中心議題：
- 掃頻頻譜分析儀原理
- 影響頻譜分析儀頻率分辨率的因素
頻譜分析儀是通過測量信號的頻率成份及其幅度特性來確定信號特性的，頻率指標(biāo)(頻率范圍、頻率分辨率)和幅度指標(biāo)(動態(tài)范圍、失真、靈敏度)是它的重要技術(shù)指標(biāo)。頻譜分析儀作為射頻和微波頻段信號的重要測量儀器之一，廣泛用于測量信號的電平。諧波失真、交調(diào)失真、排除干擾信號、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻譜占用情況等，而很多應(yīng)用者對頻譜分析儀的頻率分辨率的概念不是很清楚，本文主要就影響頻譜分析儀頻率分辨率指標(biāo)的因素進(jìn)行分析。
1 掃頻頻譜分析儀原理
頻譜分析儀從頻譜測試的實(shí)現(xiàn)技術(shù)上可分為兩類：使用傅里葉變換(FFT)技術(shù)的數(shù)字頻譜分析儀和使用模擬濾波器的模擬頻譜分析儀(包括并行濾波器頻譜儀和掃頻式頻譜儀)。數(shù)字頻譜分析儀使用數(shù)值計(jì)算的方法處理一定時(shí)間周期的信號，可提供頻率、幅度和相位信息，對周期信號和非周期信號均能分析。特點(diǎn)是速度快，精度高，適合分析窄帶信號。模擬頻譜分析儀的掃頻式頻譜分析儀是目前最常見的類型，在掃頻頻譜分析中普遍采用超外差式方式。掃頻式頻譜分析儀可分析穩(wěn)定和周期變化信號，提供信號幅度和頻率信息，適合寬頻帶寬的快速掃描試驗(yàn)。Agilent的ESA系列經(jīng)濟(jì)型頻譜分析儀和HP8563等都屬于掃頻頻譜分析儀，其簡化原理框圖見圖1，掃頻頻譜儀實(shí)際上是多級混頻結(jié)構(gòu)。這種分析方法最核心的部分是它的混頻器和中頻濾波器。混頻器將被測信號下變至中頻，然后在中頻上進(jìn)行處理，得到幅度。本地振蕩器采用掃頻振蕩器，它的輸出信號與被測信號中的各個(gè)頻率分量在混頻器內(nèi)依次進(jìn)行差頻變換，所產(chǎn)生的中頻信號通過中頻窄帶濾波器后再經(jīng)放大和檢波，加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉(zhuǎn)信號，使屏幕上的垂直顯示正比于各頻率分量的幅值。本地振蕩器的掃頻由鋸齒波掃描發(fā)生器所產(chǎn)生的鋸齒電壓控制，鋸齒波電壓同時(shí)還用作示波管的水平掃描，從而使屏幕上的水平顯示正比于頻率。
圖1 掃頻頻譜分析儀原理框圖
2 影響頻譜分析儀頻率分辨率的因素
頻譜分析儀的頻率分辨率是它區(qū)分臨近頻率分量的能力。很多信號測試要求頻譜儀具有較高的頻率分辨率，只有當(dāng)頻譜分析儀的分辨能力足夠高時(shí)，才會在屏幕上正確反映信號的特性。頻譜分析儀的頻率分辨率與其內(nèi)部的中頻濾波器和本地振蕩器的性能有關(guān)。中頻濾波器的類型、3 dB帶寬、頻率選擇性和本地振蕩器的本振殘余調(diào)頻和本振相位噪聲都會影響頻譜分析儀的頻率分辨率。
2.1 中頻濾波器對頻率分辨率的影響
中頻濾波器的功能是分辨不同頻率信號。它是頻譜分析儀中的關(guān)鍵部分，是一個(gè)中心頻率固定的窄帶濾波器，只有改變本地振蕩的掃頻信號頻率才能達(dá)到選頻目的。頻譜分析儀混頻后的頻率如果落在中頻濾波器通帶內(nèi)，顯示器上才會顯示該頻率，如果混頻后頻率不等于中頻，則被中頻濾波器所阻擋。理想單載波信號在掃頻頻譜儀測試顯示的形狀是濾波器的頻響形狀。中頻濾波器的形狀通過其帶寬(3 dB或6 dB)和頻率選擇性得到定義，其3 dB帶寬和矩形系數(shù)影響頻譜儀的許多關(guān)鍵指標(biāo)，例如測量分辨率、測量靈敏度、測量速度以及測量精度等。
2.1.1 分辨率帶寬對頻率分辨率的影響
分辨率帶寬(Resolution Bandwidth，RES BW)是中頻濾波器的3 dB帶寬，反映了頻譜儀分辨等幅信號的能力。2個(gè)等幅信號之間頻率差為中頻濾波器的3 dB帶寬時(shí)，合成響應(yīng)曲線仍有2個(gè)峰值，中間下沉大約3 dB，認(rèn)為它們是可分辨的，因此稱中頻濾波器的3 dB帶寬為頻譜分析儀的分辨率帶寬(RES BW)。HP／AGILENT頻譜儀定義中頻濾波器的3 dB帶寬為RESBW，有的公司定義6 dB帶寬為RES BW。頻譜分析儀的最小分辨率帶寬反映出頻譜分析儀的檔次高低，經(jīng)濟(jì)型的為1 kHz～5 MHz，多功能中檔型的為30 Hz～5 MHz，高檔型的為1 Hz～5 MHz。
圖2是不同分辨率帶寬頻譜的顯示，可以看到分辨率帶寬RBW=10 kHz時(shí)不能辨別出載波形狀，分辨率帶寬RBW=1 kHz時(shí)可以清楚地辨別出載波形狀。
圖2 分辨率帶寬對頻譜的影響[page]
結(jié)論：如果兩信號的間隔大于或等于所設(shè)置分辨率帶寬RES BW，2個(gè)等幅信號就可以分辨出來，如果小于所選用的RES BW，這兩個(gè)信號是無法分辨的。頻譜分析儀的RES BW越小，其頻率分辨率越高。
2.1.2 頻率選擇性對頻率分辨率的影響
中頻濾波器的頻率選擇性是中頻濾波器的60 dB帶寬與3 dB帶寬之比，如圖3所示。它反映了頻譜儀分辨不等幅信號的能力，對于幅度相差60 dB的2個(gè)信號，其間隔至少是60 dB帶寬的一半，才可以分辨出2個(gè)信號，否則小信號可能被淹沒在大信號的裙邊中。用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的窄帶帶通濾波器頻率選擇性可達(dá)到5：1，模擬濾波器頻率選擇性可達(dá)到15：1或11：1。圖3為濾波器的頻率選擇性示意圖。
圖3 濾波器的頻率選擇性示意圖
下面舉例說明不同頻率分辨率和頻率選擇性對分辨不等幅信號的影響。如果RES BW為3 kHz濾波器的頻率選擇性為15：1，于是濾波器下降60 dB的帶寬是45 kHz，60 dB的帶寬一半是22．5 kHz，那么距離大信號22．5 kHz以外-60 dBc的信號是可以檢測到的。如果換接到另外一個(gè)RES BW為1 kHz頻率選擇性為15：1窄帶濾波器，于是濾波器下降60 dB的帶寬是15 kHz，60 dB的帶寬一半是7．5 kHz，那么距離大信號7．5 kHz以外～60 dBc的信號是可以檢測到的。或者換接到另外一個(gè)RES BW為3 kHz頻率選擇性為5：1的濾波器，于是濾波器下降60 dB的帶寬是45 kHz，60 dB的帶寬1／2是7．5 kHz那么距離大信號7．5 kHz以外-60 dBc的信號是可以檢測到的。圖4是頻率選擇性為15：1中的頻濾波器RES BW=1 kHz，RES BW=10 kHz時(shí)，頻譜分析儀測量結(jié)果，可以看到在RES BW=1 kHz時(shí)，距離大信號7．5 kHz以外-60 dBc的信號是可以檢測到的。
圖4 頻率選擇性和 RES BW 對頻率分辨率的影響
結(jié)論：頻譜分析儀的頻率選擇性越小，其對不等幅信號的分辨能力越強(qiáng)，但一臺頻譜分析儀的頻率選擇性是固定不變的，而分辨率帶寬是可變的，所以在測量微小信號時(shí)，可通過盡可能將分辨率帶寬打窄，減小平均顯示噪聲電平，達(dá)到測量效果。
2.2 本地振蕩器對頻率分辨率的影響
本地振蕩器對頻率分辨率有影響是因?yàn)橹蓄l信號來源于輸入信號與本振信號的混頻，2個(gè)信號的噪聲是功率相加關(guān)系。
2.2.1 殘留調(diào)頻對頻率分辨率的影響
殘留調(diào)頻是描述本振穩(wěn)定性的一個(gè)指標(biāo)，對于一般的2～6 GHz調(diào)諧的微波鐵氧體器件(Yttrium Iron Garnet，YIG)微波振蕩器，其殘留調(diào)頻大約為1 kHz或更大。中頻出現(xiàn)這種不穩(wěn)定性很難判斷是出自信號本身還是本振，因?yàn)榧词馆斎胄盘栴l率是不變的，但由于本振信號的頻率變化在顯示器上也將直接表現(xiàn)輸入信號的頻率變化，根本無法確定是信號頻率變化，還是本振信號頻率變化引起的。本振殘留調(diào)頻的影響在RES BW很寬時(shí)是看不到的，由于本振殘留調(diào)頻引起的響應(yīng)曲線變化都隱藏在中頻濾波器帶寬之內(nèi)，只有當(dāng)RES BW小于本振剩余調(diào)頻的峰一峰寬度時(shí)才有明顯的顯示，如圖5所示。當(dāng)RES BW設(shè)置很小時(shí)，頻譜邊緣粗糙而不規(guī)則，出現(xiàn)尖峰，這就是殘余調(diào)頻。由此可見，頻譜分析儀的殘留調(diào)頻決定了可允許的最小分辨率帶寬，同樣也決定了等幅信號的最小間隔。
圖5 殘留調(diào)頻對頻率分辨率的影響[page]
鎖相本振作為參考源可提高殘留調(diào)頻指標(biāo)，也降低了最小可允許的分辨率。高性能的頻譜分析儀價(jià)格較高，因?yàn)樗捎酶咝阅苕i相本振源，具有較低的殘留調(diào)頻和較小的最小分辨率帶寬。
結(jié)論：頻譜儀的最小分辨帶寬，在一定程度上是由本地振蕩器的穩(wěn)定性決定的，低成本的本地振蕩器：RES BW可達(dá)到1 kHz，中等性(穩(wěn)頻)能本地振蕩器：RES BW可達(dá)到100 Hz，高性能(頻率合成技術(shù))本地振蕩器：RES BW可達(dá)到1Hz。
2.2.2 本振相位噪聲對頻率分辨率的影響
由于頻譜分析儀的本振信號頻率不可能是絕對的穩(wěn)定，總是有一定的頻率抖動，這種隨機(jī)的頻率變化稱為相位噪聲(或邊帶噪聲)。相位噪聲是由本振頻率不穩(wěn)定引起的，其值是本振頻率穩(wěn)定度的函數(shù)，本振頻率越穩(wěn)定相位噪聲越小，當(dāng)頻譜分析儀的RES BW設(shè)置較寬時(shí)，相位噪聲信號將隱藏在濾波器的響應(yīng)帶寬曲線之下。因此，測量頻譜分析儀的相位噪聲一般在中頻濾波器RES BW設(shè)置為最窄的條件下測量。本振相位噪聲主要影響不同幅度的頻率分量之間是否可分辨，分辨兩個(gè)頻率接近信號的前提是相位噪聲不能淹沒小信號。相位噪聲顯示和分辨率帶寬RBW相關(guān)，降低分辨率帶寬RBW，可降低相位噪聲顯示值。由于相位噪聲的影響，頻率相近的信號，特別是幅度遠(yuǎn)小于另一信號的頻率相近的信號將隱藏在大信號的響應(yīng)曲線之內(nèi)，使其無法分辨，只有將RES BW設(shè)置足夠小，降低相位噪聲顯示值，才能分辨出小信號。圖6為相位噪聲對不等幅信號分辨率的影響。
圖6 相位噪聲對不等幅信號分辨率的影響
結(jié)論：信號在頻譜顯示的噪聲邊帶來源于本振的頻率不穩(wěn)定性，這個(gè)噪聲可能掩蓋靠近載波低電平信號。剩余調(diào)頻和中頻濾波器帶寬等對非等幅信號的頻率分辨也是有影響的，但頻譜分析儀的相位噪聲是其所能測量非等幅信號頻率分辨率的極限值。
3 結(jié)語
本文對中頻濾波頻率選擇性、分辨率帶寬RESBW、本地振蕩器的殘留調(diào)頻和相位噪聲等參數(shù)進(jìn)行了仔細(xì)解析，使讀者從理論上理解這些參數(shù)的定義和它們與頻譜分析儀頻率分辨率之間的關(guān)系。在選購頻譜時(shí)，可根據(jù)實(shí)際測量要求選擇合適的頻率選擇性和本地振蕩器的性能，因?yàn)轭l譜儀一旦選定，頻率選擇性和振蕩器的性能是無法改變的。在實(shí)際測量中可以通過調(diào)整分辨率帶寬取得科學(xué)測試結(jié)果，兩等幅信號的間隔大于或等于所選用分辨率濾波器的寬度，2個(gè)等幅信號就可以分辨出來了，對于測量幅度不等而頻率又比較靠近的信號，在具體測試時(shí)除了考慮分辨率帶寬RES BW，還需考慮頻率選擇性，頻率選擇性越小，對不等幅信號的分辨能力越強(qiáng)。
