文档介绍：频谱仪原理与使用
刘波副教授
南京通信工程学院
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一、频谱仪简介:为什么要用频谱仪
卫星通信信号频率很高(数十兆赫到十几吉赫)、幅度很小(接收信号经放大后通常仅几毫伏甚至更低)不便用示波器观测。
卫星通信频带内通常有多个不同频率的调制载波同时存在,且在信号上叠加有相当大的噪声,示波器无法观测。
对信号的微小失真,从时域有时很难观测。
对卫星通信信号通常用频谱仪在频域进行观测,而不是用示波器在时域进行观测。
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一、频谱仪简介:功能与用途
与在时域上显示电压变化的示波器不同,频谱仪可在频域上显示功率变化
频谱仪的水平坐标为频率轴,垂直坐标为功率轴
频谱仪主要用于观测和记录某个指定频段内的信号频谱
通过对信号的频谱观测,可以了解信号在频域的分布情况以及信号的质量
通过对某部件输入、输出信号频谱的测量,得到部件的技术指标
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二、频谱仪工作原理:原理框图
频谱仪的原理框图如上图所示
输入信号经由衰减器和滤波器,被送到混频器
混频器的本振频率通常为周期性的扫频信号
混频输出经过中频放大、带通滤波、对数放大、包络检波及视频滤波,被送到显示器的Y轴
扫描信号发生器在控制本振频率扫频的同时,控制显示器X轴扫描
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二、频谱仪工作原理:工作原理
输入衰减器和滤波器(预选器)限制送给混频器的信号电平和带宽,保证混频器正常工作
在混频器中,输入信号与本振混频,得到中频信号
本振信号一般由频率合成器产生,可在某一范围内扫描
中频放大器及衰减器对混频器输出中频信号的电平进行调整
中频带通滤波器选出中频信号
中频放大器及滤波器常采用多级级联,中频带宽由最后一级滤波器带宽决定。该带宽可以受控改变,且决定频谱仪的分辨带宽(RBW)
包络检波器的输入信号通常由对数放大器压缩信号的动态范围,并且调整其电平范围
低通滤波器的带宽(视频带宽VBW)影响显示信号频谱的平滑度
现代频谱仪基本都采用高性能微处理器及DSP器件,使频谱仪的测量功能得到大大提高
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二、频谱仪工作原理:主要性能指标
频率范围(Frequency Range)
主要由输入预选器、本振和混频器频率范围决定
决定频谱仪能观测信号的频率范围
分辨带宽(Resolution Bandwidth - RBW)
由中频滤波器或数字滤波器带宽决定
分辨带宽越宽,滤波器稳定时间越短,可提供较快的测量;分辨带宽越窄,具有更高的频率分辨力和更低的噪声电平
频率准确度和稳定度( Frequency Accuracy & Stability)
视频带宽(Video Bandwidth - VBW)
选择较窄的视频带宽,可以得到较为平滑的谱线
本振相位噪声(LO Phase Noise)
由本振频率合成器决定
决定测量单频信号相位噪声的下限
影响能观测到的多频、窄带信号的电平范围
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二、频谱仪工作原理:主要性能指标(续一)
最大输入信号电平(Maximum Safe Input Level)
主要由输入衰减器、放大器决定
一般分最大连续功率和最大脉冲功率
输入信号电平超过最大输入信号电平时,会损坏频谱仪
平均显示噪声电平(Displayed Average Noise Level)
决定频谱仪能显示的最小信号电平,有时也称“灵敏度”
分辨带宽越窄,平均显示噪声电平越小
频响(Frequency Response)
影响宽带信号测量结果
幅度准确度(Amplitude Accuracy)
二次谐波失真(Second Harmonic Distortion)
影响二次谐波失真测试范围
三阶互调失真(Third Order Intermodulation Distortion)
影响三阶互调失真测量范围
扫描点数(Sweep Points)
扫描点数为显示屏在水平方向上的取样点数量
扫描点数越多,在水平轴上的显示精度就越高
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扫描时间(Sweep Time)
频谱仪X轴方向扫描一次所用时间
扫描时间与观测频率宽带(Span)、RBW、VBW;Span越宽、RBW和VBW越窄、扫描时间越长。扫描时间通常由频谱仪自动设置
对应于不同型号,扫描时间最长可为300s、1500s、乃至4000s
扫描时间越长,在0 span条件下检测电平变化的范围就越大
触发方式(Trigger Type)
通常有Free Run, Single, Line, Video, Offset, Delayed, External等触发方式
需要观测特定时间的信号频谱时,应选择适当的触发方式
二、频谱仪工作原理:主要性能指标(续二)
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其它测试功能
调制分析
噪声系数测试
发射损耗测试
EMI测试
其它使用性能
频谱存储、打印、输出
编程、遥控
二、频谱仪工作原理:主要性能指标(续三)
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中