频谱分析仪与测量技术基础
《频谱分析仪与测量技术基础》是2011年人民邮电出版社出版的图书，作者李剑雄。
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《频谱分析仪与测量技术基础》是2011年人民邮电出版社出版的图书，作者李剑雄。
第1章 频谱测量基础
1.1 信号
1.1.1 信号的参数
1.1.2 信号的类型
1.2 信号的功率及强度
1.2.1 分贝
1.2.2 绝对分贝值
1.3 时域与频域中的信号
1.3.1 时域中的信号
1.3.2 时域和频域的关系
1.4 频域测量
1.4.1 什么是频谱
1.4.2 为什么测量频谱
1.4.3 测量的类型
1.4.4 信号分析仪的类型
第2章 频谱分析仪基础
2.1 多通道滤波器式分析仪
2.2 FFI分析仪
2.2.1 FFT分析仪的原理与结构
2.2.2 FFT分析仪
2.3 扫频频谱分析仪
2.3.1 滤波器式分析仪
2.3.2 超外差式频谱分析仪
2.4 主要设置参数
2.4.1 频率显示范围
2.4.2 电平显示范围
2.4.3 频率分辨率
2.4.4 扫描时间
2.4.5 频谱仪的显示
第3章 超外差频谱分析仪原理
3.1 射频输入单元
3.1.1 输入阻抗
3.1.2 射频衰减器
3.1.3 低通滤波器
3.1.4 混频器
3.1.5 高频段的前级电路
3.2 中频信号处理
3.2.1 中频放大器
3.2.2 中频滤波器
3.3 视频信号处理
3.3.1 包络检波
3.3.2 视频滤波
3.4 视频检波器
3.4.1 取样检波
3.4.2 峰值检波
3.4.3 自动峰值检波
3.4.4 其他检波模式
3.5 轨迹处理
3.6 频谱仪的本振
3.6.1 本振
3.6.2 相位噪声
3.6.3 本振馈通
第4章 频谱分析仪的性能指标
4.1 内部失真
4.1.1 非线性失真
4.1.2 1dB压缩点
4.2 频率特性
4.2.1 分辨率带宽
4.2.2 滤波器的形状因子
4.2.3 相位噪声
4.2.4 剩余调频
4.3 幅度特性
4.3.1 显示的线性度
4.3.2 阻抗失配
4.3.3 输入衰减器的影响
4.3.4 输入滤波器的影响
4.3.5 中频单元的影响
4.4 噪声和灵敏度
4.4.1 固有噪声
4.4.2 灵敏度
4.4.3 噪声系数
4.5 动态范围
4.5.1 什么是动态范围
4.5.2 电平显示范围
4.5.3 最大动态范围
4.5.4 动态范围和内部失真
4.5.5 噪声对动态范围的影响
4.6 抗干扰
4.6.1 镜像频率
4.6.2 中间频率处的中频馈通
4.6.3 杂散响应
第5章 频谱分析仪的基础测量
5.1 频谱仪的最大输入电平
5.2 频谱仪的设置问题
5.2.1 频谱仪带宽的设置
5.2.2 参考电平与射频衰减
5.2.3 过载
5.2.4 失真测试结果的真实性
5.3 测量正弦信号
5.3.1 测量已知频率的信号
5.3.2 分辨等幅信号
5.3.3 分辨频率接近幅度不等的信号
5.4 测量低电平信号
5.5 失真测量
5.5.1 测量正弦信号的谐波
5.5.2 三阶互调失真
5.6 噪声测量
5.6.1 关于噪声测量
5.6.2 相位噪声测量
第6章 频谱分析仪的增强功能
6.1 1dB压缩点测试
6.2 放大器的增益测量
6.3 测量脉冲信号
6.4 调制测量
6.4.1 测量调幅信号
6.4.2 测量调频信号
6.5 其他测量
6.5.1 测量插入损耗
6.5.2 测量回波损耗
6.5.3 时间选通测量
参考文献
由李剑雄编著的频谱测量基础，频谱分析仪基础，超外差频谱分析仪原理，频谱分析仪性能指标，频谱分析仪的基础测量，频谱分析仪的增强功能等，并结合实际应用，介绍了大量的测量技巧。
《频谱分析仪与测量技术基础》尽量用简单通俗的语言来描述一些专业的知识，循序渐进，极具实用性，可供无线通信测量、维修等工程技术人员学习与参考;也可作为高职、中职等院校相关专业的教材或教学参考书，以及射频与无线通信初学者和广大电子爱好者的自学参考书。
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本文介绍了基于GPIB接口的频谱分析仪CAM/CAT系统的工作原理、系统构建、软件设计等,通过在频谱分析仪生产中的应用,表明该系统的测试效果好,通用性强,很好地解决了频谱分析仪的生产测试问题。
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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。
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。
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：
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。
本书可供从事通信、无线电测量与计量、测试仪器与仪表、微波测量、电磁干扰测量等方面工作的工程技术人员阅读，亦可供大专院校相关专业的老师、高年级学生和研究生用作参考书。
目录
第一篇 频谱分析仪的原理
第1章 频谱分析仪的发展及分类 3
1.1 频谱分析仪的历史与发展趋势 3
1.2 频谱分析仪的分类 5
1.2.1 带通滤波器分析仪 5
1.2.2 快速傅里叶变换分析仪 6
1.2.3 扫频频谱分析仪 7
1.2.4 实时频谱分析仪 8
第2章 频谱分析基础 9
2.1 频域与时域的关系 9
2.2 傅里叶级数 11
2.3 傅里叶变换与逆变换 14
2.3.1 傅里叶变换 14
2.3.2 傅里叶逆变换 15
2.4 离散傅里叶变换 15
2.5 快速傅里叶变换 16
第3章 超外差频谱分析仪的原理 17
3.1 超外差频谱分析仪的原理及组成 17
3.1.1 超外差频谱分析仪的原理结构图 17
3.1.2 RF输入衰减器 18
3.1.3 低通滤波器或预选器 20
3.1.4 混频器 20
3.1.5 本地振荡器 21
3.1.6 中频增益放大器 21
3.1.7 中频滤波器 21
3.1.8 包络检波器 22
3.1.9 视频滤波器 23
3.1.10 显示器 24
3.2 超外差频谱分析仪的调谐方程 25
3.3 超外差频谱分析仪测量信号的应用举例 28
第4章 频谱分析仪的基本特性 30
4.1 频率特性 30
4.1.1 频率范围 30
4.1.2 频率分辨率 31
4.1.3 频率精度 36
4.2 幅度特性 38
4.2.1 幅度范围 38
4.2.2 噪声系数与灵敏度 39
4.2.3 动态范围 44
4.2.4 幅度精度 47
4.3 扫描时间 48
4.3.1 模拟滤波器对扫描时间的影响 48
4.3.2 数字滤波器对扫描时间的影响 50
4.4 频谱分析仪常用术语汇编 50
第二篇 频谱分析仪的操作使用方法
第5章 Agilent 8560EC系列频谱分析仪 55
5.1 前面板 55
5.2 后面板 58
5.3 显示器的屏幕注解 59
5.4 主要技术指标 62
5.4.1 频率技术指标 62
5.4.2 幅度技术指标 63
第6章 频谱分析仪硬软键功能与操作 67
6.1 基本功能键 67
6.1.1 【FREQUENCY】频率键 67
6.1.2 【SPAN】扫频宽度键 72
6.1.3 【AMPLITUDE】幅度键 73
6.2 码刻功能键 76
6.2.1 【MKR】功能键 76
6.2.2 【MKR→】功能键 80
6.2.3 【FREQ COUNT】功能键 81
6.2.4 【PEAK SEARCH】功能键 82
6.3 控制功能键 83
6.3.1 【SWEEP】硬键 83
6.3.2 【BW】硬键 84
6.3.3 【TRIG】硬键 86
6.3.4 【AUTO COUPLE】硬键 88
6.3.5 【TRACE】硬键 89
6.3.6 【DISPLAY】硬键 94
6.4 仪器状态功能键 97
6.4.1 【PRESET】硬键 97
6.4.2 【CONFIG】硬键 99
6.4.3 【CAL】硬键 101
6.4.4 【AUX CTRL】硬键 103
6.4.5 【COPY】硬键 104
6.4.6 【MODULE】硬键 106
6.4.7 【SAVE】硬键 108
6.4.8 【RECALL】硬键 109
6.4.9 【MEAS/USER】硬键 109
6.5 数据控制键 111
第三篇 频谱分析仪的应用
第7章 幅度与频率测量 115
7.1 频谱分析仪校准信号测量 115
7.1.1 校准信号测量的原理 115
7.1.2 校准信号测量的方法 116
7.2 两个频率相近的信号测量 120
7.2.1 两个等幅信号测量 120
7.2.2 两个不等幅信号测量 122
7.3 低电平信号的测量 124
7.3.1 利用RF衰减器测量低电平信号 124
频谱分析仪概述