频谱分析仪分析频谱分析仪的讯息处理过程

在量测高频信号时，外差式的频谱分析仪混波以后的中频因放大之故，能得到较高的灵敏度，且改变中频滤波器的频带宽度，能容易地改变频率的分辨率，但由于超外差式的频谱分析仪是在频带内扫瞄之故，因此，除非使扫瞄时间趋近于零，无法得到输入信号的实时（Real Time）反应，故欲得到与实时分析仪的性能一样的超外差式频谱分析仪，其扫瞄速度要非常之快，若用比中频滤波器之时间常数小的扫瞄时间来扫瞄的话，则无法得到信号正确的振幅，因此欲提高频谱分析仪之频率分辨率，且要能得到准确之响应，要有适当的扫瞄速度。由以上之叙述，可以得知超外差式频谱分析仪无法分析瞬时信号（TransientSignal）或脉冲信号（Impulse Signal）的频谱，而其主要应用则在测试周期性的信号及其它杂散信号（Random Signal）的频谱。频谱分析仪系统内部及面板显示的特性，详如附录一的说明，对该内容的了解将有助于频谱分析仪的操作使用。一般本地振荡器输出信号的频率均高于中频信号的频率，本地振荡器输出信号的频率可被调整在谐波之频率，亦即"para" label-module="para">

由式⑵得知，频谱分析仪的信号量测范围，无形中己被拓宽，低于或高于本地振荡器或其它谐波频率的输入信号，均能被混波产生中频。延伸输入信号频率的混波原理，其中纵轴代表输入信号（"para" label-module="para">

可体会频谱分析仪利用本地振荡的谐波信号延伸输入信号频率的工作原理。然而可能对应多个输入信号频率，为消除此一现象，在衰减器前面加入频率预选器（Preselector），用来提升频谱分析仪的动态范围，同时使输出的结果能去除其它不必要的频率而真正反应输入信号的频率。

图1.4：利用本地振荡之谐波信号拓展信号频率的原理

由以上得知超外差或频谱分析仪无法分析瞬时信号（TransientSignal）或脉冲信号（Impulse Signal）的频谱，而其主要应用则在测试周期性的信号及其它随机信号（Random Signal）的频谱。

频谱分析仪噪声特性

由于电阻的热敏效应，任何设备均具有噪声，频谱分析仪亦不例外，频谱分析仪的噪声，本质上是热噪声，属于随机性（Random），它能被放大与衰减，由于系随机性信号，两噪声的结合只有相加而无法产生相减的效果。在频带范围内也相当平坦，其频宽远大于设备内部电路的频宽，检测器检知的噪声值与设定的分辨率频宽（RBW）有关。由于噪声是随机性迭加于信号功率上，因此显示的噪声准位与分辨率频宽成对数的关系，改变分辨率频宽时噪声随之变化，噪声改变量相关的数学式如下所示：

例如：频宽从100kHz（BW1）调整到10kHz（BW2），则噪声改变量为：

亦即降低噪声量10dB （为原来的1/10），相对提高讯号与噪声比10dB。由此可知，纯粹要降低噪声量，使用最窄宽度的频宽将能达到目的。不论噪声来之于外部或内部产生，量测时均将影响信号振幅的准确性，特别在低准位信号时，更是如此，噪声太大时，甚至掩盖信号以致无法正确判断信号的大小，影响量测质量的两种噪声可概括为下列三大项：

⑴.产生于交换功能的数字电路、点火系统与DC 马达脉冲噪声，这类噪声常见于EMI（Electromagnetic Interference）的讨论领域里。

⑵. 随机性噪声来之于自然界或电路的电子移动，又称之为KTBW （或称热敏）噪声、Johnson 噪声、宽带噪声或白氏（White）噪声等，本书主要以热敏噪声为重点，数学式为：

Pn =kTBW ，⑸

其中：Pn =噪声功率= 3.98*10"para" label-module="para">

k=Boltzman 常数，1.38*10"para" label-module="para">

T=绝对温度表示的常温=290 oK

BW=系统的噪声功率频宽（Hz）。

在4MHz、75 Ω、290 oK 时的噪声功率为-59.1dBm。由噪声功率得知，信号频宽降低，系统噪声功率随之降低，信号的质量以信号噪声比表示

（SNR；Signal-to-Noise Ratio），信号强度（单位为dBm）与系统噪声功

率（单位为dBm）的相减值即为信号噪声比，数学式为：

频谱分析仪匹配因素

量测设备的输入阻抗有时无法匹配待测件连接线特性阻抗，根据电磁

理论，阻抗匹配时，输出功率最大且没有其它不良的副作用，而阻抗不匹

配，将造成信号反射，影响系统频率的稳定与造成信号功率的损失。信号

在传输在线往返传送将产生驻波及噪声，进而影响接收端的信号质量与量

测值的准确性。量测设备输入阻抗与待测件组抗不匹配之缺点可规纳为：

A.信号反射，传输缆在线产生驻波。

B.噪声增大。

C.降低信号输出功率。

D.影响系统频率的稳定。

E.影响量测值之准确度。

频谱分析系统主要的功能是在频域里显示输入信号的频谱特性。频谱分析仪依信号处理方式的不同，一般有两种类型；即时频谱分析仪（Real-Time Spectrum Analyzer）与扫描调谐频谱分析仪（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer).即时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器（Detector)，再经由同步的多工扫描器将信号传送到CRT或液晶等显示仪器上进行显示，其优点是能显示周期性杂散波（Periodic Random Waves）的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频宽范围，滤波器的数目与最大的多工交换时间（Switching Time).最常用的频谱分析仪是扫描调谐频谱分析仪，其基本结构类似超外差式接收器，工作原理是输入信号经衰减器直接外加到混波器，可调变的本地振荡器经与CRT同步的扫描产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号（IF）再放大，滤波与检波传送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系。较低的RBW固然有助於不同频率信号的分辨与量测，低的RBW将滤除较高频率的信号成份，导致信号显示时产生失真，失真值与设定的RBW密切相关，较高的RBW固然有助於宽频带信号的侦测，将增加杂讯底层值（Noise Floor），降低量测灵敏度，对於侦测低强度的信号易产生阻碍，因此适当的RBW宽度是正确使用频谱分析仪重要的概念。

一般维修者不使用，一是他的价格较高，二是操作较为复杂。需要配合信号发生器。但使用起来很方便的可以查找故障。

频谱分析仪分为实时分析式和扫频式两类。前者能在被测信号发生的实际时间内取得所需要的全部频谱信息并进行分析和显示分析结果；后者需通过多次取样过程来完成重复信息分析。实时式频谱分析仪主要用于非重复性、持续期很短的信号分析。非实时式频谱分析仪主要用于从声频直到亚毫米波段的某一段连续射频信号和周期信号的分析。

扫频式频谱分析仪

它是具有显示装置的扫频超外差接收机，主要用于连续信号和周期信号的频谱分析。它工作于声频直至亚毫米的波频段，只显示信号的幅度而不显示信号的相位。它的工作原理是：本地振荡器采用扫频振荡器，它的输出信号与被测信号中的各个频率分量在混频器内依次进行差频变换，所产生的中频信号通过窄带滤波器后再经放大和检波，加到视频放大器作示波管的垂直偏转信号，使屏幕上的垂直显示正比于各频率分量的幅值。本地振荡器的扫频由锯齿波扫描发生器所产生的锯齿电压控制，锯齿波电压同时还用作示波管的水平扫描，从而使屏幕上的水平显示正比于频率。

工作原理如图4（a）所示。用扫频振荡器作为超外差接收机的本机振荡器，当选择开关S置于1，锯齿波扫描电压对本机振荡器I进行扫频，输入信号中的各个频率分量在混频器中与本机扫频信号进行差频，它们依次落入第一中放窄带滤波器的通带内，被滤波器选出，经二次变频、检波、放大后，加到示波管的垂直偏转系统，使屏幕上的垂直显示正比于各个频率分量的振幅。扫描电压同时加到示波管的水平偏转系统，从而使频幕的X坐标变成频率坐标，并在屏幕上显示出被分析的输入信号频谱图。上述工作方式在本机振荡器I上进行扫频，称“扫前式”工作模式，具有很宽的分析频带。当S置于2时，也可在本机振荡器Ⅱ上进行扫频，称“扫中频式”工作模式，这时可进行窄带频谱分析。

实时式频谱分析仪

在存在被测信号的有限时间内提取信号的全部频谱信息进行分析并显示其结果的仪器主要用于分析持续时间很短的非重复性平稳随机过程和暂态过程，也能分析40兆赫以下的低频和极低频连续信号，能显示幅度和相位。傅里叶分析仪是实时式频谱分析仪，其基本工作原理是把被分析的模拟信号经模数变换电路变换成数字信号后，加到数字滤波器进行傅里叶分析；由中央处理器控制的正交型数字本地振荡器产生按正弦律变化和按余弦律变化的数字本振信号，也加到数字滤波器与被测信号作傅里叶分析。正交型数字式本振是扫频振荡器，当其频率与被测信号中的频率相同时就有输出，经积分处理后得出分析结果供示波管显示频谱图形。正交型本振用正弦和余弦信号得到的分析结果是复数，可以换算成幅度和相位。分析结果也可送到打印绘图仪或通过标准接口与计算机相连。