什么是頻譜分析儀，頻譜分析儀的工作原理是什么，頻譜分析儀怎樣使用？

　　什么是頻譜分析儀？

　　頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等。現(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲和運(yùn)算功能；配置標(biāo)準(zhǔn)接口，就容易構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。

　　頻譜分析儀的工作原理以及應(yīng)用方面推廣：

　　頻譜分析儀的組成及工作原理

　　圖1所示為掃頻調(diào)諧超外差頻譜分析儀組成框圖。輸入信號經(jīng)衰減器以限制信號幅度，經(jīng)低通輸入濾波器濾除不需的頻率，然后經(jīng)混頻器與本振（LO）信號混頻將輸入信號轉(zhuǎn)換到中頻（IF）。LO的頻率由掃頻發(fā)生器控制。隨著LO頻率的改變，混頻器的輸出信號（它包括兩個(gè)原始信號，它們的和、差及諧波，）由分辨力帶寬濾波器濾出本振比輸入信號高的中頻，并以對數(shù)標(biāo)度放大或壓縮。然后用檢波器對通過IF濾波器的信號進(jìn)行整流，從而得到驅(qū)動顯示垂直部分的直流電壓。隨著掃頻發(fā)生器掃過某一頻率范圍，屏幕上就會畫出一條跡線。該跡線示出了輸入信號在所顯示頻率范圍內(nèi)的頻率成分。

　　頻譜儀各部分作用及顯示信號分析

　　輸入衰減器：保證頻譜儀在寬頻范圍內(nèi)保持良好匹配特性，以減小失配誤差;保護(hù)混頻器及其它中頻處理電路，防止部件損壞和產(chǎn)生過大的非線性失真。

　　混頻器：完成信號的頻譜搬移，將不同頻率輸入信號變換到相應(yīng)中頻。在低頻段（《3GHz）利用高混頻和低通濾波器抑制鏡像干擾;在高頻段（》3GHz）利用帶通跟蹤濾波器抑制鏡像干擾。

　　本振（LO）：它是一個(gè)壓控振蕩器，其頻率是受掃頻發(fā)生器控制的。其頻率穩(wěn)定度鎖相于參考源。

　　掃頻發(fā)生器：除了控制本振頻率外，它也能控制水平偏轉(zhuǎn)顯示，鋸齒波掃描使頻譜儀屏幕上從左到右顯示信號，然后重復(fù)這個(gè)掃描不斷更新跡線。掃頻寬度（Span）是從左fstart到右fstop10格的頻率差，例如：Span=1MHz，則100kHz/div.

　　中頻放大器：其增益和衰減器設(shè)置值連動工作，即當(dāng)輸入衰減10dB時(shí)，則中頻增益同時(shí)增加10dB，使輸入信號電平保持不變。屏幕頂格線參考電平間接設(shè)置中頻增益值。當(dāng)參考電平↑（或↓）10dB，則增益↓（或↑）使信號↓移（或↑移）10dB，即改變信號顯示位置，但信號幅度保持不變。當(dāng)輸入衰減增加10dB時(shí)，信噪比減小10dB.這是因?yàn)檩斎胨p在混頻器之前，只對信號電平進(jìn)行衰減，而噪聲是混頻以后產(chǎn)生的，為保證輸入信號電平不變，混頻后的信號要相應(yīng)地放大10dB，這樣噪聲也就跟著相應(yīng)地放大，即噪聲電平增加10dB.

　　中頻濾波器：也稱分辨力帶寬濾波器，用來分辨不同頻率的信號。它只允許本振信號減去輸入信號的差頻等于中頻時(shí)，才能通過中頻濾波器，最后在屏幕上顯示。其它干擾信號將被抑制掉。

　　中頻濾波器的3dB帶寬也稱作分辨力帶寬（RBW）。之所以在頻譜儀上信號不可能顯示為無線細(xì)的線，而是有一定的寬度，是因?yàn)楫?dāng)調(diào)諧通過信號時(shí)，其形狀是頻譜儀自身分辨帶寬（IF濾波器）形狀的顯示。當(dāng)改變RBW時(shí)，就改變了顯示響應(yīng)的寬度。

　　RBW越小，其頻率分辨率越高。RBW減小10倍，則減小10倍的噪聲能量到達(dá)檢波器，并且顯示的平均噪聲電平將減小10dB，反之相反。噪聲電平變化ΔdB=10log（RBWnew/RBWold）=10log（1kHz/10kHz）=-10dB.

　　檢波器：它將輸入信號功率轉(zhuǎn)換為輸出視頻電壓，該電壓值對應(yīng)輸入信號功率。當(dāng)頻譜分析儀掃頻寬度Span=0時(shí)，包絡(luò)檢波器將對輸入信號進(jìn)行解調(diào)，作為工作在中心頻率（CF），帶寬為RBW的接收機(jī)（時(shí)域方式），顯示信號包絡(luò)波形。

　　視頻濾波器：是平滑噪聲顯示的。

　　它是對檢波器輸出視頻信號進(jìn)行低通濾波平均處理來平滑顯示的。減小視頻帶寬（VBW），可對頻譜顯示中的噪聲抖動進(jìn)行平滑，從而減小顯示抖動的范圍。這樣有利頻譜儀發(fā)現(xiàn)淹沒在噪聲中的小功率連續(xù)波（CW）信號，還可提高測量的重復(fù)性。

　　顯示：等效于調(diào)幅收音機(jī)中的揚(yáng)聲器。我們看到的每個(gè)頻率的幅度正是我們調(diào)諧調(diào)幅收音機(jī)時(shí)所聽到的每個(gè)頻率的幅度，信號在頻域上作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量顯示，矢量的長度=正弦波的峰值幅度，矢量在其頻率軸上的位置=信號頻率。

　　調(diào)幅信號測量分析

　　調(diào)幅波的特點(diǎn)是載波振幅的包絡(luò)隨調(diào)制信號而變化，其載波頻率fC不變。調(diào)幅信號用下式表示為U（t）=AC［1+macos（2πFMt）］

　　cos（2πfct）（4-1）。式中Ac=決定總信號幅度的常數(shù);m a =調(diào)幅深度（ 0≤m a≤1 ）;cos（2πfmt）=歸一化調(diào)制信號，fm=調(diào)制頻率;AC［1+macos（2πfmt）］決定載波包絡(luò)的幅度。fc=載波頻率。在時(shí)域上，具有正弦幅度調(diào)制的載波的波形如圖3所示。信號包絡(luò)變化就是調(diào)制信號，這樣對包絡(luò)波形的分析可反映調(diào)幅調(diào)制參數(shù)。波形包絡(luò)的最小值和最大值稱為Umin和Umax.

　　調(diào)幅系數(shù)m a可以從這兩個(gè)參數(shù)算出。當(dāng)調(diào)制正弦波處于它的最大正、負(fù)值即±1時(shí)，將出現(xiàn)最大包絡(luò)電壓Umax=1+ma;和最小包絡(luò)電壓Umin=1-ma.求得調(diào)幅系數(shù)ma=（Umax-Umin）/（Umax+Umin）（4-2）式，或ma=（1-Umin/Umax）/（1+Umin/Umax）（4-3）式。將（4-1）式展開得U（t）=ACCos（2πfct）+maAc/2［cos2π（fc+fm）t+cos2π（fc-fm）t］（4-4）式。由此可知，在頻域上，調(diào)幅信號U（t）由幅度為Ac的載波和兩個(gè)邊帶組成;一個(gè)處在fc+fm，另一個(gè)處在fc-fm，兩者的幅度均為maAc/2，頻譜如圖2所示。調(diào)制頻率fm是載波與其中一個(gè)邊帶的頻率差（邊帶相對載波呈對稱）。幅度差對應(yīng)于調(diào)幅系數(shù)ma.即相對于載波的邊帶幅度用dB表示為dBc=20log（ma/2），則ma=2&TImes;10dBc/20.

　　調(diào)幅信號測量實(shí)例

　　頻譜分析儀可用來在頻域和時(shí)域中表征調(diào)幅信號?？梢詼y量的參數(shù)有載波幅度和頻率、調(diào)制頻率以及調(diào)幅系數(shù)。

　　設(shè)置信號源輸出載波頻率fc=400MHz，載波幅度0dBm;調(diào)制頻率fm=100kHz（周期T=10us），調(diào)幅系數(shù)ma=50%.將信號源輸出接至頻譜儀輸入測量調(diào)幅信號。頻譜儀設(shè)置如下：

　?。?）按【復(fù)位】;（2）【頻率】、［中心頻率］、400［MHz］;（3）【幅度】、［參考電平］、0［dBm］;（4）【掃頻寬度】、［頻寬］、1 ［ M H z ］;調(diào)幅信號頻域特性為（ 5 ）【峰值搜索】、標(biāo)識載波信號;（ 6 ）【頻標(biāo)】、［Δ頻標(biāo)］、將標(biāo)識移至調(diào)制邊帶頻率位置處，即可測得頻率差Δf = f m= 1 0 0 k H z，邊帶相對于載波的幅度差dBc=-12.04dB，可以求出調(diào)幅系數(shù)ma=2&TImes;10dBc/20=2&TImes;10-12.04/20=50%.調(diào)幅信號時(shí)域特性為（7）按【掃頻寬度】、［頻寬：零頻寬］;（8）【帶寬】、［RBW：手動］、3［MHz］;［VBW：手動］、3［MHz］;（ 9 ）【幅度】、［線性］、［參考電平］、［↑］［↓］;調(diào)整參考電平使信號位于顯示中心位置。（10）【掃描】、［掃描時(shí)間：

　　手動］、1 0 0 ［ u s ］;（ 1 1 ）【觸發(fā)】、［視頻］、［↑］［↓］調(diào)整觸發(fā)電平，使信號穩(wěn)定顯示。（12）【頻標(biāo)】、［常規(guī)頻標(biāo)］，測量包絡(luò)峰值、［Δ頻標(biāo)］開啟相對測量，測量包絡(luò)峰-峰值。將標(biāo)識移至相鄰峰-峰值，則可測得調(diào)制信號周期T=10us，則f m= 1 / T = 1 0 0 k H z.將標(biāo)識移至相鄰峰值-最小值，即可測得線性幅度比Umin/Umax=0.333，代入（4-3）式可以求出調(diào)幅系數(shù)ma=（1-0.333）/（1+0.333）=1/2=50%.

　　還可從圖3 時(shí)域調(diào)幅波中可知波形包絡(luò)Umax=600mV，Umim=200mV，將其代入（4-2）式，得ma=（600-200）/（600+200）=1/2=50%.

　　頻譜儀可利用頻域和時(shí)域兩種方式測量調(diào)幅信號。通過講述頻譜分析儀的工作原理和測量信號分析，可正確理解、使用、操作和應(yīng)用頻譜儀。由于篇幅所限，僅對調(diào)幅信號進(jìn)行了測量分析，頻譜儀還可以對諧波失真、三階交調(diào)、激勵(lì)響應(yīng)、相位噪聲等多種類型的信號進(jìn)行頻率、功率、帶寬、調(diào)制等參數(shù)測量分析。

　　頻譜分析儀怎樣使用：

　　（1）AT5010頻譜分析儀測量幅度為：-100dBm--+13dBm，即：信號強(qiáng)度達(dá)到最高的一條水平刻度線時(shí)，此信號的幅度為-27dBm，每下一大格減10dBm。如果頻譜分析儀上的40dB衰減器全按下時(shí)，此時(shí)最高水平刻度線幅度為+13dBm（-27dBm+40dBm）。

　　（2）手機(jī)有些信號測試點(diǎn)可以直接用高頻電纜連接頻譜儀進(jìn)行測量。但有部分測試點(diǎn)因?yàn)榇嬖谧杩蛊ヅ涞膯栴}，不能直接測量，可選用安泰AZ530-H高阻抗探頭，探頭輸入電容為2pF，阻抗極高，可以直接定量測量手機(jī)上任何射頻信號不會對被測電路有任何影響。AZ530-H高阻抗探頭本身有20dB（典型值）的衰減，因此用其作定量測量時(shí)，要在其直接讀數(shù)上加20dB。

　　2．操作用頻譜分析儀測量手機(jī)的射頻信號比較方便，例如，測量愛立信T18第二中頻信號（6MHz）時(shí)，可按以下方法進(jìn)行。

　?。?）打開頻譜分析儀，調(diào)節(jié)亮度和聚焦旋鈕，使屏幕上顯示的光跡清晰。

　?。?）調(diào)節(jié)掃頻寬度選擇按鍵（SCANWIDTH）按鍵，使1MHz指示燈亮，表示每格所占頻率為1MHz。

　　（3）調(diào)節(jié)中心頻率粗／細(xì)調(diào)調(diào)節(jié)旋鈕，使頻標(biāo)位于屏幕中心位置，所指頻率為6MHz。

　?。?）將頻譜儀探頭外殼與T18電路主板接地點(diǎn)相連，探針插到第二中頻濾波器的輸出端，在電流表指針擺動時(shí)觀察頻譜儀屏幕上是否有脈沖式圖像，正常情況下，當(dāng)電流表指針擺動時(shí)，有脈沖圖像出現(xiàn)在6MHz頻標(biāo)位置。

　　再如，用頻譜分析儀測量諾基3310功放輸出信號的頻譜，可按以下步驟進(jìn)行測量。

　　（1）打開頻譜分析儀，調(diào)節(jié)亮度和聚焦旋鈕，使屏幕上顯示清晰的圖像。

　?。?）調(diào)節(jié)中心頻率粗／細(xì)調(diào)調(diào)節(jié)旋鈕，使頻標(biāo)位于屏幕中心位置，顯示屏顯示頻率值為900MHz。

　　（3）調(diào)節(jié)掃頻寬度選擇按鍵（SCANWIDTH）按鍵，使10MHz指示燈亮，表示每格所占頻率為10MHz。

　?。?）將頻譜儀外殼與3310主板接地點(diǎn)相連，控針插到功放塊的輸出端，并撥打“112”，觀察電流表擺動的同時(shí)觀看頻譜儀屏幕上有無脈沖圖像，正常情況下，在900MHz頻標(biāo)附近會出現(xiàn)脈沖圖像，但幅度會超出屏幕范圍，可以按衰減按鍵，使圖像最高點(diǎn)在屏幕范圍內(nèi)。

　　（5）標(biāo)記按鈕（ONOFF）：當(dāng)標(biāo)記按鈕置于OFF（斷）位置時(shí)，中心頻率（CF）指示器發(fā)亮，此時(shí)顯示器讀出的是中心頻率，當(dāng)此開關(guān)在ON（通）位置時(shí)，標(biāo)記（MK）指示器發(fā)亮，此時(shí)顯示器讀出的是標(biāo)記的頻率，該標(biāo)記在屏幕上是一個(gè)尖峰。

　　（6）標(biāo)記旋鈕（MARKER）：用于調(diào)節(jié)標(biāo)記頻率。

　?。?）LED指標(biāo)燈：閃亮?xí)r表示幅度值不正確。這是由于掃頻寬度和中頻濾波器設(shè)置不當(dāng)而造成幅度降低所致。這種情況可能出現(xiàn)在掃頻范圍過大時(shí)（相對于中頻帶寬（20kHz），或視頻濾波器帶寬（4kHz）），若要正確測量，可以不用視頻濾波器或者減小掃頻寬度