为相位噪声或相位噪声边带。相位噪声影响对邻近信号的观察，而如果我们只考虑带宽和形状因素，是不难观察到的。现代频谱分析仪的应用之一是直接测量其他设备的相位噪声，这对本振的相位噪声要求是非常高的。

频谱分析仪关键性能指标

频谱分析仪作为分析仪表，其基本性能要求包含：

1． 频率方面指标：

测量频率范围：反映频谱仪测量信号范围能力；

频率分辨率：反映频谱仪分辨两个频率间隔信号的能力。

2． 幅方面度指标：

灵敏度：频谱仪发现小信号的能力；

内部失真：反映频谱仪测量大信号的能力；

动态范围：频谱仪同时分析大信号和小信号的能力。

3.  另外频谱仪的性能还包含其分析精度和测量速度。

测量谐波失真或搜索信号要求频率范围从低于基波扩展到超过多次谐波。测量交调失真则要求窄的扫频宽度（SPAN），以便观察邻近的交调失真产物。因此，首先是选择有足够频率和扫宽范围的频谱分析仪。第二个要求是什么样的频率分辨率？测量双音交调对分辨率提出了严格的要求。

频谱分析仪测量频率范围由其本振范围决定。通过采用本振的谐波可扩展频谱分析仪的分析频率范围，还可采用外混频方法将其分析频率范围扩展至更高（75GHz; 110GHz；325GHz等）。

频率分辨率

这个例子反映频谱分析仪测量分辨率对测试结果的影响，输入的物理信号为两个频率间隔的信号，只有当频谱分析仪的分辨能力足够高时，才会在屏幕上正确反映信号的特性。

很多信号测试应用要求频谱分析仪要具有尽量高的频率分辨率。

 

图6  频率分辨率

频谱分析仪的频率分辨率与其内部的中频滤波器和本振性能有关。

其中，中频滤波器的影响因素包含：

滤波器类型；带宽；形状因数（shape factor)。

本振剩余调频（residual FM)和噪声边带也是确定有用分辨率时应考虑的因素。

依次分析每一项。首先要注意的事情之一，是在频谱仪上理想ＣＷ信号不可能显示为无限细的线，它本身有一定的宽度。当调谐通过信号时，其形状是频谱分析仪自身分辨带宽（IF滤波器）形状的显示。这样，如果改变滤波器的带宽，就改变了显示响应的宽度。技术指标的数据表中规定3 dB带宽，其它应用（EMC）定义滤波器带宽为6dB 带宽。

本振性能对分辨率有影响是因为中频信号来源于输入信号与本振信号的混频，两个信号中的噪声是功率相加关系。

输入信号相位噪声性能为：10kHz offset –110dBc/Hz；

混频本振相位噪声性能为：10kHz offset –110dBc/Hz，

则混频输出中频信号相位噪声性能为：10kHz offset –107dBc/Hz。

单点频信号在频谱上测试显示结果为中频滤波器的频响形状。

滤波器的形状通过其带宽（3dB或6dB）和矩形系数得到定义。这两个参数都会影响频谱分析仪的频率分辨能力。

 

图7  中频滤波器带宽和形状因素（矩形系数）定义

在双音测试中，两个信号相隔10kHz，RBW=10KHz时，仪表测试可显示出两个信号峰。显然用10kHz滤波器分辨出等幅双音信号是没有问题的。

频谱分析仪的RBW即为其分辨等幅信号的能力。

上面的分析得到的结论是：

频谱分析仪RBW 越小，其频率分辨率越高。

中频滤波器3dB带宽告诉我们，等幅信号彼此靠近到何种程度仍然能够彼此分开（根据3dB下降）。一般的说，如果两信号的间隔大于或等于所选用分辨带宽滤波器的3dB带宽，两个等幅信号就可以分辨出来。在双音测试中的两个信号表明了这个含义。当两个信号间隔10 kHz时，用10 kHz的分辨带宽容易分开它们。然而，若用较宽的分辨带宽，两个信号显示为一个。

注解：当两信号出现在分辨带宽之内时，由于两个信号相互作用，利用大约比分辨带宽小10倍的视频带宽可平滑其响应。

通常我们需测量不等幅信号。由于在我们的例子中两个信号描绘出滤波器的形状，小信号有可能被掩埋在大信号滤波器的裙边（filter skirt)中。对于幅度相差60dB的两个信号，其间隔至少是60dB 带宽的一半（用近似3dB下降）。因此，形状系数（滤波器60dB对3dB带宽之比）是决定不等幅信号分辨率的关键。

频率分析仪分辨不等幅信号举例：

对于相隔10kHz而幅度下降50dB的失真产物（distortion products) 的测试。

如