2022年频谱分析仪的原理及发展 .pdf

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1、频谱分析仪的原理及发展频谱分析仪是对无线电信号进行测量的必备手段，是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具。因此，应用十分广泛，被称为工程师的射频万用表。1、传统频谱分析仪传统的频谱分析仪的前端电路是一定带宽内可调谐的接收机,输入信号经变频器变频后由低通滤器输出,滤波输出作为垂直分量,频率作为水平分量,在示波器屏幕上绘出坐标图,就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率,例如 30Hz-30GHz, 与外部混频器配合,可扩展到100GHz 以上 ,频谱分析仪是频率覆盖最宽的测量仪器之一。无论测量连续信号或调制信号,频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是 ,传统的频谱分析仪也有明显的缺点,

2、它只能测量频率的幅度 ,缺少相位信息,因此属于标量仪器而不是矢量仪器。2、现代频谱分析仪基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪，通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量,达到与传统频谱分析仪同样的结果,。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器 (ADC) 对输入信号取样,再经 FFT 处理后获得频谱分布图。在这种频谱分析仪中，为获得良好的仪器线性度和高分辨率,对信号进行数据采集时ADC 的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍,亦即频率上限是 100MHz 的实时频谱分析仪需要ADC 有 200MS/S 的取样率。目前半导体工艺水平可制成分辨率8 位和取样率4GS/S

3、的 ADC 或者分辨率12 位和取样率800MS/S 的 ADC, 亦即 ,原理上仪器可达到2GHz 的带宽，为了扩展频率上限,可在 ADC 前端增加下变频器,本振采用数字调谐振荡器。这种混合式的频谱分析仪可扩展到几GHz 以下的频段使用。FFT 的性能用取样点数和取样率来表征,例如用 100KS/S 的取样率对输入信号取样1024 点,则最高输入频率是50KHz 和分辨率是50Hz。 如果取样点数为 2048 点,则分辨率提高到25Hz。由此可知 ,最高输人频率取决于取样率,分辨率取决于取样点数。FFT 运算时间与取样,点数成对数关系,频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时,要选用高速的

4、FFT 硬件 ,或者相应的数字信号处理器(DSP)芯片。 例如 ,10MHz 输入频率的 1024点的运算时间80s,而 10KHz的 1024 点的运算时间变为64ms,1KHz 的 1024 点的运算时间增加至640ms。当运算时间超过200ms 时 ,屏幕的反应变慢,不适于眼睛的观察,补救办法是减少取样点数 ,使运算时间降低至200ms 以下。3、用 FFT 计算信号频谱的算法离散付里叶变换X(k) 可看成是z 变换在单位圆上的等距离采样值同样， X（k）也可看作是序列付氏变换X（ej）的采样，采样间隔为N=2/N 由此看出，离散付里叶变换实质上是其频谱的离散频域采样，对频率具有选择性（

5、k=2k/N） ，在这些点上反映了信号的频谱。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 根据采样定律，一个频带有限的信号，可以对它进行时域采样而不丢失任何信息，FFT 变换则说明对于时间有限的信号（有限长序列），也可以对其进行频域采样，而不丢失任何信息。所以只要时间序列足够长，采样足够密，频域采样也就可较好地反映信号的频谱趋势，所以FFT 可以用以进行连续信号的频谱分析。频谱分析仪和噪声系数测量- 无处不在的噪声是射频和微

6、波设计师的敌人，对此不应感到惊奇。噪声限制了通信接收器检测弱信号的能力，从而妨碍设计师实现最佳的接收器性能。传输信号中的噪声恶化了性能，不仅是对传输信号，而且同样是对周围的频谱。由于噪声是普遍存在的，多年以前，射频和微波行业就建立了一个称为噪声系数的测量参数，以定量元件或系统给通过它的信号增加了多少噪声。虽然噪声系数是一种用于描述射频和微波系统噪声和接收器灵敏度的参数，但它也是最重要和广泛使用的参数。对于各次测量和使用不同仪器的测量，噪声系数测量总是要求高精度和重复性。精度和重复性保证了元件和子系统制造商和他们的客户所进行规定性能测量的一致性。噪声系数基础作为测量参数的噪声系数早在二十世纪四时

7、年代就开始使用，工程师Harold Friis 把它定义为用分贝（dB）表示的射频或微波器件输入处的信噪比（SNR）除以输出处的SNR。从它的名称可知，SNR 是在给定传输环境中的信号电平与噪声电平之比。SNR 越高，就有越多的信号超过噪声，使信号更容易检测。因此噪声系数是越低越好，因为在理想情况下，微波元件、子系统或系统应没有噪声施加到通过的信号上。但实际上所有电子器件都会增加一些噪声，叠加最低噪声的是最好的器件，这些器件有最低的噪声系数。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -

8、 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 噪声系数的重要性有多高? 不管如何估计噪声系数对系统整体性能和成本的重要性都不会过高。例如，把直播卫星的噪声系数降一半，即从2dB 降到 1dB，与把卫星转发器的功率增加25%在性能上有相同的效果。显然，制造商会发现增加空间发射机功率的成本要远远高于改进地面站接收器低噪声放大器（LNA ）性能。在卫星接收器生产线中，只需调整阻抗电平或选择适合的晶体管，就能把噪声系数降低1dB。1dB 噪声系数的降低与增加天线25%的面积有同样效果。增加天线尺寸也增加了成本，加大了操纵和支持机构的体积和重量，对于有美学考虑的DBS 这类应用，这样的天

9、线是太大了。在无线通信系统中，具有低噪声系数的基站可减小与之通信的移动台发射功率，这对于电池寿命，大小和重量都有积极的影响。在发射机设计中噪声也极为重要。例如，无线基站线性功率放大器中过高的噪声会降低邻道接收质量，也就是达不到规章对干扰的要求。进行噪声系数测量有几种技术和仪器可用于噪声系数的测量，从专用噪声系数分析仪到频谱分析仪，网络分析仪和真有效值功率计。如所预期的，专用的噪声系数分析仪提供最低的测量不确定度，其次是频谱分析仪（如果配备前置放大器）。Agilent ESA-E 系列经济型频谱分析仪带有可选的集成前置放大器（选件1DS） ，可根据分析仪的频率范围提供10MHz 至 1.5GHz

10、 或 3GHz 的噪声系数测量。 Agilent ESA-E 系列频谱分析仪是PSA 系列高性能频谱分析仪和Agilent NFA 系列噪声系数分析仪的补充。如果您的应用只需要中等性能的频谱分析工具，它就是最物美价廉的解决方案。过去使用频谱分析仪测量噪声系数需要许多步骤和若干数学计算，这是繁杂和容易出错的过程。现在，ESA-E系列新的噪声系数测量专用件实现了包括计算在内的整个过程自动化。这是非常精确和易于使用的解决方案。新的测量专用件是频谱分析仪丰富通用能力环境的集成部分，包括单键功率测量，以及与89601A VSA 软件链接的相位和调制分析。若要求更高的频谱分析能力和优异的仪器不确定度，用户

11、可选择PSA 系列频谱分析仪。 PSA 有您期望于高性能频谱分析仪的所有功能，以及与 ESA-E系列同一用户界面的噪声系数测量专用件。因此，客户能无缝地从一种仪器转到下一种仪器，而不必担心还要去熟悉仪器间的细微差别。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - ESA- E 系列和PSA 系列频谱分析仪的用户可能会认为不再需要专用的噪声系数分析仪。但所有这三种仪器都有各自适应的环境。频谱分析仪是设计师手中最常用和功能最全的测量

12、工具，几乎在每一张测试台上都能找到它。例如可首先定位寄生信号，然后测量器件在无干扰噪声测量频率处的噪声系数。这样，带噪声系数测量专用件的ESA-E 系列就成为要以经济价格得到众多测量能力设计师的理想解决方案。这是业内最灵活的频谱分析仪，它带有插卡箱结构，完全适应对定制能力的要求。PSA 系列是灵活性、速度、精度和动态范围的优异组合，可提供最先进的频谱分析功能。而噪声系数分析仪是完全针对应用的仪器，仅用于测量噪声系数、增益和相关量。与频谱分析仪及其它仪器相比，噪声系数分析仪更快，更易用、精度更高、频率范围更宽。因此是得到所可能最好不确定度的最高端的选择，特别是对于3GHz 以上频率。在给出达26.5GHz 全部性能指标的仪器中，最快和最精确的仪器是Agilent NFA 系列噪声系数分析仪。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -