頻譜分析儀的工作原理和如何提高測(cè)試靈敏度

簡單介紹了頻譜分析儀的工作原理和頻譜分析儀的頻率分辨力，提出了使用頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)如何選擇頻率分辨力和提高測(cè)試靈敏度。

一、 頻譜分析儀的簡單工作原理

現(xiàn)在所用的頻譜分析儀多為超外差式，并采用多次變頻（3～4次），以降低中頻頻率，實(shí)現(xiàn)窄通帶和高分辨力。超外差式頻譜分析儀的基本工作原理如圖 1所示。輸入信號(hào)與本振（LO）混頻，產(chǎn)生中頻（IF）信號(hào)經(jīng)窄帶中放被送到包絡(luò)檢波器，檢波器輸出信號(hào)被放大并使屏幕顯示產(chǎn)生垂直偏轉(zhuǎn)，掃描發(fā)生器保證屏幕顯示的水平頻率軸和本地振蕩器調(diào)諧同步，它同時(shí)驅(qū)動(dòng)水平偏轉(zhuǎn)調(diào)諧LO。

圖 1超外差式頻譜分析儀基本工作原理

二、 頻率分辨力

當(dāng)信號(hào)進(jìn)入頻譜分析儀顯示時(shí)，所顯示的形狀其實(shí)是頻譜分析儀自身分辨力帶寬RBW（IF濾波器）形狀的顯示。若改變?yōu)V波器的帶寬，也就改變了顯示波形響應(yīng)的寬度（如圖 2所示）。頻率分辨力為決定選擇性的最低中頻濾波器的帶寬，帶寬越窄，分辨力越高。

圖 2不同分辨力帶寬下觀測(cè)到的同一信號(hào)

濾波器的帶寬通常定義在3dB（或6dB）點(diǎn)上。濾波器的帶寬表示的是，可分辨的等幅信號(hào)間的最小頻率間隔。

三、 掩埋在大信號(hào)裙邊下的小信號(hào)的測(cè)量

一般來說，若兩等幅信號(hào)的間隔大于或等于所選用分辨力濾波器的寬度，兩個(gè)等幅信號(hào)就可以分辨出來了。但對(duì)于不等幅信號(hào)，尤其是一個(gè)大信號(hào)與一個(gè)相隔很近的小信號(hào)時(shí)，若兩信號(hào)的間隔只大于或等于所選用分辨力濾波器的寬度，小信號(hào)有可能被掩埋在大信號(hào)的裙邊中。因此，在具體測(cè)試確定分辨力大小時(shí)，還需考慮形狀因數(shù)（濾波器60dB對(duì)3dB帶寬之比，如圖 3所示）。

圖 3波形因素

例如對(duì)于幅度相差60dB、頻率相差為10kHz的兩信號(hào)，其間隔至少是60dB帶寬的一半，此時(shí)，形狀系數(shù)是決定不等幅信號(hào)分辨力的關(guān)鍵。對(duì)于15：1的形狀因數(shù)，1kHz分辨力帶寬對(duì)應(yīng)的60dB帶寬是15kHz。它的一半是7.5kHz。即利用1kHz分辨力帶寬就能區(qū)分兩個(gè)信號(hào)了。所以此時(shí)分辨力帶寬（B0）應(yīng)小于或等于兩倍的信號(hào)頻率間隙（Δf）除以形狀因數(shù)（K），即B0≤2Δf/K。

圖 4大信號(hào)與小信號(hào)同時(shí)顯示

在選擇較小的頻率分辨力時(shí)需注意，由于較窄的濾波器所需的響應(yīng)時(shí)間較長。若掃描時(shí)間設(shè)置的太快，頻譜分析儀的分辨帶寬濾波器不能充分響應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)幅度和頻率顯示不正確。為保證讀數(shù)正確，需按下式設(shè)置掃描時(shí)間：

也可將掃描時(shí)間設(shè)為聯(lián)鎖（coupled）方式，由儀表根據(jù)選取的頻率間隔和分辨帶寬自動(dòng)選取最快的可允許的掃描時(shí)間。

四、 測(cè)試靈敏度

在測(cè)量大信號(hào)時(shí)，一般不需考慮測(cè)試靈敏度。但在測(cè)試小信號(hào)時(shí)，如不注意，會(huì)使小信號(hào)掩埋在一片噪聲之中，無法觀測(cè)到。此時(shí)頻譜儀的測(cè)試靈敏度就變得十分重要了。

頻譜分析儀的靈敏度定義為在一定的分辨帶寬下顯示的平均噪聲電平（平均指的是視頻帶寬足夠窄去平均信號(hào)加噪聲或僅僅噪聲）。我們講的測(cè)試靈敏度指的是可以測(cè)試的最小信號(hào)，一般比本機(jī)噪聲大4～5dB，也就是說測(cè)試靈敏度主要由本機(jī)噪聲決定。由于頻譜儀自身產(chǎn)生的噪聲大部分來自中頻放大器的第一級(jí)，它是寬帶白噪聲，即它在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的電平是平坦的隨機(jī)噪聲，與分辨帶寬濾波器相比它的頻帶是寬的。因此，分辨力帶寬濾波器只通過一小部分噪聲能量到包洛檢波器。如果分辨帶寬增加或減小10倍，則增加或減小10倍的噪聲能量到達(dá)檢波器，并且顯示的噪聲電平將增加或減小10，如圖 5所示。

圖 5小信號(hào)與噪聲電平

顯示的噪聲電平和分辨力帶寬之間的關(guān)系是：

頻譜分析儀的噪聲是在一定的分辨帶寬下定義的。頻譜分析儀的最低噪聲電平是在最小分辨帶寬下得到的。

但在決定測(cè)試靈敏度時(shí)還需考慮輸入衰減器。既然內(nèi)部噪聲主要取決于中放第一級(jí)，因此輸入衰減器不影響內(nèi)部噪聲電平。但是，輸入衰減器影響加到混頻器的信號(hào)電平，并降低信噪比。這是由于當(dāng)衰減器降低加到檢波器的信號(hào)電平時(shí)，中放（IF）增益同時(shí)增加10來補(bǔ)償這個(gè)損失，使顯示的信號(hào)電平不隨衰減增加而下降，顯示幅度保持不變。但是，噪聲電平被放大，增加了10。

綜上所述，測(cè)試靈敏度由下列條件決定：

1. 最窄的分辨帶寬

2. 最小的輸入衰減（由于0dB輸入衰減會(huì)增加輸入駐波比，降低測(cè)量精度。我們一般選取10的輸入衰減）。

3. 充分利用視頻濾波器（視頻帶寬0.1～0.01分辨帶寬）。