頻譜分析儀原理
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時(shí)間：2012-01-29
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頻譜分析是要分析頻域的。一個(gè)信號(hào)要分析兩個(gè)參數(shù)，一是幅度，二是頻率。幅度已經(jīng)得出，而頻率和幅度要對(duì)應(yīng)起來(lái)，在某一頻率是什么幅度。 下面介紹一下頻率是如何測(cè)量的，如何與幅度對(duì)應(yīng)起來(lái)。
其實(shí)很簡(jiǎn)單。它是通過(guò)本振與掃描電壓對(duì)應(yīng)起來(lái)的。本振是一個(gè)壓流振蕩器。本振信號(hào)是個(gè)掃描信號(hào)。掃描控制是由掃描控制器來(lái)完成的。它同時(shí)控制顯示器的橫坐標(biāo)。從左到右當(dāng)掃描電壓在OV時(shí)，在顯示器上是0點(diǎn)，對(duì)本振信號(hào)來(lái)說(shuō)是F1點(diǎn)，即起始頻率點(diǎn)。當(dāng)掃描電壓到10V時(shí)，在顯示器上是終止頻率點(diǎn)，本振電壓就是在終止頻率點(diǎn)，中間是線(xiàn)性的。通過(guò)這樣的方法，使得顯示器坐標(biāo)的每一點(diǎn)與本振F1、F2的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)起來(lái)（射頻信號(hào)是本振信號(hào)減去中頻信號(hào)21.4MHz。當(dāng)我們操作頻譜儀進(jìn)行分析時(shí)，實(shí)際是在改變本振信號(hào)的頻率）。
下面簡(jiǎn)單介紹一下用頻譜分析儀來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)射機(jī)的方法。先了解一下發(fā)射機(jī)最基本的框圖，見(jiàn)圖3。
首先是一個(gè)調(diào)制部分將基帶信號(hào)調(diào)制到中頻信號(hào)，然后將中頻信號(hào)上變頻到射頻信號(hào)上，還有一個(gè)與之相對(duì)的本振信號(hào)，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)放，再進(jìn)行功率放大之后送到天線(xiàn)上發(fā)射。如何用頻譜儀對(duì)這樣一個(gè)發(fā)射機(jī)進(jìn)行測(cè)量。首先對(duì)它的發(fā)射信號(hào)從測(cè)量端口進(jìn)行測(cè)量（若是把發(fā)射信號(hào)直接送入頻譜儀，必然會(huì)把儀器燒壞）。在這里我們要測(cè)其功放的失真，發(fā)射信號(hào)的頻率、功率。對(duì)發(fā)射機(jī)內(nèi)部預(yù)放失真、增益、噪聲系數(shù)，混頻器的輸出功率，輸入功率進(jìn)行測(cè)量，得到混頻器的差落損耗。對(duì)混頻器的輸出功率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，了解其工作點(diǎn)。對(duì)混頻器的本振信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，得出本振信號(hào)的輸出頻率，了解其頻率精度。這個(gè)頻率精度也就決定了發(fā)射機(jī)的精度。 通過(guò)以上這些測(cè)量，可以得到對(duì)于發(fā)射機(jī)內(nèi)部信號(hào)、器件和輸出信號(hào)的多項(xiàng)參數(shù)，以描述這個(gè)發(fā)射機(jī)的性能。作為通訊的監(jiān)測(cè)，一般不去檢測(cè)其內(nèi)部的器件，只檢測(cè)其頻率、功率。只要這兩項(xiàng)指標(biāo)正常，就可以判定這部發(fā)射機(jī)是正常工作。
了解頻譜儀的功能，必須要考察頻譜儀的內(nèi)部噪聲、失真等等。一個(gè)放大器，要測(cè)它的失真、三階交調(diào)失真和諧波失真。三階交調(diào)失真是當(dāng)對(duì)一個(gè)放大器輸入二個(gè)頻率相近（如差10kHz）的信號(hào)，幅度一樣，由于放大器是非線(xiàn)性器件，在對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行功率放大時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一些其它信號(hào)，如2F1-F2和2F2-F1，這兩種信號(hào)就是三階交調(diào)失真（見(jiàn)圖4上）。
它的特性非?？拷虚g的信號(hào)，上面和下面都相差10kHz均勻排開(kāi)。假設(shè)這個(gè)信號(hào)的帶寬是20kHz，這兩個(gè)交調(diào)失真的信號(hào)肯定會(huì)進(jìn)到信號(hào)的帶寬內(nèi)，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾。為了不干擾正常的通訊，我們必須測(cè)量這失真信號(hào)的大小。描述的方法是這失真信號(hào)的幅度與正常的信號(hào)幅度之差，稱(chēng)之為失真量。 另外一種放大器的失真是諧波失真。當(dāng)對(duì)放大器輸入一個(gè)點(diǎn)頻信號(hào)F1，這個(gè)放大器會(huì)造成F2、F3，兩倍或三倍的多次諧波。若是正好在2F1等處有其它信號(hào)，就會(huì)造成干擾（見(jiàn)圖4下）。一個(gè)放大器存在以上兩種失真。我們用頻譜儀去測(cè)量這些失真的大小。定義三階交調(diào)失真為載波信號(hào)與失真信號(hào)的功率差。定義諧波失真為載波信號(hào)與某次諧波的功率差。
輸入被測(cè)放大器兩個(gè)信號(hào)F1、F1+10kHz，然后送入頻譜儀進(jìn)行測(cè)量。用兩個(gè)信號(hào)源通過(guò)混合器再經(jīng)過(guò)衰減器進(jìn)入一個(gè)帶通濾波器，以確保進(jìn)入放大器的信號(hào)只是F1和F1+10kHz，沒(méi)有其它成份。這個(gè)放大器產(chǎn)生交調(diào)失真的值是大于50dB，也就是失真信號(hào)與要放大的信號(hào)之間的差值幅度為50dB。它的二次諧波相差40dB，三次諧波相差50dB（測(cè)量諧波失真要關(guān)閉一個(gè)信號(hào)發(fā)生器的輸出），見(jiàn)圖5。
由于頻譜儀內(nèi)部含有混頻器，其特點(diǎn)是與有源器件放大器一樣的。當(dāng)輸入信號(hào)為兩個(gè)信號(hào)或是點(diǎn)頻信號(hào)時(shí)，這個(gè)混頻器也會(huì)產(chǎn)生以上所述的失真，并在頻譜儀上反應(yīng)出來(lái)，給測(cè)量帶來(lái)誤差。如何把頻譜儀誤差降低變?yōu)榭蓽y(cè)？
對(duì)于一種測(cè)量，可以使它成為可測(cè)，也可以使它成為不可測(cè)。這完全取決于頻譜儀的設(shè)置。包括對(duì)衰減器、頻率范圍、分辨率帶寬的設(shè)置。
頻譜儀的設(shè)置主要有頻率范圍、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，而動(dòng)態(tài)范圍又會(huì)涉及到最大的輸入功率即燒毀功率，增益壓縮使小于1W的輸入信號(hào)如果超過(guò)線(xiàn)性工作區(qū)也會(huì)有誤差。還有靈敏度。要從以上幾個(gè)主要方面來(lái)考慮頻譜儀對(duì)輸入的信號(hào)是否可測(cè)。
現(xiàn)在來(lái)看第一項(xiàng)參數(shù)頻率范圍。這個(gè)參數(shù)要從兩個(gè)方面看，一是頻率范圍的設(shè)置是否足夠的窄，具有足夠的頻率分辨能力，也就是窄的掃頻寬度（見(jiàn)圖6）。二是頻率范圍是否有足夠的寬度，是否可以測(cè)到二次、三次諧波。
當(dāng)我們用一個(gè)頻譜儀測(cè)量一個(gè)放大器的諧波失真的時(shí)候，若這個(gè)放大器工作點(diǎn)是1GHz，那么它的三次諧波就是3GHz。這就是要考慮頻率范圍的最大可測(cè)寬度。如果頻譜儀是1.8GHz的，那么就不能測(cè)量；如果是26.5GHz的頻譜儀，當(dāng)然可以測(cè)到它的三次，四次諧波。
第二類(lèi)指標(biāo)是分辨率。這是頻譜分析儀中非常重要的參數(shù)設(shè)置。分辨率表示當(dāng)要測(cè)量的是F1、而在F1的附近有另一個(gè)F2（見(jiàn)圖7）。但它們的功率不一樣，這時(shí)看能不能將它們區(qū)分開(kāi)。將這個(gè)中頻帶寬設(shè)置成三種不同的寬度，下面所對(duì)應(yīng)的就是在這一帶寬設(shè)置時(shí)所看到的曲線(xiàn)（顯示線(xiàn)）。很顯然中頻帶寬越窄分辨率越高，中頻帶寬越寬分辨率越低。分辨率帶寬直接影響到小信號(hào)的識(shí)別能力和測(cè)量的結(jié)果。
分辨率實(shí)際上就是分辨兩個(gè)信號(hào)的能力，中頻濾波器的3dB帶寬就是分辨率帶寬（見(jiàn)圖8）。
對(duì)信號(hào)的分辨除了分辨率帶寬會(huì)影響之外，還有一個(gè)參數(shù)，濾波器的形狀因數(shù)（見(jiàn)圖9），即濾波器60dB對(duì)3dB帶寬之比值。形狀因數(shù)越小越接近3dB帶寬。越陡峭就越接近于矩形，這時(shí)分辨能力就越強(qiáng)。所以說(shuō)形狀因數(shù)越小，分辨能力越強(qiáng)。
模擬濾波器一般為15:1或是11:1，而數(shù)字濾波器是5:1。對(duì)于一個(gè)信號(hào)的分辨能力還有兩個(gè)因素：剩余調(diào)頻和噪聲邊帶（見(jiàn)圖10)。
剩余調(diào)頻是本振信號(hào)的抖動(dòng)，這是無(wú)法避免的工藝問(wèn)題。這種抖動(dòng)決定了它能分辨信號(hào)間的小頻率范圍。如果兩個(gè)信號(hào)相差頻率是小于這個(gè)抖動(dòng)范圍，那么就無(wú)法把這兩個(gè)信號(hào)分辨出來(lái)。所以剩余調(diào)頻這個(gè)指標(biāo)就決定了頻譜分析儀的最小可分辨的頻率差。 對(duì)于HP-859X來(lái)說(shuō)是20Hz，對(duì)于ESA來(lái)講是10Hz。
噪聲邊帶在信號(hào)響應(yīng)基底上表現(xiàn)得不穩(wěn)定，這個(gè)噪聲可能掩蓋近端（靠近載波）的低電平信號(hào)。這個(gè)噪聲是由本振的抖動(dòng)引起的，在頻率域上的體現(xiàn)。這個(gè)邊帶噪聲降低了分辨能力。
對(duì)于頻譜分析儀來(lái)說(shuō)要降低邊帶噪聲是很困難的，這涉及到其壓控振蕩器的制作工藝。而把濾波器的形狀因數(shù)做小是相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)的。所以我們?cè)u(píng)定一個(gè)頻譜儀的時(shí)候不僅要考慮它的邊帶噪
評(píng)論