频谱分析仪工作原理及应用分析

梁烈勇

摘 要：频谱分析仪是现在分析信号的基本仪表之一，应用范围广泛，比如说频谱监测、EMI测试等。本文以扫频式调谐分析仪为分析对象，阐述了其工作原理和主要指标，最后以R&S FSH4为例讲解了实际应用。

关键词：频谱分析仪；分辨率带宽；混频；显示噪声电平

一、频谱分析仪工作原理

观察与测量信号可以从时域的角度出发，比如说使用示波器，横轴表示信号时间，纵轴表示信号幅度。但是现实中信号非常复杂，一个信号往往由多个信号矢量叠加而成，这种情况下示波器很难还原信号真实成分。使用频谱分析仪就可以观察到各个频率点不同功率幅度的分布，能够把复杂信号再现出来。

[1]现在主流频谱分析仪是扫频式调谐分析仪，采用超外差结构。图1是超外差频谱分析仪结构示意图，射频输入衰减器是防止强信号烧毁频谱仪，衰减器的衰减值与中频放大器的放大值是联动的。预选器或者低通滤波器是防止镜像干扰，有些频谱仪为了改善信噪比提高接收机灵敏度，在前级设置低噪声放大器。混频器是频谱分析仪核心器件，输入信号与本振通过混频器相互作用后得到一个固定中频信号。假设输入信号为f1，本振信号为f2，则混频器输出为f2+f1和f2-f1。中频滤波器起频率选择性作用，只有才能通过中频滤波器。对数放大器能够扩大整个频谱分析仪的动态范围，包络检波就是对中频信号解调取得取其包络。视频滤波器对信号包络进行平滑，扫描信号发生器能够同时控制本振和显示器的横轴。

二、频谱分析仪主要指标：

1.扫频范围

频谱分析仪扫频范围主要是由本振决定的，可以通过设置起始频率start frequency和终止频率end frequency决定，也可以通过设置center frequency和span来决定，两者的作用是相同的。比如start frequency = 100MHz，end frequency = 200MHz和center frequency = 150MHz，span = 100 MHz是一样的。如果扫频范围设置太大，扫频时间会相对较长，测量精度会降低。

2.RBW

[2]RBW是分辨率带宽，就是中频滤波器的3dB带宽，反映了频谱分析仪分辨区分两个相邻等幅信号的最小频率间隔能力。RBW设置的越小，则频谱分析仪区分不同频率信号能力越强，频谱分析仪本底噪声也越小。如果span设置太大，RBW设置太小，则扫频速率会降低，扫频时间增加，有可能会遗漏一些信号。

3.相位噪声

相位噪声是由于本振的不稳定造成的，表现为信号频谱的噪声边带，反映了信号短期的稳定性。只有待测信号强度远大于系统的底噪时，相位噪声才会显示出来。相位噪声与本振的设计有关，尤其与稳定本振的锁相环结构相关。减少分辨率带宽RBW也会减少相位噪声。如果相位噪声太大，会淹没待测信号附近的小信号。

4.DANL

DANL是频谱分析仪显示平均噪声电平，它是由频谱分析仪内部电路的噪声决定的，反映了频谱分析仪的灵敏度。为了保护频谱仪，在前级设置了衰减，频谱仪底噪会相应提高。这是因为中频放大器与衰减器联动所致，频谱分析仪的内部噪声主要是其第一级决定，中频放大器放大信号的同时也会放大噪声。当检测微弱信号的时候，可以通过前置LNA来改善信噪比提高灵敏度，也可以通过减少RBW来减少噪声电平。

三、应用分析

以R&S FSH4为例，选择该手持频谱仪的网络分析功能在调节腔体滤波器中应用。

1.校准

开机后，在MOD按键下选择“网络分析仪”模式，在MEAS按键下选择“校准”功能。选择“两端口归一化校准”，根据提示分别选择校准直通、校准端口1短路、校准端口2短路。

2调节腔体滤波器

仪表端口1连接腔体滤波器的IN，仪表端口2连接腔体滤波器的OUT。仪表中心频率设置为118MHz，频率范围设置为1MHz。（仪表FREQ和SPAN按键）增加三个标记点。MARKER按键 -> 新建标记 -> 分别设置M1、M2、M3为118MHz、117.5MHz、118.5MHz。选擇MEAS -> 结果显示 -> 正向传输（端口1到2），调节腔体滤波器的中间旋钮，使波形峰值位于M1的位置。调节滤波器两侧旋钮使选择性大于15dB（M2、M3处的衰减值），插损小于1.5dB（M1处的衰减值）。

四、结束语

随着技术的发展，现在中高端频谱分析仪都具有real time模式，这种是利用FFT计算不同频率的号出现的概率，并以不同颜色表示。real time模式还特别适合观察方便同一频点大信号下的小信号，非常有利于无线电干扰测试和EMI测试。由于使用了FFT，计算量特别大，SPAN一般不超过40MHz。

参考文献

[1] 田迟鹏，徐宁，李福林.无限频谱分析试技术[J].电子质量，2006，（7）：14-15.

[2] 影响须谱分析仪频率分辫率的因素[J] .《现代电子技术》，2011（7）.