2022年频谱分析仪 .pdf

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1、频谱分析仪1. 频谱仪是什么？1. 1 定义一切信号 ,不管它是编码型的、发射型的或是其它什么类型的；不管是周期重复的、瞬态的还是随机的，其基本参数之一就是频谱特性。用于频域内分析这些信号参数的仪器叫做频谱仪。或者说频谱仪是把信号的能量作频率的函数显示出来的测量仪器。它实质上是一台被校准于正弦波有效值的峰值响应的选频电平表。1.2 分类按照工作原理分，频谱有两种基本的类型：实时频谱仪和扫频调谐式频谱仪。实时频谱仪包括多通道滤波器（并联型）频谱仪和FFT 频谱仪。扫频调谐式频谱仪包括扫描射频调谐型频谱仪和超外差式频谱仪。1.2. 1 实时频谱仪实时频谱仪能同时显示其现实频率内的所有频率分量，而且

2、保留了相位信息，不仅能分析周期信号、随机信号，而且能分析瞬时信号，显示相位关系。a. 多通道频谱仪：信号同时送到每一个滤波器，滤波器的输出表示输入信号中进该滤波器通带内的那部分能量，显示出是各滤波器通带内的信号的合成信号。优点：速度快，可构成实时测量系统。缺点：由于受滤波器数量及带宽限制，这类频谱仪主要工作在音频范围。b. FFT分析仪：输入 fs 图 1 FFT 频谱仪简化框图FFT频谱仪的核心：就是以函数进行付立叶变换的数学计算为基础的计算机分析。能完成多通道滤波器式频谱仪相同的功能。一般工作在DC100kHz的低频段。优点：可测非周期信号，保留相位信息。缺点：相对来说频率范围小、灵敏度低

3、、动态范围小1.2.2 扫描调谐式频谱仪这类频谱仪对输入信号按时间顺序进行调谐，因此只能分析在规定的时间内频谱几乎不变化的周期重复信号。扫描射频调谐型频谱仪：利用中心频率可电调的带通滤波器来调谐和分辨输入信号。这类频谱仪价格便宜，但分辨率、灵敏度都较差。超外差式频谱仪：应用最广泛的是超外差式频谱仪，它是按外差方法选择所需频率分量，这种方法固定中频， 只改变本振频率，这类频谱仪频率分辨率、灵敏度和测量频率范围都比较好。（工作原理类似于AM 收音机）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -

4、 - 第 1 页，共 21 页 - - - - - - - - - 图 2 扫描射频调谐频谱仪原理框图2. 为什么要进行频域测量？描述信号最直接的途径是采用时域表征方式（如示波器）。描述信号另一个途径是利用频域表征方式，付式理论将时域和频域表征联系起来，适当利用付式级数，付式变换和离散付式变换（ DFT ）能将时域函数X（t ）变换成频域函数X （f ） 。2.1 为什么要采用频域测量技术呢？频域测量仪器相对于时域测量仪器有一些优点：a. 较之时域测量具有更高的灵敏度。由于窄带频域测量带宽几乎可以被任意压缩，故能大大减少测量中的噪声。窄带测量还能除去某些频率上的强干扰信号。例如在测量正弦波谐波

5、失真（示波器不限百分之几，而频谱仪往往允许到0.01 ） ；b. 某些系统原本就与频域有关，如：电信系统中所用的频分复用系统（FDM ） ；c. 多重信号在频域中更容易分离。利用频谱仪能区分这些频率成分并精确加以测量，而用示波器则难以做到。如图3 所示在频域中信号的频率成分可很清楚的辨别出。图 3 时域与频域的关系3. 超外差式频谱分析仪3.1 简介图 4 超外差式频谱仪原理简图注： 超 -超音频， 外差 -混频在讨论这些单元怎样一起工作前，先来了解一下每一个部分a. RF 输入衰减器：是一步进衰减器，位于输入信号和第一个混频器之间，用于调节到达第一个混频器的信号电平大小，以防止由于电平过高或

6、宽带信号引起混频器增益压缩或失真。b. 混频器：三端口器件，把信号从一个频率变换成另一个频率。输入信号有两个，分别是输入信号 fsig和本振信号fLO 。由于混频器是非线性器件，它的输出是这两个频率的和或差。我们感兴趣是这两个频率的差，即中频信号fIF ，如图 5 所示。混频器调谐公式：fsig = fLO - fIF 图 5 fLO= fIF +fsig c. 本振（LO）: 是一压控振荡器 （ VCO ）,扫描发生器调谐LO 以使它的频率与斜波电压成比例。并且扫描发生器同步视频信号的采样，以便根据输入信号的频率校准显示器的水平（频率）轴。d. 低通滤波器：防止高频信号进入混频器，同时也抑制

7、中频频率的信号进入混频器，以免产生假响应。比如： fIF =3.6GHz, fLO=3.6GHz6.5HGz, fsig=02.9GHz如果输入端同时有1GHz,8.2GHz信号，对于 1GHz fLO= fIF +fsig=4.6GHz 对于 8.2GHz fLO= fIF -fsig=4.6GHz e. IF GAIN( 中频增益 ) 用于调节IF 信号进 IF 滤波器的幅度大小，包括中频放大器和衰减器，通过改变中频增益而改变参考电平。现在的频谱仪一般都是中频增益和RF 输入衰减器保持联动，以使在改变RF 输入衰减器时，参考电平保持不变。f. IF滤波器名师资料总结 - - -精品资料欢迎

8、下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 21 页 - - - - - - - - - 是一带通滤波器, 可看成是一个探测信号的窗口,它的带宽也叫作频谱仪的分辨率带宽(RBW)， 通常中频带宽越小越好，因为RBW 减小，分辨信号的能力就越强，同时提高了信噪比（SNR ） ，但同时扫描时间也会增加，所以选择RBW 要根据实际情况确定。图 6 IF 滤波器大小对分辨信号的影响现代频谱仪的窄分辨带宽受数字滤波器实现的（即通过数字信号处理来实现滤波功能） ，如8562E 100Hz以下的分辨率就是采用的数字滤

9、波器。图 7 数字中频级为什么采用数字滤波器? 因为模拟滤波器存在频率漂移,做到到极窄带宽比较困难（1Hz ） ，而且采用数字滤波器可大大提高响应速度。g. 检波器中频滤波器后面是包络检波器，经过包络检波器和中频信号变为视频信号，通常检波器前或后有一个对数放大器，把信号电平变为对数刻度方式，大大减小显示检波器检测的信号电平的变化和提高显示的动态范围。图 8 最简单的包络检波器在 HP 频谱仪的菜单中有 检波器模式 的选择，应注意这里所说的检波器不是包络检波器。现代频谱仪的检波器的输出还要经过采样并经过ADC数字化， ADC的数字输出被作为信号幅度显示在 Y 轴上。由于受存储器大小和显示器分辨率

10、等因素的制约，通常频谱仪显示器上的显示点数为 400 ，600 （856xe） ，800 ，1000点，所以视频信号在显示前还要经过检波，这里的检波与上面所说的包络检波无关，也叫作 显示检波器 ，通常称为频谱仪的 检波器模式 ，不应与包络检波器相混。图9 可看出显示检波器通常在视频滤波器后面。图 9 显示检波器在 Agilent频谱仪中，有以下几种检波器模式：正峰值检波、负峰值检波、采样检波方式和Rosefell方式。见图10 所示。图 10 Agilent频谱仪的检波器模式通常正峰值检波适合于信号（正弦波），采样方适合于噪声。856xe系列频谱仪缺省的方式是Rosefell方式，它可以理解为

11、一种智能的方式，它根据输入信号动态地改变检波方式。比如当在一个采样仓内即上升又下降，它认为此是噪声，便交替采用正、负峰值检波；当在一个采样仓内持续上升，它认为此是此是信号，便采用正峰值检波。h. 视频滤波器（ VBW ）是一低通滤波器，位于包络检波器之后，ADC之前，视频滤波器决定了视频放大器的带宽，它的作用是用来平均或平滑现实的轨迹。频谱仪显示的是信号加噪声，信号越靠近噪声电平，就有越多的噪声使信号难以读出。通过减小视频滤波器的大小，可以减小噪声的峰峰值变化从而使信号易于读出。见图11 和图 12 。图 11 频谱仪显示的是信号加噪声图 12 经平滑以后的显示现在的数字化频谱仪还提供另外一种

12、平滑显示的方法：视频平均。856xe系列频谱仪就有此方名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 21 页 - - - - - - - - - 法，它通过内部微处理器的计算实现平滑。公式如下：该选择何种平滑方式？多数情况下， 这两种方式得到的结果是相同的。比如要测的是噪声或是靠近噪声的低电平信号正弦波，两种方法得到的结果是相同的。但两者还是有区别的，视频滤波是一种实时的方法，是在扫描过程中同步完成的。而视频平均则需要多次扫描过程完成平均过程。因此在观察一个频谱随时间改

13、变的信号时，两者得到的结果是不一样的。比如在测量FM 广播信号时。以上各部分是怎样一起工作的？如图 13 所示，信号从分析仪的输入端输入，经过衰减器、低通滤波器后与本振混频变成中频信号，中频信号经过IF 滤波器后，然后被检波，检波器的输出电压驱动CRT 的垂直偏转系统。扫描发生器在显示水平轴和本振的调谐之间提供同步。以上所诉省略了一些部分，但他们同样是重要的。图 13 频谱仪的工作过程3.2 上述所讲与实际频谱仪的一些区别。3.2.1 多次混频实际的频谱仪常常用到2 4 混频，是IF 下降到最终一个合适的频率比如Agilent71100最终的 IF 是 3MHz 。如图 14 所示。图 14

14、一般频谱仪要经过24 混频则完整的调谐公式为：fsig = fLO1 (fLO2fLO3 fLO4 ffinalIF) 3.2.2 扩展频率范围问题上面所讲的仅涉及单波段、低频段（对于 Agilent频谱仪一般是02.9GHz） ，为了扩展频段，最常用的方法是使用谐波混频（即利用本振的谐波与输入信号混频），由于要扩展频段，首先要去掉低通滤波器，其次降低中频（对于Agilent，典型的中频321.4MHz） ，见图 15 。图 15 典型的带预选器的频谱仪前端结构为什么降低IF？因为：首先降低IF 自然提高了频率范围；其次，中频不应当在所测信号频率范围内。混频器调谐公式变为：fsig= nfLO

15、 fIF n-LO的谐波次数例如 8560e系列频谱仪的频率范围与谐波次数如下：谐波次数频率范围1 9kHz2.9GHz 1 2.75GHz6.46GHz 2 5.7GHz13.2GHz 4 12.4GHz31.15GHz 8 31GHz50GHz 根据公式可画出调谐曲线，如图16 。由调谐曲线图可以看出，由于采用谐波混频，产生了镜像和多重响应的问题。镜像是指不同频率的信号在显示的同一点上产生了响应；多重响应是指单一输入正弦波（信号）在显示器产生了多个响应。图 16 调谐曲线 n=1 4, 高频段 ,低中频图 17 镜像信号的识别名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -

16、 - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 21 页 - - - - - - - - - 由于产生了上述问题，必须采取办法识别信号响应的真假，识别信号响应的方法有多种，下面举例简单介绍一下镜像识别方法：假如有 4.7GHz的信号（见图17 ） ，此时本振为5GHz ，但不知此信号是4.7GHz或 5.3GHz，这时可降低本振频率2IF ，即此时LO频率4.3GHz，如再显示屏上有响应则说明此信号是4.7GHz。在 Agilent公司的频谱仪中，识别是自动的，但也可以手动执行。之所以提供手动识别，是因为有时噪声和调制信号会扰乱自动过

17、程。幅度校准问题：由于采用了谐波混频，并且混频器的转换损失随着谐波次数增大而上升，导致相同幅度的信号显示不同的电平，所以要通过改变IF 增益补偿谐波混频的转换损失。中频增益增加引起噪声底的上升，所以频谱仪在不同频段的灵敏度是不一样的。有些频谱仪也采用宽带基波混频，从而使得频谱仪在整个频率范围的灵敏度基本一样的，即噪声底是相同的。预选器由于用频谱仪测量往往不知道有什么样的信号和有多少信号，如果都通过信号识别技术来测量，将耗费大量的时间，因此还需要预滤波器预选信号。通过预选器， 让只有被分析仪需要接收的信号到达混频器， 从而有效排除所有镜像和多重响应，也就是说预选器是一个可跟踪本振频率和混频模式调

18、谐的带通滤波器，一般在2GHz以上使用， 见图 18（因为大多数预选器使用了YIG 技术，YIG 滤波器在低频段不能很好的工作），预选器的隔离度大约为70 80dB ，并不是完全排除无用信号。所以在频谱仪上看到的小信号极有可能是某些高电平信号在此处的镜像或多重响应。 （识别技术还是有用的）。图 18 预选器阻止了不必要的信号进入频谱仪4面板介绍此部分介绍一下856xe频谱仪的面板及其操作。4.1 856xe的前面板控制由下列部分组成（见图19 ） ：功能部分1) 频率 FREQUENCY ，扫宽 SPAN 和幅度 AMPLITUDE以及他们的软键菜单用来设置频谱仪的三个基本功能。2）仪器状态

19、INST RUMENT STATE功能一般影响整个频谱仪的工作状态，不是单一的功能。图 19 8560e系列前面板一览3）标记 MARKER 功能沿着频谱仪的轨迹读出频率和幅度，并提供信号分析的能力。4）控制 CONTROL功能用来调整频谱仪的带宽，扫描时间和显示。5）数据 DATA 键用来改变激活功能的数值。6 ） 前 面 板 还 包 括 作 为 测 量 信 号 输 入 和 存 取 频 谱 仪 内 部 信 号 的 输 入 和 输 出 端口。4.2 基本键部分频谱仪有三种基本功能。通过设置中心频率、频率扫宽或者起始和终止频率，操作者可以控制信号在屏幕上的水平位置。信号的垂直位置由参考电平控制。

20、一旦按下某个键，则其功能就变成激活的功能。与这些功能有关的量值可通过数据输入控制进行改变。基本键：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 21 页 - - - - - - - - - 频率键 FREQUENCY Key按下频率（ FREQUENCY ）键，在屏幕左侧的激活功能框中显示CENTER ，表示中心频率功能为激活功能。CENTER FREQ 软键标记发亮，表示中心频率功能有效。若频谱仪在起始频率或终止频率方式，则起始频率软键为激活功能。出现在激活功能框中功

21、能的量值能用旋钮、步进键或数字键来改变。扫宽键 SPAN KEY当按下扫宽SPAN 键， SPAN 出现在激活功能框中，表明扫宽设置为当前激活功能。幅度键 AMPLITUDE KEY当按下幅度键AMPLITUDE ，在屏幕左侧的激活功能框中显示REFLEVEL ，表示参考电平设置为当前激活功能。频率软键菜单FREQUENCY SOFTKEY Menu按下频率 FREQUENCY硬键，屏幕右侧就会出现频率软键菜单。频率软键菜单菜单可能不只一页，这需视频谱仪固件版本号而定。按 CENTER FREQ 、 START FREQ 或 STOP FREQ 软键，会改变激活功能区内的注释信息，中心频率扫宽

22、方式可以用来指定频谱仪显示区正中心的频率以及频谱仪扫描的整个频率宽度。起始频率或终止频率可以用来指定频谱仪扫频的起始频率和终止频率，针对不同的测试要求，这两种方式可以方便的对频谱仪进行设置。扫宽软键菜单按 SPAN 硬键就调用扫宽SPAN 软键菜单。FULL SPAN将频谱仪置于最宽的频率范围。ZERO SPAN将频谱仪设置为在指定的中心频率上的固定调谐接收机。频谱仪将调谐至中心频率并停止扫频。频谱仪不断更新显示的中心频率。接收机由频谱仪的分辨带宽来设置接收机的带宽。幅度软键菜单按 AMPLITUDE硬键将弹出幅度软键菜单幅度软键菜单有三级，可用MORE 键来调用。这是因为与幅度有关的功能数目

23、大于可使用的软键数。REF LVL 用来设置屏幕顶线的参考电平。测量单位可通过幅度单位AMPT D UNITS 树来选择。以伏为单位的测量结果都假定测量系统是50 。ATTEN 用来控制输入步进衰减器。此衰减器位于信号输入和第一混频器之间。在预置状态，衰减器置于10dB 。用数据存入键可将衰减器的值按10dB步进改变。 仅用旋钮或步进键，不能将衰减器减至10dB以下。这是为了保护分析仪的输入。输入0dB 将强制的将输入衰减器置于最小值。LOG dB DIV 用来设置显示的垂直分辨率。LINEAR 将中频对数放大变换为真正的线性放大，显示的垂直单位变为dBV 。4.3 仪器状态 INSTRUME

24、NT STATE键预置 PRESET PRESET 键将频谱仪置于已知的预定状态。预置不影响频谱仪的HP IB 地址，所有数据和轨迹寄存器的内容，贮存的预选器的数据或所有被锁定的状态和轨迹存器。预置也可以调用最后状态LAST STATE软键。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 21 页 - - - - - - - - - 设置 CONFIG CONFIG 菜单调用将CRT 上显示的信息复制到外部的具有HP IB 的打印机或绘图仪上的菜单。在此菜单中，可改变频谱

25、仪的地址，并且能将外混频器设置为预选或非预选。校准 CAL 校准键显示与校准和故障诊断程序有关的所有菜单。辅助控制 AUX CTRLAUX CTRL 键调用控制辅助功能的软键。例如，跟踪源和AM 或 FM 解调器。 AUX CTRL 也调用内部混频器INTERNAL MIXER ，外部混频器 EXTERNAL MIXER 和后面板 REAR PANEL 软键。复制 COPY COPY 键将显示的数据传输到由COPY DEV PRNT PLT选择的 HP IB 外围设备（打印机或绘图仪上）COPY 可将频谱仪的全部显示进行黑白或彩色打印或绘图。模件 MODULE MODULE 键调用选购模件的附

26、加功能，如HP85629B测试和调整模件，或HP85620A大容量贮存模件，此模件连接到频谱仪的后面板。保存 SAVE SAVE 键调用保存仪器状态数据和轨迹数据的软键菜单。调用 RECALL RECALL 键调用贮存的仪器状态数据和轨迹数据。测量用户MEAS/USERMEAS/USER键调用实现自动测量和用户定义的功能的软键功能：快速傅里叶变换（FFT ） ，占用的功率带宽，载波功率，信道功率，3dB 或 6dB 的带宽宽和邻道功率（ACP ）测量。单次扫描 SGLSWP SGLSWP 键选择单次扫描方式，以及若频谱仪是处于连续扫描方式时触发一次扫描。若频谱仪是处于单次扫描方式，按SGLSW

27、P 键触发另一次扫描。使用标记软键标记 MARK 键MARK 调用软键菜单：MARKER NORMAL， 。 。 。MKR MARK 键调用四个不同的标记功能菜单。频率计数 FREQ COUNTFREQ COUNT键激活频率计数器并将结果显示在屏幕的右上角。它将代替在此区域内的任何当前标记的读数。5. 频谱仪的重要指标名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 21 页 - - - - - - - - - 理解频谱仪的指标对于正确使用频谱仪是很重要的，衡量频谱仪性能的

28、主要指标有：频率范围准确度：频率和幅度分辨力灵敏度失真动态范围5.1 频率范围频率范围指标是最基本且也是重要的，须注意的选择频谱仪时频率范围不仅要覆盖信号的频率范围，还要考虑到谐波的测量，如无线通信系统有时需测量信号的十次谐波。8560e系列30Hz50GHz e4440a系列3Hz50GHz 5.2 频率准确度和幅度准确度5.2.1 频率准确度频谱仪的频率准确度通常以频率读出准确度的指标给出，它和以下因素有关：频率参考、扫宽、RBW 和剩余误差（剩余调频和边带噪声的影响等）。对于单标记，即绝对测量时，8560e系列指标是：( freq. readout x freq. ref. accura

29、cy + a% of frequency span + 15% of resolution bandwidth + 10 Hz residual error) a=1 Span 2MHz*N a=5 Span 2MHz*N例子：当频谱仪设置是2 GHz ，400 kHz span， 3 kHz RBW时freq ref accuracy = 1.0 x 10-7 (aging) + 0.1 x 10-7 (temp stability) + 0.1 x 10-7 (setability) + 0.1 x 10-7 (15 warm-up) = 1.3 x 10-7/yr. ref error

30、因此 , 测量的频率准确度是: (2 x 109 Hz) x (1.3 x 10-7/yr) =260 Hz 1% of 400 kHz span =4000 Hz 15% of 3 kHz RBW =450 Hz 10 Hz residual error =10 Hz _ Total = 4720 Hz 5.2.2幅度准确度幅度测量分为绝对测量和相对测量。绝对幅度使信号的功率或电压的电平。相对幅度是两个电平间的差值。大多数频谱仪应用采用相对测量。下表列出了了典型频谱仪的幅度不确定度因素。Relative dB Frequency response (flatness) 0.5 to 4 Ba

31、nd switching 0.5 to 1 Scale fidelity 0.5 to 2 Reference level (IF gain) 0.1 to 1 Input attenuator switching 0.5 to 2 Resolution bandwidth switching 0.1 to 1 Display scale switching 0.0 to 1 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 21 页 - - - - - - - - - A

32、bsolute Frequency response 0.5 to 4 Calibrator 0.2 to 1 5.2.2.1 相对幅度准确度与相对幅度不确定度有关的因素：频率响应（平坦度）频率响应不确定度或平坦度表示在指定频率范围内的一个不确定度窗口。频谱仪的频率响应是不确定度的最大贡献者，它与输入衰减器频响、混频器的变频损耗及预选器平坦度等有关。这里的频率响应指的是相对频响不确定度，它描述了在给定的频率范围内，频带内的所有幅度相应相对于某值的最大值。波段转换每个本振谐波在分析仪的总频率范围内提供不同的谐波波段。 当在不同的谐波波段测量信号时，如果分析仪从一波段转换到另一个，将产生附加的不确

33、定。8560e系列的指标是1.0 dB刻度逼真度当在显示栅格中显示一个信号在一个垂直位置与另一个信号在另一垂直位置的相对关系时，将出现刻度逼真度的不确定度。刻度逼真度不确定取决于检波器线性度、数字化电路的线性度及对数线性与垂直放大器的将不同信号电压转换为显示器显示上的相应的相对功率（对数）或电压（线性）电平的能力。0 90 dB rangeto 300 Hz RES BW 0.1 dB/dB from the reference level to 0.85 dBa maximum of 100 Hz RES BW 0.2 dB/2 dB from the reference 0.85 dBle

34、vel to a maximum of 参考电平（中频增益）由刻度顶部线代表的幅度为参考电平，它是输入衰减和IF 增益的函数。参考电平控制决定了IF增益，在特定参考电平置位下IF 增益大小的不确定度将影响参考电平幅度的精度。任何参考电平控制的变化都导致不确定度。8562e的指标：0 80 dBm reference levels with 10 dB input attenuation dBm to 1.0 dB 输入衰减器转换输入衰减器有其固有的不确定度，而改变在参考电平校准和测量之间衰减器设置时，才会降低参考电平的精度。由于输入衰减器工作在分析仪的全频段，它的步进精度是频率的函数。在较低频

35、率时，精度很好。8562e的指标：20 to 70 dB settings, referenced to 10 dB inputattenuation30 Hz to 2.9 GHz 0.6 dB/10 dB step, 1.8 dB max.2.9 GHz to 13.2 GHz 1.5 dB/10 dB 3.0 dB max.step, 分辨力带宽转换不同的分辨带宽（RBW ）设置有不同的插入损耗特性，在不同设置下测量同一信号时，可能导致幅度的变化。 在幅度测量过程中改变带宽设置降低精度。8562e的指标： Referenced to 300 kHz resolution bandwidt

36、h at the reference level 0.5 dB 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 21 页 - - - - - - - - - 显示刻度转换改变每格刻度因子例如，从 10dB 格到 1dB 格或改变到线性刻度将引入与对数线性放大器的相对校准特性相关的不确定度。通过不改变刻度来避免增加这一不确定度。对于那些将示迹存入存储器，然后由存储器显示数据的频谱仪来说，不存在这项不确定度。如8560e系列。阻抗失配0.1频谱仪是在50 负载（视具体仪器）

37、上进行测量， 但它的输入阻抗并不确切等于特性阻抗，因而可能产生不确定度。在某些情况下，由于失配所造成的不确定度很小，例如， 若分析仪的输入 VSWR 为 1.3 ，而源的VSWR为 1.2 ，则因失配造成的最大不确定度是dB 。5.2.2.2 绝对幅度不确定度因素频率响应绝对频率响应不确定度描述了在给定的频率范围内相对于某幅度参考信号的最大可能的幅度不确定度（例如，HPESA系列分析仪的50MHz幅度参考或HP8560系列分析仪的300MHz参考）校准器10绝对测量是相对于一具有已知幅度的校准信号所进行的测量。大多数频谱仪都有内置的校准器（在HPESA系列分析仪中为 幅度参考 ） ，它提供在一

38、个频率上具有规定幅度的信号。校准器为刻度的顶部线提供绝对校准。8562e的指标：dBm, 300 MHz 0.3 dB不确定度计算例子：Relative measurement (delta marker) across two or more bands.If comparing signals in different bands (between-band measurements), add the frequency response uncertainties of each band (see Figure 7). If the band-switching uncertaint

39、y is specified, add it to the frequency response.If band-switching uncertainty is not specified, use the absolute frequency response (relative to the calibrator) instead of the relative frequency responseuncertainty for each band. The relevant specifications for three different analyzers are given i

40、n Table 4.TABLE 4. Accuracy specifications for between-band relative measurements TABLE 4. Accuracy specifications for between-band relative measurements HP 8593E HP 8563E HP E4407B Factor Specification (dB) Specification (dB) Specification (dB)Band switching No specification 1.0 NoneFrequency respo

41、nse 1.5 to 5.0 (absolute) 1.0 to 3.3 (relative) 0.51 to 3.02 (absolute) Scale fidelity 1.1 max 0.85 max 1.15 max (over 70 dB range) (over 90 dB range) (over 85 dB 1 kHz)range; RBW 1.28 max 300 Hz)(over 98 dB range, RBW Let s look at an example of measuring a second harmonic with two differentinstrum

42、ents. The fundamental is at 10 GHz and the level of the second harmonic is 85 dBc. Using the HP 8563E specifications for the calculation: Frequency response at 10 GHz = 2.2 dB Frequency response at 20 GHz = 2.5 dB Band-switching uncertainty = 1.0 dB 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

43、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 21 页 - - - - - - - - - Scale fidelity = 0.85 dB Total uncertainty = 6.55 dB 误差问题以上讨论了不确定度，误差同不确定度使不同的，测量中的误差可以修正。下面来看一下测量幅度时的误差。频谱仪上显示的任一点的幅度是在中频带宽内所有能量的总和。因此， 显示的信号幅度实际上是信号电平加噪声电平。由于附加了噪声，显示的信号大于其真实值。视信噪比的不同，此误差也会不同，并且可以修正。对于接近所显示DNAL的信号，此误差可能较大。但是一般对数刻度下，对于噪声以上

44、5dB 的信号其测量误差可以忽略。见下图19.2 图 19.2 在对数刻度上测出连续波信号由于噪声信号的影响产生的误差怎样提高频谱仪的幅度测量精度？使变化最少在采集任何数据之前，对测量过程加以审视，检查一下是否有什么控制可以不改变。如果对该测量可能使用单一的输入衰减器设置、分辨带宽和显示刻度的话，则与这些控制相关的不确定度可以忽略。为得到最好的精度，应在各种控制处于测量时相同状况的条件下校准分析仪。用 IF 增益代替刻度逼真度如果参考电平（IF增益）不确定度小于刻度保真度，可利用参考电平控制使两个信号在相同垂直位置上进行测量，从而消除刻度保真度的影响，使相对测量不确定度最小。自校准许多当代的频

45、谱仪都有自校准例程，这些例程产生各种误差系数，分析仪利用它们修正测量到的数据。说明书中的指标已假定完成了自校准。特征化对分析仪的特征进行测量可以降低频率响应和校准器的不确定度。就是利用更精确的外部校准信号代替频谱仪内置的校准器来校准参考电平（刻度的顶部线）。幅度修正（ Ampcor）某些频谱仪 (8560e系列 ) 具有内置的幅度修正例程（Ampcor） ，该例程将逐点的频率响应数据存入一个表中，并自动将其用于被测数据，以便产生经修正的显示信息。利用带有Ampcor的频谱仪、 信号源和功率计，还可以修正输入由于被测器件和分析仪之间的电缆和适配器所造成的误差。 Ampcor利用输入的频率/ 幅度

46、数据对构成的修正曲线来补偿输入信号中的变化，所得到的信号示迹代表了在被测器件输出端的实际信号幅度。提高灵敏度如前所述， 显示的信号幅度示所出现的信号和噪声之和。对于接近频谱仪本底噪声的信号（ 5dB以内），显示的幅度和真实幅度之间的误差是显著的。因此，在测量低电平信号时，分析仪的噪声电平应尽可能低。所以此时应尽量降低RBW 。前置放大由于有限的IF 增益，不能将小信号提升到对数显示的参考电平。因此测量这些信号时，刻度保真度不确定都是一个因数。某些频谱仪具有内置的前置放大器，它可以提升信号的电平。但要注意的是， 前置放大器的增益平坦度和失配可能使总平坦度变坏，故前置放大器的增益不确定度将进一步影

47、响总的测量不确定度，这些附加的不确定度有可能比刻度保真度的不确定度还要大。减小失配将一匹配良好的衰减器接到频谱仪的输入端可降低失配不确定度。此外频谱仪在输入衰减置于0dB 时，其匹配情况最差，故应尽可能避免0dB 的设置。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 21 页 - - - - - - - - - 5.3 分辨力当试图区分并测量两个彼此靠近的两个信号时，分辨力是一个重要的指标。影响分辨力的因素有：RBW ，RBW 类型和选择性，剩余调频和相位噪声。见图2

48、0 。图 20 影响频谱仪分辨力的因素图 21 3dB 带宽a. 分辨力带宽（RBW ）信号显示在频谱仪上不可能是一根无穷窄的谱线，而是有一定宽度和形状的。这个形状其实就是频谱仪的中频滤波器的形状，对于 Agilent频谱仪RBW 指的是 3dB 带宽， 因此对等幅信号，通常只要他们的相邻频率大于所选IF 滤波器的3dB 带宽，就可以分辨它们。见图21 。b. IF 滤波器的形状因素（选择性）什么是形状因素（选择性）？（见图22 ）形状因素 60dB BW/3db BW 通常模拟滤波器11 ：1 15 ：1 数字滤波器5：1 通常我们用频谱仪测量的是不等幅信号，这样小信号又可能被淹没在大信号的

49、群边中（图 23 ） 。对于幅度相差60dB的两个信号，其间隔至少应是60dB带宽的一半，才能分辨出信号。因此，形状因数是分辨不等幅信号的关键。对于一个给定的频率间隔，可用下面的公式算出滤波器裙边的下降值： 3 dB (Offset BW3dB/2)/(BW60dB/2 BW3dB/2)*Diff60,3dB Offset = frequency separation of two signals,BW3dB = 3-dB bandwidth, BW60dB = 60-dB bandwidth, and Diff60,3dB = difference between 60 and 3 dB (

50、57 dB). 图 22 IF滤波器的形状因素图 23 低电平信号被淹没在大信号相应的裙边之中c. 剩余调频影响频谱仪分辨率的另一个因素频谱仪的本振频率稳定度（即LO 的剩余调频） ，这种不稳定度将被转移到任何混频产物中去，并将无法确定是由LO 还是输入信号引起的。剩余调频是显示的信号模糊不清（图24 ） ，以至于在规定的剩余调频至内的两个信号不能被分辨；所以， 频谱仪的剩余调频决定了可允许的最小分分辨率。锁相本振作为参考源可降低剩余调频，也降低了最小可允许的分辨带宽，高性能的频谱仪价格较贵，因为它有较好的相位锁定系统，具有较低的剩余调频和较小的最小分辨率。图 24 剩余 FM 使信号模糊图