-
频谱分析仪系统主要的功能是在频域里显示输入信号的频谱特性
.
频谱分析仪依信号处理方式的不同
,
一般
有两种类型
;
即
时频谱分析仪
(Real-Time Spectrum
Analyzer)
与扫描调谐频谱分析仪
(Sweep-
Tuned Spectru
m Analyzer).
即时频
率分析仪的功能为在同一瞬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
而有相对应的滤波器与检知器
(Dete
ctor),
再经由同步的多工扫描器将信号传送到
CRT
萤幕上
,
其优点是能显
示周期性杂散波
(Periodic Random Waves)
的瞬间反应
,
其缺点是价昂且性能受限於频宽范围
,
滤波器的数目与
最大的多工交换时间
(Switching Time).
最常用的频谱分析仪是扫描调
谐频谱分析仪
,
其基本结构类似超外差
式接收器
,
工作原理是输入信号经衰减器直接外加到混波器
,
可调变的本地振荡器经与
CRT
同步的扫描产生
器产生随时间作线性变化的振荡频率
,
经混波器与输入信号混波降频后的中频信号
(IF)
再放大
,
滤波与检波传
送到
CRT
的垂直方向板
,
因此在
CRT
的纵轴显示信号振幅与频率的对
应关系
.
影响信号反应的重要部份为滤
波器频宽
,
滤波器之特性为高斯滤波器
(Gaussian-Shaped Filter),
影响的功能就是量测时常见到的
解析频宽
(R
BW,ResolutionBandwidth
).RBW
代表两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异
,
两个不同
频率的信号频宽如低於频谱分析仪的
RBW,
此时该两信号将重叠
,
难以分辨
,
较低的
RBW
固然有助於不同频
率信号的分辨与量测
,
低的
RBW
将滤除较高频率的信号成
份
,
导致信号显示时产生失真
,
失真值与设定的
RB
W
密切相关
,
较高的
RBW
固然有助於宽频带信号的侦测
,
将增加杂讯底层值
(Noise Floor),
降低量测灵敏度
,
对於侦测低强度的信号易产生阻碍
,
因此适当的
RBW
宽度是正确使用频谱分析仪重要的概
念
.
频谱分析仪的使用
一、
<
/p>
什么是频谱分析仪在频域内分析信号的图示测试仪。
以图形方式显
示信号幅度按频率的分布，即
X
轴表示频率，
< br>Y
轴表示信号幅度。
二、
原理：用窄带带通滤波器对信号进行选通。
三、
<
/p>
主要功能：显示被测信号的频谱、幅度、频率。可以全景显示，也可以选定带宽测试。
四、
测量机制：
1
、
把被测信号与仪器内的基准频率、基准电平进行对比。因为许多测量的本质都是电平测试，如
载
波电平、
A/V
、频响、
C/N
、
CSO
、
CTB
、
HM
、
CM
以及数字频道平均功率等。
2
、
波形分
析：通过
107
选件和相应的分析软件，对电视的行波形进行分
析，从而测试视频指标。如
DG
、
DP
、
CLDI
、调制深度、频偏等。
五、
操作：
（一）
硬键、软键和旋钮：这是仪器的基本操作手段。
1
、
三个大
硬键和一个大旋钮：大旋钮的功能由三个大硬键设定。按一下频率硬键，则旋钮可以微调
仪器显示的中心频率；按一下扫描宽度硬键，则旋钮可以调节仪器扫描的频率宽度；按一下幅度硬键，则
旋钮可以调节信号幅度。旋动旋钮时，中心频率、扫描宽度（起始、终止频率）、和幅度的
dB
数同时显
示在屏幕上。
< br>
2
、
软键：
在屏幕右边，有一排纵向排列的没有标志的按键，它的功能随项目而变，在屏幕的右侧对
应于按键处显示什么，它就是什么按键。
3
、
其它硬键：仪器状态
(INSTRUMNT
< br>STATE)
控制区有十个硬键：
RESET
清零、
CANFIG
配置、
CAL
校准、
AUX
CTRL
辅助控制、
COPY
打印、
MODE
模式、
SAVE
存储
、
RECALL
调用、
MEAS/US
E
R
测量
/
用
户自定义、
SGL
SWP
信号扫描。
光标（
MARKER
）区有四个硬键：
MKR
光标、
MKR
光标移
动、
RKR
FCTN
光标功能、
PEAK
SEARCH
峰值搜索。控制（
CONTRL
）区有六个硬键：
SWEEP
扫描、<
/p>
BW
带宽、
TRIG
触发、
AUTO
COVPLE
自
动耦合、
TRACE
跟踪、
DISPL
AY
显示。在数字键区有一个
B
KSP
回退，数字键区的右边是一纵排四个
ENTER
确认键，同时也是单位键。大旋钮上面的三个硬键是窗
口键：
< br>ON
打开、
NEXT
下一屏、<
/p>
ZOOM
缩放。大旋钮下面的两个带箭头的键
STEP
配合大旋钮使用作上
调、下调。
< br>
（二）输入和输出接口：位于一起面板下边一排。
TV
IN
测视频指标的信号输入口；
VOL
INTEN
是
内外一套旋钮控制、调节
内置喇叭的音量和屏幕亮度；
CAL
OUT
< br>仪器自检信号输出；
300Mhz
29dBmv
仪器标准信号输出口；
PROBE
PWR
仪器探针电源；
IN
75Ω1M—
1.8G
测试信号总输入口。
（三）
测试准备：
1
、限制性保护：规定最高输入射频
电平和造成永久性损坏的最高电压值：直流
25V
，交流峰峰值
10
0V
。
2
、
预热：测试须等到
OVER
COLD
消失。
3
、
自校：使用三个月，或重要测量前，要进行自校。
4
、
系统测
量配置：
配置是测量之前把测量的一些参数输入进去，
省去每次
测量都进行一次参数输入。
内容：测试项目、信号输入方式（频率还是频道）、显示单位
、制式、噪声测量带宽和取样点、测
CTB
、
< br>CSO
的频率点、测试行选通等。配置步骤：按
MODE
键
——
CABLE
TV
ANALYZER
软键
——
Setup
软
键，
进入设置状态。细节为
tune
config
调谐配置：包括频率、频道、制式、电平单位。
Analyzer
inpu
t
输入配置：是否加前置放大器。
Beats
setup
拍频设置、测
CTB
、
CSO
的频
点（频率偏移
CTB
FRQ
offset
、
CSO
FRQ
offset
）。
GATING
YES
NO
是否选通测试行。
C/N
setup
载噪比设置：频点（频
率偏移
C/N
FRQ
offset
）、带宽。
频谱分析仪原理
频谱分析仪基本原理实现框图
频谱分析仪对于信号分析来说是不可少的。它是利用频率域对信号进行分析、研究，同时也应
用于诸多领
域，如通讯发射机以及干扰信号的测量，频谱的监测，器件的特性分析等等，
各行各业、各个部门对频谱
分析仪应用的侧重点也不尽相同。下面结合我台
DSNG
卫星移动站的工作特点，就电视信号传输过程中利
< br>用频谱分析仪捕捉卫星信标，监控地面站工作状态等方面，简要介绍一下频谱分析仪的工作原理。
科学发展到今天，我们可以用许多方
法测量一个信号，不管它是什么信号。通常所用的最基本的仪器是
示波器，观察信号的波
形、频率、幅度等。但信号的变化非常复杂，许多信息是用示波器检测不出来的，
如果我
们要恢复一个非正弦波信号
F
，从理论上来说，它是由频率
F1
、电压
V1
与
频率为
F2
、电压为
V2
信号的矢量迭加（见图
1
）。从分析手段来说，示波
器横轴表示时间，纵轴
为电压幅度，曲线是表示随时间变化的电压幅度。这是时域的测量
方法，如果要观察其频率的组成，要用
频域法，其横坐标为频率，纵轴为功率幅度。这样
，我们就可以看到在不同频率点上功率幅度的分布，就
可以了解这两个（或是多个）信号
的频谱。有了这些单个信号的频谱，我们就能把复杂信号再现、复制出
来。这一点是非常
重要的。
对于一个有线电视
信号，它包含许多图像和声音信号，其频谱分布非常复杂。在卫星监测上，能收到多
个信
道，每个信道都占有一定的频谱成份，每个频率点上都占有一定的带宽。这些信号都要从频谱分析的
角度来得到所需要的参数。
从技术实现来说，目前有两种方法对信号频率进行分析。
其一是对信号进行时域的采集，然后对其进行傅里叶变
换，将其转换成频域信号。我们把这种方法叫作
动态信号的分析方法。特点是比较快，有
较高的采样速率，较高的分辨率。即使是两个信号间隔非常近，
用傅立叶变换也可将它们
分辨出来。但由于其分析是用数字采样，所能分析信号的最高频率受其采样速率
的影响，
限制了对高频的分析。目前来说，最高的分析频率只是在
10MHz
或是几十
MHz
，也就是说其测
量
范围是从直流到几十
MHz
。是矢量分析。
这种分析方法一般用于低频信号的分析，如声音，振动等。
另一方法原理则不同。它是靠电路的硬件去实现的，而
不是通过数学变换。它通过直接接收，称为超外
差接收直接扫描调谐分析仪。我们叫它为
扫描调谐分析仪。
在工作中
通常所用的
HP-859X
系列频谱仪都是此类的分析仪。其优
点是扫描调谐分析法受器件的影响，
只要我们把器件频率做得很高，
其分析能力就会很强。
目前的工艺水平，
器件可达到
100GHz
，
最高甚至可
< br>做到
325GHz
。
其频率范围
要比前一种分析方法大很多。
只是在达到较高分辨率时，
其分析
测量的时间会有
所增加。
<
/p>
在实际工作中，无线信号卫星信号的监督，由于其频率很高，都是采用扫描调谐的方式。它
所能给我们
的信息没有相位参数，只有幅度、频率。它是一种标量的分析方法。另外，这
种方法有很高的灵敏度，它
受到前端扫描调谐器件的控制，还有很高的动态范围。
下面我们着重介绍一下扫描调谐分
析仪的基本原理，从图
2
中，我们不难看出，它是用超外差接收
机的
方式来实现频谱分析的。
最基本的核心部分是它的混频器。基本功能是将被测信号下变至
中频
21.4MHz
，
然后在中频上进
行处理，
得到幅度。
在下变频的过程
中
，是由本振来实现下变频的。
本振信号是扫描的，本振扫描的范围
覆盖了所要分析信号的频率范围。
所以调谐是在本振中进行的。
全部
要分析的信号都下变频到中频进行分析并得到谱频。这与日常所用的电视机、收音
机的原理是一样的。
但是有
线电视输出信号范围很广，比如有
50
个频道播放。这
50
个信号是同时进入接收机的，其总功率
是迭
加的。而所看的电视节目只能是其中之一。同理，送入频谱仪的输入端口信号是所采集信号的总和，
其中包括所要分析的特定信号，所输入到频谱仪的功率是总功率。由此要引入一个参数
-
最大烧毁功率。这
一值是
1
瓦或是
+30dBm
。
也就是说输入到频谱仪的信号功率总和不能超过
1
瓦，
否则将会烧毁仪器的衰减
器和混频器。
例如，我们要监测一个卫星信号，假设其频率为
12GHz
，其功率可能只有
-80dBm<
/p>
左右，这是很小的。
但要知道输入信号是由很多信号迭加组成的，
若是在其它某一频率上包括一个很强的信号，即使你没有看
到这个大功率信号，若输入信
号功率的总和大于
1
瓦，也是要烧毁频谱仪的，而其中的大功率
信号并不是
你所要分析的信号。这是我们在日常工作中需多加小心的，因为更换混频器的
费用是很高的。
当然，频谱
仪在输入信号时并没有直接将其接入混频器，而是首先接入一个衰减器。这不会影响最终的
测量结果，完全是为了仪表内部的协调，如匹配、最佳工作点等等。它的衰减值是步进的，为
< br>0dB
、
5dB
、
10dB
，最大为
60dB
。
还有的频谱仪是不能输入
直流的，否则也会损坏器件。另外，还应注意不能有静电，因为静电的瞬时电
压很高，容
易把有源器件击穿。日常工作中把仪表接地就会有很好的效果，当然要有保护接地会更好。
在中频，所有信号的功率幅度值与输入信号的功率
是线性关系。输入信号功率增大，它也增大，反之相
同。所以我们检测中频信号是可行的
。另外，为了有效检测，要有一个内部中频信号放大。混频器本身有
差落衰减，本频和射
频混频之后它并不是只有一个单一中频出来，它的中频信号非常丰富，所有这些信号
都会
从混频器中输出。在众多的谐波分量中，只对一个中频感兴趣。这就是前面所说的
21.
4MHz
。这是在
仪器器件中已做好的，用一个带通滤波器把中
心频率设在
21.4MHz
，滤除其它信号，提取
21.4MHz
的中频
信号。通过中频滤波器输出的
信号，才是我们所要检测的信号。
< br>滤波器在工作中有几个因素：中心频率是
21.4MHz
，固定不变，其
30dB
带宽可以改变。比如对广播信
号来说，其带宽一般是几十
kHz
，若信号带宽
是
25kHz
，中频的带宽一定要大于
25kHz
。这样，才能使所
有的信号全部进来。如果太宽，就
会混入其它信号；如果太窄，信号才进来一部分，或是低频成份，或是
高频成份。这样信
号是解调不出来的。
中频带
宽设置根据实际工作的需要来决定的。当然它会影响其它很多因素，如底噪声、信号解调的失真
< br>度等。
经过中频滤波
器的中频信号功率就是反应了输入信号的功率。检测的方法就是用一个检波器，将它变为
电压输出，体现在纵轴的幅度。当然还要经过
D/A
转换和一些
数据处理，加一些修正和一些对数、线性变
换。这足以给我们带来信号分析上的许多方便
。
频谱分析是要分析频域的
。一个信号要分析两个参数，一是幅度，二是频率。幅度已经得出，而频率和
幅度要对应
起来，在某一频率是什么幅度。
下面介绍一下频率是如何测量的，如何与幅度对应起来。
其实很简单。它是通过本振与扫描电压对应起来的。本
振是一个压流振荡器。本振信号是个扫描信号。
扫描控制是由扫描控制器来完成的。它同
时控制显示器的横坐标。从左到右当扫描电压在
OV
时，在显示
器上是
0
点，对本振信号来说是
F1
点，即起始频率点。当扫描电压到
10V
时，在显示器上是终止频率点，
本振电压就是在终止频率点，中
间是线性的。通过这样的方法，使得显示器坐标的每一点与本振
F1
、
F2
的每一点对应起来（射频信号是本振信号减去中频信
号
21.4MHz
。当我们操作频谱仪进行分析时，实际是
在改变本振信号的频率）。
下面简单介绍一下用频谱分析仪来评价发射机的方法。先了解
一下发
射机最基本的框图，见图
3
。首先是一个调制部分将基带信
号调制到中频信号，
然后将中频信号上变频到射频信号上，
还有一
个与之相对的本振信号，
对射频信号进行
预放，
再进行功率放大之
后送到天线上发射。
< br>
如何用频谱仪对这样一个发射机进行测量。首
先对它的发射信
号从测量端口进行测量（若是把发射信号直接送入频谱仪，必然会把仪器
烧坏）。在这里我们要测其功放
的失真，发射信号的频率、功率。对发射机内部预放失真
、增益、噪声系数，混频器的输出功率，输入功
率进行测量，得到混频器的差落损耗。对
混频器的输出功率进行准确测量，了解其工作点。对混频器的本
振信号进行测量，得出本
振信号的输出频率，了解其频率精度。这个频率精度也就决定了发射机的精度。
通过以上这些测量，可以得到对于发射机内部信号、器件和输出信号的多项参数，以描述这个发
射机的性
能。作为通讯的监测，一般不去检测其内部的器件，只检测其频率、功率。只要
这两项指标正常，就可以
判定这部发射机是正常工作。
了解频谱仪的功能，必须要考察频谱仪的内部噪声、失
真等等。一个放
大器，要测它的失真、三阶交调失真和谐波失真。三阶交调失真是当对一
个放大器输入二个频率相近（如差
10kHz
< br>）的信号，幅度一样，由于放大
器是非线性器件，在对这两个信号进行功率放大时
，也会产生一些其它信
号，如
2F1-F2
和
2F2-F1
，这两种信号就是三阶交调失真（见图
4
上）。它
的特性非常靠近中间的信号，上
面和下面都相差
10kHz
均匀排开。假设这
< br>个信号的带宽是
20kHz
，
这
两个交调失真的信号肯定会进到信号的带宽内，
对信号产生干扰。为了不干扰正常的通讯
，我们必须测量这失真信号的大小。描述的方法是这失真信号的
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