频谱分析仪基础知识、性能指标及实用技巧

频谱分析仪基础知识、性能指标及实用技巧

频谱分析仪是射频领域的重要测量工具，被誉为“射频万用表”。本文将从频谱分析仪的种类与应用入手，介绍其基本性能指标、操作要点和使用方法，同时深入总结实用技巧，并对常见问题进行解答。

频谱分析仪的种类与应用

频谱分析仪主要用于显示频域输入信号的频谱特性，依据信号处理方式的差异分为即时频谱分析仪和扫描调谐频谱分析仪两种。完成频谱分析有扫频式和FFT两种方式：FFT适合于窄分析带宽，快速测量场合；扫频方式适合于宽频带分析场合。

即时频谱分析仪可在同一时间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号设置相对应的滤波器与检知器，并经由同步多工扫瞄器将信号输出至萤幕，优点在于能够显示周期性杂散波的瞬时反应，但缺点是价格昂贵，且频宽范围、滤波器的数目与最大多工交换时间都将对其性能表现造成限制。

扫瞄调谐频谱分析仪是最常用的频谱分析仪类型，它的基本结构与超外差式接收器类似，主要工作原理是输入信号透过衰减器直接加入混波器中，可调变的本地振荡器经由与CRT萤幕同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，再将混波器与输入信号混波降频后的中频信号放大后、滤波与检波传送至CRT萤幕，因此CRT萤幕的纵轴将显示信号振幅与频率的相对关系。

基于快速傅立叶转换（FFT）的频谱分析仪透过傅立叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，进而达到与传统频谱分析仪同样的结果。新型的频谱分析仪采用数位方式，直接由类比/数位转换器（ADC）对输入信号取样，再经傅立叶运算处理后而得到频谱分布图。

频谱分析仪透过频域对信号进行分析，广泛应用于监测电磁环境、无线电频谱监测、电子产品电磁兼容测量、无线电发射机发射特性、信号源输出信号品质等领域，是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具，特别针对无线通讯信号的测量更是必要工具。另外，由于频谱仪具有图示化射频信号的能力，频谱图可以帮助我们了解信号的特性和类型，有助于最终了解信号的调制方式和发射机的类型。在军事领域，频谱仪在电子对抗和频谱监测中被广泛应用。频谱仪可以测量射频信号的多种特征参数，包括频率、选频功率、带宽、噪声电平、邻道功率、调制波形、场强等。

频谱分析仪常被用来放大器增益、频率响应与被动元件特性量测、失真度测量、通讯监测、有线电视影像资讯的量测，以及天线特性的量测。

频谱分析仪的性能指标与操作要点

频谱分析仪的基本性能指标包括频率、幅度以及测试精度和测试速度。其中，影响频谱分析仪频率分辨率性能的因素包括RBW、本振寄生调频、中频滤波器矩形系数，以及本振相位噪声。其中RBW是中频滤波器3dB带宽。RBW设置会影响频谱仪测试速度，当滤波器带宽小时，其响应时间会相应变长。

以下是扫频式频率分析仪基本性能指标的影响因素及相应的操作要点：

• 频率测量范围：扫频式频率分析仪分析频率范围由本振范围决定；
• 频率分辨率：扫频式频率分析仪频率分辨率与中频率滤波器和本振有关；测试中可通过减小RBW来提高频率分析分辨率
• 频率分析仪灵敏度：扫频式频率分析仪分析灵敏度与中频率滤波器、衰减器设值、视频滤波器和本振有关。其中频谱仪内部混频器及各级放大器会产生噪声，通过检波器会反映为显示白噪声电平(DANL)。而频谱仪噪声会影响被测信号功率测试：频谱仪显示信号=输入信号+内部噪声。衰减器设值大，噪声电平高。噪声电平随RBW按10㏒规律变化。测试中可通过减小RBW；VBW，衰减器设值和前置放大来提高分析灵敏度
• 频率分析仪内部失真：扫频式频率分析仪分析内部失真与混频器工作电平，中频放大器性能有关。各阶非线性失真变化规律为高阶失真信号幅度比基波信号变化速度快。由于混频器工作电平= 输入信号电平- 衰减器设值，为减小频谱分析仪内部失真，混频器应工作在尽量低电平，应加大衰减器设值。衰减器设值小时，频谱仪内部失真大、噪声电平低；衰减器设值大时，频谱仪内部失真小、噪声电平高。
• 频率分析仪衰减器：扫频式频率分析仪衰减器设置在灵敏度指标和内部失真指标间折。通过改变衰减器设置可判断频谱分析仪测试结果的真实性。

频谱仪对信号功率的测量与检波方式和平均方式有关。频谱仪检波方式有Peak、Negative Peak、Sample、Averaging Detectors。Peak检波方式适合CW 信号及信号搜索测试；Sample检波方式适合于噪声信号测试；Neg Peak检波方式适合于小信号测试；Averaging Detectors适合于ACPR及通道功率指标测试；RMS检波方式适合于对类噪声信号（CDMA）总功率测量。其中Averaging Detectors功率测量显示由多个包络电平值的平均得到，Averaging Detectors可减少显示信号的抖动，扫描速度越高，平均效果越明显。平均方式包括Log,、Lin、Power。Log平均（窄VBW、trace平均）适合于低电平CW信号测试；电压平均适合于脉冲信号上升下降时间测量；功率平均适合于信号平均功率测量。

频谱分析仪的使用

对于测量的可测与不可测与否，完全取决于频谱分析仪的设定。这包括了对衰减器、频率范围与解析度频宽的设置。频谱分析仪的设定包括频率范围、解析度和动态范围，动态范围又涉及最大输入功率即烧毁功率，增益压缩使小于1W的输入信号一旦超过线性工作区域便会出现误差。此外灵敏度也是考虑频谱分析仪对输入信号可测与否的关键。

参数频率范围要从两个方面观察，一是频率范围的设定是否够窄，以具有足够的频率分辨能力，也就是够窄的扫频宽度。二是频率范围是否有足够的宽度，是否可以测到第二次、第三次谐波。当用频谱分析仪测量一个放大器谐波失真的时候，若放大器为1GHz，则它的三次谐波就是3GHz，这就是要考虑频率范围的最大可测宽度。如果频谱仪是1.8GHz，就不能进行量测，如果频谱分析仪是 26.5GHz，就可以测到它的第三，第四次谐波。

解析度也是频谱分析仪中非常重要的参数设定。解析度表示当要测量两个频率的功率不一样时，必须将它们区分开来。将中频频宽设置成三种不同的宽度，下面所对应的就是在这一频宽设置时所看到的曲线。中频频宽越窄则解析度越高，中频频宽越宽则解析度越低。解析度频宽直接影响到微小信号的识别能力和测量的结果。

频谱分析仪实用技巧

1. 频谱分析仪的校准：频谱分析仪一般都有固定幅度和频率的校准器，使用频谱分析仪测量信号特别绝对信号电平测量时，需要对频谱分析仪进行校准，以保证信号测量精度；另外，通过校准信号的测量，可以检查频谱分析仪是否有问题。
2. 射频输入信号电平小于频谱分析仪允许的安全电平：在频谱分析仪输入端接入射频信号之间，一定要对输入信号电平进行正确估算，避免频谱分析仪射频输入大于频谱分析仪允许的安全电平，否则将会烧毁频谱分析仪输入衰减器和混频器。特别是在高功率信号测量中，要格外小心谨慎。例如用频谱分析仪测量1W以上高功率放大器时，注意在频谱分析仪输入端接衰减器，以使频谱分析仪的射频输入信号小于频谱分析仪允许的安全电平。
3. 确定频谱分析仪是否允许直流信号输入：某些频谱分析仪不允许直流信号输入，因此注意测量信号是否包含直接成分。特别是在某些系统中，射频信号和直流信号用同一根电缆传输，此时要特别小心，信号接入频谱分析仪射频输入端口之前，一定在频谱分析仪输入端接隔直流器，以免损坏仪器。例如在很多卫星通信系统，低噪声放大器的直流加电线和射频信号传输采用同一根电缆，测量这样射频信号时，特别注意在频谱分析仪射频输入接隔直流器，保护频谱分析仪的射频输入电路。
4. 低电平信号测量：频谱分析仪的灵敏度是指在特定带宽下，频谱分析仪测量小信号的能力。因此，在测量低电平信号时，特别是测量信号接近频谱分析仪本底噪声时，应减小频谱分析仪的射频衰减和分辨带宽，提高频谱分析仪的灵敏度，提高低电平信号的测量精度。另外减少视频带宽和采用视频平均技术，虽然不影响频谱分析仪的灵敏度，但可以改善小信号测量精度。
5. 合理设置频谱分析仪参数：在测试射频信号时，合理设置频谱分析仪的分辨带宽、扫频带宽、视频带宽和扫描时间等，确保频谱分析仪CRT不出现测量不准的信号提示。当频谱分析仪CRT出现测量不准信息，此时测量无法保证测量精度。

频谱分析仪常见问题Q/A

1. 频谱分析仪在零扫宽能够测得的最快脉冲上升时间是多少？

• 测得的上升时间一般不会超过频谱分析仪的最佳上升时间。分析仪的上升时间由下面这个公式来确定：Tr = 0.66/max RBW，其中RBW为分辨率带宽。例如，在 PSA中，RBW最大值为8 MHz。因此，最快的上升时间为：0.66/8 E6 = 82.5 nS。然而，RBW过滤器带宽误差为± 15%，额定值（中心频率= 3 GHz），因此上升时间范围在71.7 nS到97 nS之间。参见具体频谱分析仪的技术资料或规范指南。

2. 是否可以将频谱分析仪当做网络分析仪使用？

• 是的，有2种方法可将频谱分析仪当作网络分析仪使用，但是都只能进行标量测量。方法1：使用频谱分析仪内置的跟踪信号源。如果要测量反射系数，则还需要一个定向耦合器去采集反射功率。方法2：使用独立的源。如需要可配上耦合器。前提是频谱仪的扫描速度要快过信号源的扫描速度。但这种方式通常不被推荐，因为它的准确性较低。对于校准，可用到的方法是归一化的方法。这种方法把接收机和源的频率响应移除。然而，矢量网络分析仪采用更强大的误差校准技术，还可以消除不匹配和交调带来的的影响。这就意味着，一般来讲，和频谱分析仪方法相比较，网络分析仪可以进行更准确的测量。

3. 当清晰信号应用到射频输出端时，为什么频谱分析仪间距中发现了杂散信号？

• 过度激励分析仪的输入混频器可能会导致杂散信号。大多数频谱分析仪（尤其是使用谐波混频扩展调谐范围的分析仪）都拥有二极管混频器。将用于创建中频信号的LO与该二极管混频器中的输入信号相结合时，创建内部失真。为多种混频器输入电平规定第2个和第3个失真产品。针对不同的频谱分析仪，可参阅校准指南或规范指南中的动态范围曲线。无杂散动态范围取决于混频器中的输入电平。深入了解动态范围图表非常重要，但简单测试可以确定显示的杂散信号是否是一个内部生成的混合产品还是输入信号的一部分：修改输入衰减。衰减器是射频输入和第一个混频器间的唯一一个硬件。在杂散信号上做出标记并提高输入衰减。如果标记值没有改变，那么杂散信号就属于外部信号。而如果标记值改变，信号就是内部信号或者是内外部信号的总和。继续增加衰减，直到标记值不再改变，再开始测量。这一点就是优化第一个混频器输入电平的最佳值，因为此时所做的测量内部失真最低。一般来说，需要测量的动态范围越广，第一个混频器的输入电平就应该越低。屏幕图像下端的黄色迹线表示在输入混频器被过度激励时的内部失真。衰减为零。蓝色迹线表示当衰减设置为10dB时，杂散信号所减少的电平。

4. 怎样使用频谱分析仪、前置放大器和信号发生器测量噪声系数？

• 只用频谱分析仪和前置放大器，就能作许多噪声系数测量。只需用频谱分析仪、前置放大器和信号发生器，就能覆盖被测器件的频率。这种方法的精度低于需要经校准噪声源的Y因素技术，与所关注频率的分析仪幅度精度相当。具体测量步骤为：
  1. 把信号发生器和频谱分析仪设置为所测噪声系数的频率，测量器件的增益。把该值标为Gain(D)。
  2. 同样方法测量前置放大器增益。把该值标为Gain(P)。
  3. 断开频谱分析仪的任何输入，把输入衰减器设置为0dB。前置放大器输入没有任何连接。把它的输出接到频谱分析仪输入。在作这一连接时，您会看到分析仪显示的平均噪声级的增加。
  4. 把被测器件的输入接至其特性阻抗，把输出接到前置放大器输入。此时分析仪显示的噪声级应增加。
  5. 把频谱分析仪视频带宽（VBW）设置为分辨率带宽的1%或更低。按标记功能（MKR FCTN）键，然后按Noise Marker On软键。把标记放置在所要测噪声系数的频率上。读以dBm/Hz为单位的标记噪声功率密度读数，把它标为Noise(O)。
  6. 然后计算被测器件的噪声系数NFig：NFig = Noise(O) - Gain(D) - Gain(P) + 174 dBm/Hz

5. 分辨率带宽(RBW)和视频带宽有什么区别？

• RBW是您能隔离两个信号，并还能看到它们的最小带宽。RBW也会影响KTB噪声系数功率，因为RBW每改变10 倍，KTB功率改变10dB。视频带宽滤波器噪声。视频带宽用于平均，它等效一个低通滤波器。为过滤噪声，视频带宽通常设置得较窄，但又不过窄，因为这会减慢扫描时间。在特定情况下视频带宽可设置得较宽。一个例子是不需要，或不要求平均。另一个例子是在零跨距时测量AM。为测量AM，视频带宽需要足够宽。