浅析频谱分析仪类型和频率覆盖范围

  可能有点复杂，但在选择其中一种测试仪器时，必须至少对它们有一个基本的了解。

  即使在使用频谱分析仪时，了解规格也能保证了解其局限性，并且所做的测量是其能力范围内的测量。

  频谱分析仪是昂贵的测试仪器，必须为任何应用选择最好的仪器。了解模拟/超外差频谱分析仪、FFT 频谱分析仪甚至实时频谱分析仪之间的基本规格和区别非常重要。

  在深入研究规格及其实际含义之前，第一步是选择正确类型的分析仪。有几种不一样的分析仪，因此了解每种类型是什么以及它们可以在一定程度上完成什么至关重要。

  超外差频谱分析仪：这种类型的频谱分析仪采用超外差原理。本振将输入信号转换为固定频率的IF。利用斜坡电压扫描本振，可以扫描一系列频率。如果斜坡电压也与显示器的水平轴相连，垂直轴与检测到的信号电平相连，则能够正常的看到频谱的显示。

  FFT频谱分析仪：快速傅里叶变换 FFT 频谱分析仪采用数字技术。对输入信号进行采样，并将连续的采样传递给 FFT处理器以处理信号。FFT处理器提供所有信号处理，以便将频谱信息传递给控制和显示处理器进行显示。

  实时频谱分析仪：FFT分析仪的一个问题是，FFT处理器的连续采样之间可能会丢失瞬态信号。为客服这样的一个问题，实时频谱分析仪采集了时间重叠的样本。这样，发生的瞬态将被捕获并能够直接进行分析。实时频谱分析仪对于分析由处理器驱动的射频系统特别有用，因为可能会发生毛刺和瞬变。它们对于捕获各种各样的形式的调制和跳频系统也非常有用。

  USB频谱分析仪：尽管 USB 频谱分析仪本身可能不是不一样的分析仪，但它们可能值得一节，因为它们提供了一种非常经济高效的创建频谱分析仪的方法。通过捕获波形并在专门设计的FPGA中做处理，处理后的信息能够最终靠USB接口传递到计算机进行显示。这节省了大量的成本和空间。

  通常，对于大多数应用来说，下限频率不是问题，因为射频频谱分析仪通常用于射频频谱的频率。下限可能取决于测试仪器是直流耦合还是交流耦合。直流耦合通常给出一个低得多的限值。高端频谱分析仪的典型下限可能为直流耦合的下限约为2 Hz，而交流耦合的下限为10 MHz。

  交流耦合的优点是可以消除信号上有几率存在的任何直流电。如果直流分量太大，则很容易损坏频谱分析仪的输入，并且维修费用可能很高。

  频率覆盖规范所需的主要参数是上限。这显然应该至少包括目标信号的基波，但请记住，频谱分析仪常常要测量杂散信号，如互调失真和谐波。

  为了能够正确检查任何单元、模块或电路的性能，必须至少看到主信号的三次谐波，最好是更高的谐波。

  需要仔细判断选择正确的最高频率，可能具有一定的偶然性。然而，最高频率的增量往往相当大，并且伴随着成本的大幅增加。

  频率精度是任何分析仪的重要规格。虽然它不是频率计数器，但频率精度通常是其规格的关键。

  对于较旧的超外差扫频模拟分析仪和较新的FFT数字式分析仪，频率精度的解决方法不同。值得分别查看两种形式的测试仪器的规格。由于超外差扫频分析仪是现场的第一台，因此将首先解决以下问题：

  模拟超外差扫频谱分析仪：这种形式的频谱分析仪的误差可大致分为许多不同的区域：

  频率参考误差：该误差主要由分析仪内部的时基振荡器决定。如今，几乎所有的频谱分析仪都使用高性能的晶体烘箱振荡器，因此这个术语通常很小。此外，分析器的内部架构也将对该术语产生一定的影响。但是，当使用频谱分析仪进行任何频率测量时，值得记住的是，烘箱确实需要一些时间来预热和稳定，因此只有在分析稳定后才能进行任何测量。有关这方面的完整详情信息将在频谱分析仪规格表中给出。

  跨度错误：在可能没用数字技术的旧分析仪上，量程误差也是一个核心问题。这种误差通常分为两种规格，因为许多频谱分析仪是完全针对小跨度合成的，但针对较大跨度进行了开环调谐。检查分析仪的操作，但对于大多数现代分析仪来说，这并不适用

  中心频率误差：同样，这种形式的误差规范也适用于较旧的分析仪。在大多数情况下，它比跨度误差小得多。

  基于FFT的频谱分析仪：快速傅里叶变换频谱分析仪使用与旧式测试仪器截然不同的方法来实现相同的目标。在这组分析仪中，还包括实时频谱分析仪，因为它其实就是FFT频谱分析仪的专用高性能版本。也可以包括 USB 频谱分析仪，因为它使用与 FFT 分析仪相同的原理运行 - 唯一的区别是 USB 测试仪器使用计算机内的显示、显示处理、控制等，而让 USB 频谱分析仪进行所有信号处理。

  在这些分析仪中，所有参考信号、时钟等都来自高稳定性源。这通常是一个由烤箱控制的晶体振荡器 - 还可以锁定到更高的标准源，以使系统具有更高水平的频率精度。分析仪进行的任何频率测量都将从根本上取决于时钟的精度。

  通常，频率测量是使用标记进行的。在屏幕上选择一个位置，这通常是信号的峰值，以便可以测量其中心频率。人们感兴趣的主要是这些标记的频率精度。

  标记分辨率：标记分辨率实际上与频率精度无关，但它给出了标记可以执行的步长 - 它给出了一个位置和相邻位置之间的步长。在许多测试仪器中，这可以精确到 1 Hz。这已经绰绰有余了，特别是当现代分析仪可以测量的一些频率扩展到许多GHz时。

  标记频率不确定度：标记不确定性可以被认为是系统的准确性。由于标记给出了它们所定位频率的读数，通常给出了信号的峰值或中心频率，因此这种精度或更准确地说是不确定性非常重要。

  标记不确定度图由几个元素组成。它通常能确定为±（标记频率 x 参考精度 + 通常约为分辨率带宽的 10% + 0.5 x（跨度 / （扫描点 - 1） + 标记分辨率）。

  频谱分析仪中使用的频率参考的频率精度，无论是扫描分析仪还是FFT分析仪，都取决于用于驱动频率合成器和其他时钟信号的频率参考。这假设分析仪中的变量振荡器是合成的，而不是像一些非常早期的分析仪那样自由运行。

  频率参考误差可按±计算（自上次调整以来的时间 x 老化率 + 温度漂移 + 校准精度）。

  频谱分析仪的频率精度在实验室中并不总是容易计算，但今天的高性能模型将提供令人惊讶的高精度水平，尽管使用上述简单的计算，但可以很好地估计性能，而无需对所有相关参数做全面调查。

  近年来，相位噪声慢慢的变重要，因此有必要测量许多振荡器和系统的相位噪声性能。

  为了进行相位噪声测量，频谱分析仪的性能必须优于被测单元的性能。若不是，则测量将是做测量的相位噪声测试仪器的测量值，因为来自频谱分析仪的相位噪声会掩盖被测单元的相位噪声。

  通常，相位噪声规格是使用完美信号源时测量的单边带噪声电平。它被指定为在给定偏移处以 1Hz 带宽测量的相位噪声电平，单位为 dBc（相对于载波的分贝）。

  由于相位噪声的电平随偏移而变化，因此能在多个频率下指定电平，也能给出噪声图。

  当测量达到10 MHz偏移时，预计噪声将保持恒定，达到测试仪器的本底噪声。

  绝对精度规格：本频谱分析仪规范是指需要绝对电平的测量。它可以是以dBm等表示的信号功率电平的测量。

  相对精度规格：相对精度规格略有不同。当信号与另一个信号相比时以分贝表示时，使用此规范。例如，谐波可以用载波上的分贝来表示。这些测量通常比绝对测量更准确，因为整个信号链的精度

  分辨率带宽主要由分析仪中使用的滤波器带宽决定，但在确定可用分辨率时，滤波器类型、残余FM和噪声边带等其他因素同样是需要考虑的因素。

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