頻譜分析儀調(diào)幅信號(hào)測(cè)量分析

一、概述

隨著科技的不斷發(fā)展，無(wú)論在航天、航空、航海、通訊等方面都離不開(kāi)對(duì)信號(hào)頻譜的分析。頻譜分析儀主要用于頻譜分析，也可測(cè)量頻率、電平、衰減、調(diào)制、失真、抖動(dòng)等，還廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、空間技術(shù)、衛(wèi)星地面站、頻率管理、信號(hào)監(jiān)測(cè)、EMI診斷、E M C測(cè)量等方面，是發(fā)揮軍用電子元器件、軍用整機(jī)系統(tǒng)等部門科研、生產(chǎn)、測(cè)試、試驗(yàn)、計(jì)量的必備儀器。

二、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(hào)經(jīng)衰減器以限制信號(hào)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(hào)混頻將輸入信號(hào)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(hào)(它包括兩個(gè)原始信號(hào)，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(hào)高的中頻，并以對(duì)數(shù)標(biāo)度放大或壓縮。然后用檢波器對(duì)通過(guò)IF濾波器的信號(hào)進(jìn)行整流，從而得到驅(qū)動(dòng)顯示垂直部分的直流電壓。隨著掃頻發(fā)生器掃過(guò)某一頻率范圍，屏幕上就會(huì)畫出一條跡線。該跡線示出了輸入信號(hào)在所顯示頻率范圍內(nèi)的頻率成分。

三、頻譜儀各部分作用及顯示信號(hào)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(guò)大的非線性失真。

混頻器：完成信號(hào)的頻譜搬移，將不同頻率輸入信號(hào)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(hào)，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(dòng)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(hào)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(hào)↓移(或↑移)10dB,即改變信號(hào)顯示位置，但信號(hào)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(duì)信號(hào)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(hào)電平不變，混頻后的信號(hào)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(lái)分辨不同頻率的信號(hào)。它只允許本振信號(hào)減去輸入信號(hào)的差頻等于中頻時(shí)，才能通過(guò)中頻濾波器，最后在屏幕上顯示。其它干擾信號(hào)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(hào)不可能顯示為無(wú)線細(xì)的線，而是有一定的寬度，是因?yàn)楫?dāng)調(diào)諧通過(guò)信號(hào)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(hào)功率轉(zhuǎn)換為輸出視頻電壓，該電壓值對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)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(duì)輸入信號(hào)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(hào)包絡(luò)波形。

視頻濾波器：是平滑噪聲顯示的。

它是對(duì)檢波器輸出視頻信號(hào)進(jìn)行低通濾波平均處理來(lái)平滑顯示的。減小視頻帶寬(VBW)，可對(duì)頻譜顯示中的噪聲抖動(dòng)進(jìn)行平滑，從而減小顯示抖動(dòng)的范圍。這樣有利頻譜儀發(fā)現(xiàn)淹沒(méi)在噪聲中的小功率連續(xù)波(CW)信號(hào)，還可提高測(cè)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(tīng)到的每個(gè)頻率的幅度，信號(hào)在頻域上作為一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量顯示，矢量的長(zhǎng)度=正弦波的峰值幅度，矢量在其頻率軸上的位置=信號(hào)頻率。

四、調(diào)幅信號(hào)測(cè)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(hào)而變化，其載波頻率fC不變。調(diào)幅信號(hào)用下式表示為U(t)=AC[1+macos(2πfmt)]

cos(2πfct)(4-1)。式中Ac=決定總信號(hào)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(hào)，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(hào)包絡(luò)變化就是調(diào)制信號(hào)，這樣對(duì)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(kāi)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(hào)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(duì)載波呈對(duì)稱)。幅度差對(duì)應(yīng)于調(diào)幅系數(shù)ma.即相對(duì)于載波的邊帶幅度用dB表示為dBc=20log(ma/2)，則ma=2×10dBc/20.

五、調(diào)幅信號(hào)測(cè)量實(shí)例

頻譜分析儀可用來(lái)在頻域和時(shí)域中表征調(diào)幅信號(hào)?？梢詼y(cè)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(hào)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(hào)源輸出接至頻譜儀輸入測(cè)量調(diào)幅信號(hào)。頻譜儀設(shè)置如下：

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

手動(dòng)]、1 0 0 [ u s ];( 1 1 )【觸發(fā)】、[視頻]、[↑][↓]調(diào)整觸發(fā)電平，使信號(hào)穩(wěn)定顯示。(12)【頻標(biāo)】、[常規(guī)頻標(biāo)],測(cè)量包絡(luò)峰值、[Δ頻標(biāo)]開(kāi)啟相對(duì)測(cè)量，測(cè)量包絡(luò)峰-峰值。將標(biāo)識(shí)移至相鄰峰-峰值，則可測(cè)得調(diào)制信號(hào)周期T=10us,則f m= 1 / T = 1 0 0 k H z.將標(biāo)識(shí)移至相鄰峰值-最小值，即可測(cè)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%.

六、結(jié)語(yǔ)

頻譜儀可利用頻域和時(shí)域兩種方式測(cè)量調(diào)幅信號(hào)。通過(guò)講述頻譜分析儀的工作原理和測(cè)量信號(hào)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(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量分析，頻譜儀還可以對(duì)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(hào)進(jìn)行頻率、功率、帶寬、調(diào)制等參數(shù)測(cè)量分析。