頻譜分析儀與測量

龔一君

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川綿陽，621000）

0 引言

在無線電通信中的眾多測量任務(wù)之一就是頻域中的信號檢測。頻譜分析儀就是功能眾多并廣泛使用的射頻測試儀表中的一種。其覆蓋的頻率范圍可達(dá)110GHz，主要用于頻率穩(wěn)定度、譜純度、信號失真度、調(diào)制度等信號參數(shù)的測量，是一種多用途的電子測量儀器，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)檢測、微波射頻、通信產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)以及維護(hù)活動(dòng)中。

1 頻譜分析儀的主要用途

頻譜分析儀作為分析信號的基本技術(shù)手段之一，其測試的對象是各種復(fù)雜信號。在測量領(lǐng)域，頻譜分析儀最早用于對無線電、通訊系統(tǒng)中各種未知信號的觀察，而后發(fā)展為用在頻域內(nèi)分析信號幅度隨頻率變化的情況，可以定量對信號參數(shù)進(jìn)行測試、分析。頻譜分析儀可測量信號頻率、信號功率、峰值功率、鄰道功率比、諧波遠(yuǎn)端雜波等，可從頻域內(nèi)分析信號所包含的頻率成份及各頻率成份中頻率和功率的關(guān)系。

（1）信號頻率測試

早期的頻譜分析儀在頻率測試時(shí)是用頻率度盤直接讀數(shù)，隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在頻譜分析儀具有內(nèi)置1Hz 位分辨率的高精度頻率器計(jì)數(shù)及光標(biāo)計(jì)數(shù)器，能在有高電平時(shí)對極低電平信號進(jìn)行準(zhǔn)確的頻率測試。

（2）信號幅度測試

絕對測試：早期的頻譜分析儀，無絕對定標(biāo)功能，無法進(jìn)行該測試。目前的頻譜分析儀可以利用分析儀內(nèi)置的幅度修正功能來改進(jìn)幅度測量，用光標(biāo)直接搜索讀數(shù)，幅度準(zhǔn)確度達(dá)±0.3dB 以內(nèi)。

相對測試：在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行相對測試。

（3）寄生和信號失真測試

信號失真包括：諧波失真、非諧波失真和雜波。頻譜分析儀可以直接顯示信號的各次諧波的幅度，用于判斷失真的大小和性質(zhì)，還可以測試信號的交調(diào)失真。

（4）調(diào)制信號種類和調(diào)制度

頻譜分析儀能直接測試出信號的調(diào)幅深度和調(diào)頻頻偏。

（5）相位噪聲測試

在頻譜分析儀中，相位噪聲測量一般分為兩步，首先測量載波功率，測量某一頻偏處的噪聲功率，然后由計(jì)算公式求得單邊帶相位噪聲。

現(xiàn)在大多數(shù)頻譜分析儀都有提供針對相位噪聲測量的測量選件。利用頻譜分析儀內(nèi)置相位噪聲測量選件，可根據(jù)需要靈活改變測量頻偏范圍（1Hz～1GHz），分辨率帶寬（RBW），中頻濾波器類型（模擬，數(shù)字，F(xiàn)FT）等測量參數(shù)，準(zhǔn)確的測量相位噪聲。

（6）分析猝發(fā)的信號

頻譜分析儀作為高靈敏度的接收機(jī)可以分析猝發(fā)的信號。

（7）電磁干擾測試功能

頻譜分析儀內(nèi)置電磁干擾測試功能，包括符合CISPT 規(guī)定的峰值(QP)檢測器，測試合格限定線和天線因子的編輯功能。

（8）進(jìn)行時(shí)域測量

頻譜分析儀作為時(shí)間函數(shù)的時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)對發(fā)射機(jī)輸出功率進(jìn)行測量。

2 頻譜分析儀類型

依據(jù)頻譜分析儀的實(shí)現(xiàn)方法和頻譜測試的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，頻譜分析儀一般可分為實(shí)時(shí)頻譜分析儀和掃頻型頻譜分析儀。

（1）實(shí)時(shí)頻譜分析儀

實(shí)時(shí)頻譜分析儀是指能實(shí)時(shí)顯示信號在某一時(shí)刻頻率成分及相應(yīng)幅度的分析儀，常見有兩種形式：并聯(lián)濾波器型分析儀（真正實(shí)時(shí)型）和快速傅立葉變換（FFT）式分析儀。

（2）掃頻型頻譜分析儀

掃頻頻譜分析儀有兩種形式：調(diào)諧濾波器式頻譜分析儀和掃頻超外差型分析儀。

3 信號測量基本步驟

給頻譜儀上電之前，應(yīng)先檢查電源電壓是否符合技術(shù)要求、保險(xiǎn)絲是否正確安裝、電源線是否完好無破損等。

（1）開機(jī)預(yù)熱

按開機(jī)按鈕（ON）接通儀器的電源，等待分析儀完成一系列自診斷和調(diào)節(jié)程序至完成開機(jī)，并預(yù)熱30 分鐘。

（2）自校準(zhǔn)

儀器開機(jī)預(yù)熱30 分鐘后按Preset 鍵儀器恢復(fù)到出廠設(shè)置狀態(tài)。

是德科技的E4404B、E4407B 頻譜分析儀進(jìn)行校正時(shí)需外接專用校準(zhǔn)線。其他產(chǎn)品如是德科技的E4411B、N 系列與羅德與施瓦茨的FSP、FSU 等系列以及中電科儀的4051 等型號不需要外接專用校準(zhǔn)線。

不同廠家的頻譜分析儀校準(zhǔn)菜單不一樣，以是德科技E4404B 為例介紹校準(zhǔn)過程：利用儀器隨機(jī)附件50Ω 低損耗電纜連接Amptd Ref Out 到Input 50Ω 端口，連接狀態(tài)如圖1。在儀器面板再按System?Alignments?Align Now?All，E4404B 開始自動(dòng)校準(zhǔn)功能，期間會聽到“咔咔…”聲音屬于正?，F(xiàn)象。

圖1 自校準(zhǔn)連接圖

（3）信號測量

對頻譜分析儀進(jìn)行調(diào)諧，使信號處于屏幕上，利用頻標(biāo)測量信號的頻率和幅度，可以用以下4 個(gè)步驟簡單測量輸入信號。

a)頻率設(shè)置

按Frequency 鍵，屏幕左側(cè)出現(xiàn)Center 字樣，Center Freq 菜單鍵標(biāo)識被加亮，可以利用旋鈕，步進(jìn)鍵或數(shù)值鍵改變有效功能值，利用數(shù)字鍵盤輸入與被測試信號相同的頻率值。

b)設(shè)置跨度SPAN（掃寬）

按SPAN 鍵，然后利用數(shù)字鍵設(shè)置帶寬值，讓信號在顯示屏上出現(xiàn)再用步進(jìn)鍵逐漸調(diào)整跨度（掃寬）到合適值。

c)設(shè)置參考電平

按下【AMPLITUDE】鍵，“REF LEVEL 0dBm”出現(xiàn)在有效窗口上，[REF LVL]軟鍵菜單以亮陰影方式顯示，改變參考電平的值可改變頂格線的電平值。

圖2 示出了中心頻率與參考電平在屏幕上的位置關(guān)系。方框表示頻譜儀的屏幕，水平軸為頻率，縱軸為幅度，改變頻率掃寬就是改變屏幕水平顯示的頻率范圍。

圖2 中心頻率與參考電平的關(guān)系

d)設(shè)置頻標(biāo)

按【MKR】鍵，[MARKER NORMAL]以亮陰影方式顯示，表明頻標(biāo)功能已被激活。一個(gè)菱形的標(biāo)記“?”頻標(biāo)顯示在峰值頂端，并能顯示出標(biāo)記處的頻率和幅度信息，轉(zhuǎn)動(dòng)旋輪可改變頻標(biāo)的位置。

當(dāng)按下【PEAK】時(shí)，頻標(biāo)將自動(dòng)置于信號峰值處，從有效功能窗口或者屏幕的右上角都可以得到被測信號的幅度和頻率。當(dāng)有效功能改變時(shí)，您仍能從屏幕的右上角讀出頻標(biāo)處信號的頻率與幅度,如圖3。

圖3 峰值標(biāo)記

（4）測量結(jié)果存貯

測量結(jié)果可存在儀器存貯器中，可存儀表狀態(tài)、測試結(jié)果、儀表顯示圖形等。

4 頻譜分析儀使用注意事項(xiàng)

頻譜分析儀是具有高精度、高可靠性的關(guān)鍵重要設(shè)備，應(yīng)注意正確使用和規(guī)范操作，避免造成儀器損壞。頻譜分析儀在使用前應(yīng)認(rèn)真閱讀使用產(chǎn)品手冊，在不同的使用場合，應(yīng)根據(jù)使用目的備齊附件并正確連接，特別應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）儀表供電

對于頻譜分析儀使用來說，正確使用電源是相當(dāng)重要的。在給頻譜分析儀加電之前，應(yīng)先檢查實(shí)際供電電壓是否與儀器標(biāo)注的供電電壓匹配，儀器保險(xiǎn)絲是否正確安裝，參照儀器后面板電源要求，采用完好無破損的三芯電源線，使用時(shí)保證電源地線可靠接地，避免導(dǎo)致儀器被毀壞，甚至對操作人員造成傷害。

（2）靜電防護(hù)

靜電對電子元器件和設(shè)備有極大的破壞性，通常我們使用兩種防靜電措施：導(dǎo)電地墊與腳腕組合，兩者同時(shí)使用時(shí)可提供良好的防靜電保障。若單獨(dú)使用，只有前者可以提供保障。為確保用戶安全，防靜電部件必須提供至少1MΩ 的對地隔離電阻。應(yīng)確保測試環(huán)境中所有儀器都正確接地，防止靜電積累。

（3）輸入端口保護(hù)

頻譜分析儀通常采用50Ω 的輸入阻抗。頻譜分析儀的輸入接頭形式一般有：N 型、3.5mm、2.4mm 等，在實(shí)際使用中一定要注意接頭與電纜以及其他連接器之間的匹配性，避免造成接頭損壞。測量連接前應(yīng)該對連接器進(jìn)行檢查和清潔，確保連接器干凈、無損。連接時(shí)應(yīng)佩帶防靜電腕帶，使用力矩扳手進(jìn)行連接，正確的連接方法和步驟如下：

a）如圖4 所示，對準(zhǔn)兩個(gè)互連器件的軸心，保證陽頭連接器的插針同心地滑移進(jìn)陰頭連接器的接插孔內(nèi)。

圖4 連接器連接示意圖

b）如圖5 所示，將兩個(gè)連接器平直地移到一起，使它們能平滑接合，旋轉(zhuǎn)連接器的螺套（注意不是旋轉(zhuǎn)連接器本身）直至擰緊，連接過程中連接器間不能有相對的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖5 旋轉(zhuǎn)連接示意圖

c）如圖6 所示，使用力矩扳手?jǐn)Q緊完成最后的連接，注意力矩扳手不要超過起始的折點(diǎn)，可使用輔助的扳手防止連接器轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6 力矩扳手使用示意圖

(4)輸入信號電壓

頻譜分析儀的最大輸入信號一般為1W(+30dBm) ，在儀器的前面板上進(jìn)行了標(biāo)注。頻譜分析儀標(biāo)注允許輸入的直流電壓為0VDC，要求輸入信號中不能包含直流電壓成分，當(dāng)需要測量包含直流電壓的信號時(shí)，必須加接有隔直流電容的附件或?qū)㈩l譜分析儀設(shè)為AC 耦合，如果在使用DC 耦合時(shí)同時(shí)有直流電壓輸入，則可能損壞分析儀的輸入電路。

(5)清潔頻譜分析儀

清潔儀器表面時(shí)，應(yīng)關(guān)機(jī)，斷開與儀器連接的電源線，用干的或稍微濕潤的軟布輕輕擦拭表面，禁止擦拭儀器內(nèi)部。

（6）校準(zhǔn)

當(dāng)儀器無法滿足特殊測量需求或者儀器周圍環(huán)境條件發(fā)生變化（溫度、濕度、震動(dòng)等）應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)；如果周圍環(huán)境相對穩(wěn)定（如實(shí)驗(yàn)室），可按照測試需求進(jìn)行校準(zhǔn)；關(guān)機(jī)后經(jīng)一定的時(shí)間再開機(jī)只需進(jìn)行預(yù)熱而無須校準(zhǔn)。

（7）獲得精確測量結(jié)果

為了獲得精確測量結(jié)果，我們在測試過程中應(yīng)保持頻譜分析儀周圍環(huán)境的穩(wěn)定，第一次開機(jī)測量前應(yīng)對儀器進(jìn)行自校準(zhǔn)，多次測量間隙不要關(guān)機(jī)，在測量過程中不能對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，提高外部參考輸入信號頻率準(zhǔn)確度；在不同的環(huán)境下進(jìn)行暫時(shí)測量，仍需運(yùn)行校準(zhǔn)程序。

5 頻譜分析儀主要指標(biāo)

頻譜分析儀的指標(biāo)由很多，為更好更快的使用頻譜分析儀，必須了解如下性能指標(biāo)。

（1）頻率范圍

頻率范圍是指頻譜分析儀能夠正確測量的最高頻率和最低頻率信號的范圍。顯示頻率范圍可以用開始頻率和終止頻率來設(shè)置（即要顯示的最小和最大頻率），或用中心頻率和頻率跨度進(jìn)行設(shè)置。

（2）頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)是指在規(guī)定頻率范圍內(nèi)幅度隨頻率的變化，即幅度與頻率的依賴關(guān)系。通過信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率已知、功率已知（通過功率計(jì)定標(biāo)）的正弦波信號輸入頻譜分析儀，考察頻譜分析儀在規(guī)定頻率范圍內(nèi)幅度隨頻率的變化。

（3）分辨率帶寬

頻率分辨率是指頻譜分析儀能夠分辨最小等幅信號的能力。信號發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。改變信號發(fā)生器頻率可等效看作改變中頻濾波器頻率，通過測量不同頻率信號在分析儀固定頻點(diǎn)的幅度響應(yīng)，可以等效看作測量中頻濾波器各頻率點(diǎn)的幅頻響應(yīng)，從而可以測量中頻濾波器的形狀（包括3dB 帶寬和矩形系數(shù)）。

（4）視頻帶寬

視頻帶寬是頻譜分析儀檢波器之后視頻電路中可調(diào)低通濾波器的帶寬。視頻濾波器位于檢波器之后，是決定視頻放大器帶寬的低通濾波器，可對噪聲起平滑作用，用于對跡線進(jìn)行平均或平滑，易于在噪聲中檢測微弱信號。改變視頻帶寬不影響頻譜分析儀的頻率分辨率，但選擇的視頻帶寬過窄，將增加掃描時(shí)間。

（5）參考電平

頻譜分析儀屏幕上已校準(zhǔn)的垂直刻度位置就是幅度測量的參考位置，參考電平通常是指刻度線的頂格。參考電平在切換會時(shí)會引起增益/衰減的聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象。參考電平轉(zhuǎn)換誤差主要用于考核頻譜分析儀的中頻增益的切換誤差。改變標(biāo)準(zhǔn)衰減器的設(shè)置值，參考電平切換引起的標(biāo)記讀數(shù)差值與標(biāo)準(zhǔn)衰減器的校準(zhǔn)值之間的誤差即為參考電平轉(zhuǎn)換誤差。

（6）相位噪聲

相位噪聲是振蕩器短時(shí)間穩(wěn)定度的度量參數(shù)。相位噪聲通常是以一個(gè)單載波的幅度為參考，并偏移一定頻率下的單邊帶相位噪聲。這個(gè)數(shù)值是指在1Hz 帶寬下的相對噪聲電平，故其單位為dBc(1Hz)或dBc/Hz，c 是指載波，由于相位噪聲電平比載波電平低，所以我們定義為負(fù)值。相位噪聲主要影響頻譜儀的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。固有噪聲可以理解為頻譜分析儀的熱噪聲，固有噪聲會導(dǎo)致輸入信號信噪比的惡化。因此，固有噪聲是頻譜儀靈敏度的度量指標(biāo)，決定了頻譜儀的最小可檢測電平。頻譜分析儀的固有噪聲計(jì)算方式：

式中：LDANL平均顯示噪聲電平，規(guī)定的平均噪聲電平 (R&S數(shù)據(jù)表:RBW=10Hz,RFATT=0dB)，RBWNoiseRBW 濾波器的等效噪聲帶寬，RFAttRF 衰減器，-2.5dB 修正因子(對數(shù)定標(biāo)的平均)

不同的濾波器6dB 帶寬和等效噪聲帶寬與3dB 帶寬的關(guān)系如表1 所示。

表1 濾波器6dB 帶寬和等效噪聲帶寬與3dB 帶寬關(guān)系表

a)二次諧波失真

當(dāng)信號輸入到非線性器件（如混頻器、放大器等）上時(shí)，非線性器件將產(chǎn)生該輸入信號的各次諧波。附加到信號上的無用的二次諧波分量被稱為二次諧波失真。通過將盡可能純凈的正弦波信號（通過外接濾波器實(shí)現(xiàn)）輸入頻譜分析儀，測試該信號通過頻譜分析儀后引起的二次諧波分量，可以得到二次諧波失真值。

b)三階交調(diào)

三階交調(diào)失真是由于器件的非線性，兩個(gè)或多個(gè)輸入信號頻譜分量相互作用形成的無用頻率分量。利用兩臺信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率間隔為50kHz，功率相同的兩個(gè)正弦波信號同時(shí)輸入頻譜分析儀，使用頻譜分析儀標(biāo)記功能直接測量三階交調(diào)失真產(chǎn)物。

6 結(jié)論

本文從多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來，介紹的測量方法在實(shí)際測量工作中有很好的效果，具有很高的實(shí)用性。對剛接觸頻譜分析儀的初學(xué)者能夠有一個(gè)很實(shí)際的測量引導(dǎo)，能較好、較快地解決頻譜分析儀使用問題。