一、概述
隨著科技的不斷發(fā)展，無論在航天、航空、航海、通訊等方面都離不開對信號頻譜的分析。頻譜分析儀主要用于頻譜分析，也可測量頻率、電平、衰減、調制、失真、抖動等，還廣泛應用于通訊、雷達、導航、電子對抗、空間技術、衛(wèi)星地面站、頻率管理、信號監(jiān)測、EMI診斷、E M C測量等方面，是發(fā)揮軍用電子元器件、軍用整機系統(tǒng)等部門科研、生產、測試、試驗、計量的必備儀器。
二、頻譜分析儀的組成及工作原理
圖1所示為掃頻調諧超外差頻譜分析儀組成框圖。輸入信號經衰減器以限制信號幅度，經低通輸入濾波器濾除不需的頻率，然后經混頻器與本振(LO)信號混頻將輸入信號轉換到中頻(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，并以對數標度放大或壓縮。然后用檢波器對通過IF濾波器的信號進行整流，從而得到驅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的頻率成分。
三、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保持良好匹配特性，以減小失配誤差;保護混頻器及其它中頻處理電路，防止部件損壞和產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，然后重復這個掃描不斷更新跡線。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：其增益和衰減器設置值連動工作，即當輸入衰減10dB時，則中頻增益同時增加10dB,使輸入信號電平保持不變。屏幕頂格線參考電平間接設置中頻增益值。當參考電平↑(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。當輸入衰減增加10dB時，信噪比減小10dB.這是因為輸入衰減在混頻器之前，只對信號電平進行衰減，而噪聲是混頻以后產生的，為保證輸入信號電平不變，混頻后的信號要相應地放大10dB,這樣噪聲也就跟著相應地放大，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，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的線，而是有一定的寬度，是因為當調諧通過信號時，其形狀是頻譜儀自身分辨帶寬(IF濾波器)形狀的顯示。當改變RBW時，就改變了顯示響應的寬度。
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換為輸出視頻電壓，該電壓值對應輸入信號功率。當頻譜分析儀掃頻寬度Span=0時，包絡檢波器將對輸入信號進行解調，作為工作在中心頻率(CF)，帶寬為RBW的接收機(時域方式)，顯示信號包絡波形。
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行平滑，從而減小顯示抖動的范圍。這樣有利頻譜儀發(fā)現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性。
顯示：等效于調幅收音機中的揚聲器。我們看到的每個頻率的幅度正是我們調諧調幅收音機時所聽到的每個頻率的幅度，信號在頻域上作為一個旋轉矢量顯示，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。
四、調幅信號測量分析
調幅波的特點是載波振幅的包絡隨調制信號而變化，其載波頻率fC不變。調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;m a =調幅深度( 0≤m a≤1 );cos(2πfmt)=歸一化調制信號，fm=調制頻率;AC[1+macos(2πfmt)]決定載波包絡的幅度。fc=載波頻率。在時域上，具有正弦幅度調制的載波的波形如圖3所示。信號包絡變化就是調制信號，這樣對包絡波形的分析可反映調幅調制參數。波形包絡的最小值和最大值稱為Umin和Umax.
調幅系數m a可以從這兩個參數算出。當調制正弦波處于它的最大正、負值即±1時，將出現最大包絡電壓Umax=1+ma;和最小包絡電壓Umin=1-ma.求得調幅系數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，調幅信號U(t)由幅度為Ac的載波和兩個邊帶組成;一個處在fc+fm,另一個處在fc-fm,兩者的幅度均為maAc/2,頻譜如圖2所示。調制頻率fm是載波與其中一個邊帶的頻率差(邊帶相對載波呈對稱)。幅度差對應于調幅系數ma.即相對于載波的邊帶幅度用dB表示為dBc=20log(ma/2)，則ma=2×10dBc/20.
五、調幅信號測量實例
頻譜分析儀可用來在頻域和時域中表征調幅信號?？梢詼y量的參數有載波幅度和頻率、調制頻率以及調幅系數。
設置信號源輸出載波頻率fc=400MHz,載波幅度0dBm;調制頻率fm=100kHz(周期T=10us)，調幅系數ma=50%.將信號源輸出接至頻譜儀輸入測量調幅信號。頻譜儀設置如下：
(1)按【復位】;(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 ];調幅信號頻域特性為( 5 )【峰值搜索】、標識載波信號;( 6 )【頻標】、[Δ頻標]、將標識移至調制邊帶頻率位置處，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,可以求出調幅系數ma=2×10dBc/20=2×10-12.04/20=50%.調幅信號時域特性為(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]、[↑][↓];調整參考電平使信號位于顯示中心位置。(10)【掃描】、[掃描時間：
手動]、1 0 0 [ u s ];( 1 1 )【觸發(fā)】、[視頻]、[↑][↓]調整觸發(fā)電平，使信號穩(wěn)定顯示。(12)【頻標】、[常規(guī)頻標],測量包絡峰值、[Δ頻標]開啟相對測量，測量包絡峰-峰值。將標識移至相鄰峰-峰值，則可測得調制信號周期T=10us,則f m= 1 / T = 1 0 0 k H z.將標識移至相鄰峰值-最小值，即可測得線性幅度比Umin/Umax=0.333,代入(4-3)式可以求出調幅系數ma=(1-0.333)/(1+0.333)=1/2=50%.
還可從圖3 時域調幅波中可知波形包絡Umax=600mV,Umim=200mV,將其代入(4-2)式，得ma=(600-200)/(600+200)=1/2=50%.
六、結語
頻譜儀可利用頻域和時域兩種方式測量調幅信號。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、操作和應用頻譜儀。由于篇幅所限，僅對調幅信號進行了測量分析，頻譜儀還可以對諧波失真、三階交調、激勵響應、相位噪聲等多種類型的信號進行頻率、功率、帶寬、調制等參數測量分析。
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