频谱分析仪原理
加入技术交流群
对于HP-859X的频谱仪，当分辨率带宽变得很窄，在300Hz以下时，其滤波器就自动切换到数字滤波器上。对于859X的频谱仪其内部的滤波器全是模拟的，没有数字滤波器。数字滤波器的测量速度要高于模拟。
用不同设置的分辨率带宽去测量交调信号。如图11所示。
当测量F1和F1+10kHz（F2）信号时，分辨率带宽BW设置成10kHz，与两个信号频率差别是一样的，这种情况下我们看到的是最外面的曲线，正好将两个信号分开。但不太容易分辨，只是知道是有两个信号存在。我们将BW下调一级，变成3kHz，图11中的中间那条曲线，就可以将两个信号分辨得非常清楚。但它的交调失真还是看不出来。我们再把BW进一步降低成为1kHz（实际是提高了分辨率），我们就可以更清晰地看到F1和F2，同时也看到两个失真信号。
分辨率带宽降低能提高分辨率，但对测量来说分辨率降低会增加扫描时间。这时我们可以对扫描时间进行人为设置，加快其扫描速度，提高测量速度。但是，由于扫描时间的改变会造成测量上的误差，具体就是频率升高，而幅度降低（见图12）。
所以作为一种快速测量而不要求太高测量精度时，可以采用这种方法，但若要较高精度的测量，必须要使BW与测量时间置于自动联动，方可满足准确测量的要求。
频谱分析仪第三个重要指标-动态范围。动态范围表示当两个信号同时出现时，测量其幅度差的能力。影响它的因素有最大输入功率、非线性工作区域、1dB压缩点（有时为0.5dB）。
频谱仪内部的混频器有一定的线性工作区域，如果超过线性区域，输入功率的变化与输出功率的变化即呈非线性。输出功率的变化量比输入功率的变化量小，造成功率压缩。如果功率压缩存在，我们所测得的功率值就是不准确的。
那么我们如何判断是否存在压缩呢？可以利用频谱仪内部的衰减器或外接衰减器来进行判断。将衰减器的衰减量设置在10dB时，测量混频器的输出功率。再将衰减器的衰减量增加10dB，再去测量混频器输出功率也应线性地减小10dB。若变化量不是10dB，只有7或8dB，说明混频器已工作在非线性区域，存在功率压缩区。
即使当频谱仪工作在线性区域的时候，混频器仍然产生内部失真，因为它是有源的非线性器件。在最差的情况下，内部失真完全可以覆盖被测件的失真产物或是外来的谐波失真。即使当内部失真低于要测信号的失真，也会引起测量误差。因为当基波信号进入到频谱仪时，它同样会产生二次和三次谐波。这种失真是由频谱仪内部产生的。这一失真会与输入信号的失真混叠起来，最后输出的谐波分量要比真实的失真高。这就造成了一定的测量误差。这要求频谱仪所产生的内部失真要尽量地小，使最后迭加出来的信号，趋近于被测信号。
如何降低频谱仪内部的谐波失真和交调失真。这可利用失真特性，二次或三次谐波在数学公式上都存在这样的特点，即若存在一个频率为F的信号，其二次谐波为2F，三次谐波为3F。当两个信号F1、F2存在，其交调失真有2F1-F2、2F2-F1等等，见图13。当F信号功率变化1△时，2F功率会变化2△，它的三次谐波会变化3△。变化量分别是其2倍和3倍。也就是说当输入功率降低1dB，二次谐波和三次谐波分别会降低2dB和3dB。交调失真是当F1、F2分别变化1△，2F1-F2和对应的2F2-F1均变化3△，这就是其特点。在测量时，频谱分析仪本身产生的二次谐波信号越高，它测量的范围越差。我们用输入信号F0的功率值和产生信号谐波功率值之差来进一步定义动态范围。凡是被测信号落在这一范围之内，都可以测出。
如何使动态范围增大（见图14），我们可以利用上面所说的数学特性，只要将F0的功率降低1dB，2F0会降低2dB。这就使动态范围增大了1dB。若F0的功率降低10dB，其动态范围也会随之增大10dB。三次失真的降低速度会更快。二次谐波和三次谐波的动态范围是呈线性变化的，只是斜率不一样。
我们用动态范围和功率值建立一个坐标系，可以得到图15的曲线，横坐标实际是混频器F0输入功率值，纵坐标就是内部失真电平。在动态范围的图上划出由基波产生的二次和三次失真产物与基波信号的相对关系。当一个混频器F0的功率为0dB，它的二次谐波失真信号的功率是固定的，差值也是固定的。可以看出，当功率降低越低，动态范围就越大。三次谐波更是如此。由此得出，混频器输入的功率越小，其动态范围就越大。
对于小信号的测量还有一个影响因素是它的噪声底。一个被测信号在仪器本身的失真范围之下是不可测的，若隐含在仪器本身的噪声底之下也是无法检测的。
那么噪声底由谁来决定？噪声底的第一个因素是衰减量（见图16）。当衰减器的衰减量为10dB时，我们可以看到这些噪声曲线，同时看到一个小信号。当衰减量变成20dB，噪声底会抬高10dB，小信号就会被覆盖在平均噪声功率之下，变成不可测量。所以衰减量会影响仪器的噪声底，并降低了信噪比。所以要用尽可能小的输入衰减以获得最好的信噪比。在实际的测量中，显示的信号电平不会随衰减的增加而下降。这是因为当衰减降低了加到检波器的信号电平时，中频放大器会增加10dB来补偿这个损失，这使荧光屏上的信号幅度保持不变。但噪声电平被放大、增加了10dB。
另一个因素是中频滤波器的带宽（见图17），带宽越宽，进来的噪声越多，功率当然也就越高。带宽降低10倍，噪声功率也会降低10倍；带宽降低100倍，噪声功率也会降低100倍。BW从100kHz变成10KHz，其噪声平均显示电平会降低10dB。
所以说频谱仪的噪声是在一定的分辨带宽下定义的。广义上说，频谱分析仪的最低噪声电平是在最小分辨率带宽下得到的。
当频谱仪设置的分辨带宽以及衰减量固定时，那么它的噪声底也就固定了。这时信号的检测能力也决定了。当小信号低于噪声底时就不可测量，高于噪声底就变得可测。这个测量范围就是被测信号与噪声底的比值。信号若比噪声底高10dB，可测范围就是10dB。
这一信噪比我们置于纵坐标上，输入功率在横坐标上。（见图18）当噪声底固定的话，假设把BW设置在1kHz时，衰减量不变，那么它的噪声是不变的，这时设输入功率为-40dB，信噪比是75dB。当输入功率为-30dB时，信噪比为85dB。从此看出，信号的降低，信噪比是降低的。噪声底对动态范围的影响。把信号对噪声和信号对失真的曲线置于同一坐标系上，横坐标是输入功率，纵坐标是动态范围（见图19）。最大的动态范围处于曲线的交点。这时内部产生的失真电平等于显示的平均噪声电平。
频谱仪是否产
评论