頻譜分析儀常見問題

　　問：頻譜分析儀如何工作？

　　頻域測量

　　信號的頻譜分布實際上就是測量結果在頻域上的反映，頻域和時域的關系如圖1所示。示波器在時域測得近似方波的信號，經過傅里葉變換被分解為基波和高達11次奇次諧波。當用頻譜分析儀從頻域觀察時，能夠識別出所有頻率組成。以圖1為例，基波、3次諧波、5次諧波和11次諧波可以被區分出來。由此可以看出，時域和頻域是從不同角度對同一個信號的描述。

　　簡單介紹下頻譜分析儀的工作原理：以帶寬接收機開始，然后逐漸涉及頻譜分析儀的其他部分。在了解這些內容和頻譜結構的基本概念后，讀者應該對RBW和VBW功能有所了解。

　　帶寬接收機

　　頻譜分析儀的工作原理就像一個帶寬接收機，帶寬范圍從幾十KHz或幾十MHz開始。接收機的功能是將輸入信號的頻率轉換為檢測回路能處理的頻段，正如我們所知的外差法。圖2位帶寬接收機的基本結構，包括一個混頻器、一個本機振蕩器（LO）和一個帶通濾波器。本機振蕩器產生一個混頻振蕩信號。混頻器將輸入信號與本機振蕩器產生的信號混合在一起，總信號就包括兩種信號的和與差。量信號之差成為中頻（IF），它是檢測回路使用的部分信號。帶通濾波器濾掉信號中不需要的成分，然后將僅留下的IF傳到檢測和顯示單元。頻譜分析儀本質上是一個帶寬接收機，因此需要不只一次的頻率轉換。次數由頻率范圍、頻率分辨率和RBW濾波器決定。

　　衰減器

　　將衰減器置于射頻輸入路徑，擴寬了輸入信號準位的動態范圍或對頻譜分析儀增添了更多的輸入保護。參考圖3，衰減器將來自混頻器（RF中部）的信號準位限制在一定范圍內，如果輸入信號超過參考準位，將會引起測量誤差或偽噪聲，這就是為什么某些頻譜分析儀會在特定信號條件下列出儀器規格，包括混頻器中具體的信號準位。

　　分辨率濾波器

　　當輸入信號頻率轉換為更低頻帶并濾入檢測和顯示單元時，為了區別頻率接近的信號，會用到RBW（分辨率帶寬）濾波器，如圖4所示。

　　圖5，在不同分辨率帶寬下，RBW濾波器如何區分兩種信號。將兩個等幅信號通過兩種RBW濾波器濾波，其中RBW1的分辨率優于RBW2。從結果可以看出，當通過較窄RBW1濾波器時，能清晰分辨出兩種信號，但是通過較寬RBW2濾波器時，結果就不如RBW1。我們可以預測到，如果RBW2的分辨率帶寬更寬，我們甚至會將結果誤認為是一個信號。當兩個信號的頻率十分接近時，這種情況機會發生。另一種情況是，當兩個信號的幅值差距很大，RBW1仍能夠檢測到較小信號，但是RBW2卻不能，如圖6所示。所以這些濾波器又稱為分辨率濾波器。

　　檢波器

　　RBW濾波之后，檢波器能夠檢測能量并將其轉換成直流電壓。顯示單位利用該直流電壓描繪頻譜分布，如圖7所示。

　　視頻濾波器

　　在直流電壓進入顯示單元之前，需要將檢波器產生的噪聲壓縮，這個濾波器成為視頻濾波器，它的帶寬成為VBW，系統如圖8所示，視頻來自電視廣播系統。視頻濾波器也作為后置濾波器，圖9呈現出VBW對顯示輸出的影響。如果待測信號通過兩個VBW濾波器，其中VBW1小于VBW2，結果顯示VBW2的底噪要比VBW1大。換句話說，視頻濾波器將底噪平均了。但要注意的是，底噪準位并沒有改變，VBW濾波器僅平均噪聲準位，并不影響信號底噪的總體幅值。

　　掃描時間

　　上述內容介紹了頻譜分析儀的基本機構，而且對RBW和VBW也作了詳細解釋。一般來說，掃描時間與頻譜分析儀的頻率分辨率成反比。掃描時間越快，解析度越低（RBW、VBW越寬）；掃描時間越慢，解析度越高（RBW、VBW越窄）。因此如果選擇較窄的RBW或VBW，顯示信號的時間就會變長。這就意味著RBW和VBW越窄，掃描時間越長。對于RBW/VBW/掃描時間，絕大多數頻譜分析儀都具有自動和手動選擇模式。自動模式權衡了頻寬、RBW、VBW和掃描時間，通常能獲得最好的結合。

　　問：在頻譜分析儀上AM信號呈現什么波形？

　　圖10為AM信號在頻域和時域的測量結果。在時域中，AM調制指數由A和B的大小決定。但是用示波器很難精確測量調制指數和載波頻率。

　　在頻域中，很容易測量載波和調制信號的頻率。根據載波和邊帶信號的差值（delta）dB以及標記讀值，可以計算調制指數。

　　問：在頻率分析儀上FM信號呈現什么波形？

　　時域中的FM信號比AM信號更復雜，如圖11所示。AM信號是幅值調制，而FM信號是頻率調制。在FM信號中，頻率經調制后以一定偏移量進行掃描，但是該偏移量卻在時域很難測量。然而頻譜分析儀卻能直接顯示出載波頻率、調制信號頻率、偏移量和帶寬。

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