頻譜分析儀關(guān)鍵性能指標(biāo)

頻譜分析儀作為分析儀表，其基本性能要求包含：

1. 頻率方面指標(biāo)：

測(cè)量頻率范圍：反映頻譜儀測(cè)量信號(hào)范圍能力;

頻率分辨率：反映頻譜儀分辨兩個(gè)頻率間隔信號(hào)的能力。

2. 幅方面度指標(biāo)：

靈敏度：頻譜儀發(fā)現(xiàn)小信號(hào)的能力;

內(nèi)部失真：反映頻譜儀測(cè)量大信號(hào)的能力;

動(dòng)態(tài)范圍：頻譜儀同時(shí)分析大信號(hào)和小信號(hào)的能力。

3. 另外頻譜儀的性能還包含其分析精度和測(cè)量速度。

測(cè)量諧波失真或搜索信號(hào)要求頻率范圍從低于基波擴(kuò)展到超過(guò)多次諧波。測(cè)量交調(diào)失真則要求窄的掃頻寬度(span)，以便觀察鄰近的交調(diào)失真產(chǎn)物。因此，首先是選擇有足夠頻率和掃寬范圍的頻譜分析儀。第二個(gè)要求是什么樣的頻率分辨率?測(cè)量雙音交調(diào)對(duì)分辨率提出了嚴(yán)格的要求。

頻譜分析儀測(cè)量頻率范圍由其本振范圍決定。通過(guò)采用本振的諧波可擴(kuò)展頻譜分析儀的分析頻率范圍，還可采用外混頻方法將其分析頻率范圍擴(kuò)展至更高(75GHz; 110GHz;325GHz等)。

頻率分辨率

這個(gè)例子反映頻譜分析儀測(cè)量分辨率對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，輸入的物理信號(hào)為兩個(gè)頻率間隔的信號(hào)，只有當(dāng)頻譜分析儀的分辨能力足夠高時(shí)，才會(huì)在屏幕上正確反映信號(hào)的特性。

很多信號(hào)測(cè)試應(yīng)用要求頻譜分析儀要具有盡量高的頻率分辨率。

圖1 頻率分辨率

頻譜分析儀的頻率分辨率與其內(nèi)部的中頻濾波器和本振性能有關(guān)。

其中，中頻濾波器的影響因素包含：

濾波器類型;帶寬;形狀因數(shù)(shape factor)。

本振剩余調(diào)頻(residual FM)和噪聲邊帶也是確定有用分辨率時(shí)應(yīng)考慮的因素。

依次分析每一項(xiàng)。首先要注意的事情之一，是在頻譜儀上理想CW信號(hào)不可能顯示為無(wú)限細(xì)的線，它本身有一定的寬度。當(dāng)調(diào)諧通過(guò)信號(hào)時(shí)，其形狀是頻譜分析儀自身分辨帶寬(IF濾波器)形狀的顯示。這樣，如果改變?yōu)V波器的帶寬，就改變了顯示響應(yīng)的寬度。技術(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)表中規(guī)定3 dB帶寬，其它應(yīng)用(EMC)定義濾波器帶寬為6dB 帶寬。

本振性能對(duì)分辨率有影響是因?yàn)橹蓄l信號(hào)來(lái)源于輸入信號(hào)與本振信號(hào)的混頻，兩個(gè)信號(hào)中的噪聲是功率相加關(guān)系。

輸入信號(hào)相位噪聲性能為：10kHz offset –110dBc/Hz;

混頻本振相位噪聲性能為：10kHz offset –110dBc/Hz，

則混頻輸出中頻信號(hào)相位噪聲性能為：10kHz offset –107dBc/Hz。

單點(diǎn)頻信號(hào)在頻譜上測(cè)試顯示結(jié)果為中頻濾波器的頻響形狀。

濾波器的形狀通過(guò)其帶寬(3dB或6dB)和矩形系數(shù)得到定義。這兩個(gè)參數(shù)都會(huì)影響頻譜分析儀的頻率分辨能力。

圖2 中頻濾波器帶寬和形狀因素(矩形系數(shù))定義

在雙音測(cè)試中，兩個(gè)信號(hào)相隔10kHz，RBW=10KHz時(shí)，儀表測(cè)試可顯示出兩個(gè)信號(hào)峰。顯然用10kHz濾波器分辨出等幅雙音信號(hào)是沒(méi)有問(wèn)題的。

頻譜分析儀的RBW即為其分辨等幅信號(hào)的能力。

上面的分析得到的結(jié)論是：

頻譜分析儀RBW 越小，其頻率分辨率越高。

中頻濾波器3dB帶寬告訴我們，等幅信號(hào)彼此靠近到何種程度仍然能夠彼此分開(kāi)(根據(jù)3dB下降)。一般的說(shuō)，如果兩信號(hào)的間隔大于或等于所選用分辨帶寬濾波器的3dB帶寬，兩個(gè)等幅信號(hào)就可以分辨出來(lái)。在雙音測(cè)試中的兩個(gè)信號(hào)表明了這個(gè)含義。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)間隔10 kHz時(shí)，用10 kHz的分辨帶寬容易分開(kāi)它們。然而，若用較寬的分辨帶寬，兩個(gè)信號(hào)顯示為一個(gè)。

注解：當(dāng)兩信號(hào)出現(xiàn)在分辨帶寬之內(nèi)時(shí)，由于兩個(gè)信號(hào)相互作用，利用大約比分辨帶寬小10倍的視頻帶寬可平滑其響應(yīng)。

通常我們需測(cè)量不等幅信號(hào)。由于在我們的例子中兩個(gè)信號(hào)描繪出濾波器的形狀，小信號(hào)有可能被掩埋在大信號(hào)濾波器的裙邊(filter skirt)中。對(duì)于幅度相差60dB的兩個(gè)信號(hào)，其間隔至少是60dB 帶寬的一半(用近似3dB下降)。因此，形狀系數(shù)(濾波器60dB對(duì)3dB帶寬之比)是決定不等幅信號(hào)分辨率的關(guān)鍵。

頻率分析儀分辨不等幅信號(hào)舉例：

對(duì)于相隔10kHz而幅度下降50dB的失真產(chǎn)物(distortion products) 的測(cè)試。

如果3kHz濾波器的形狀因數(shù)是15:1，于是濾波器下降60dB的帶寬是45kHz，失真產(chǎn)物將隱藏在測(cè)試信號(hào)響應(yīng)的裙邊下。如果換接到另外一個(gè)窄帶濾波器(如1kHz濾波器)，60dB帶寬15kHz，失真產(chǎn)物是容易被觀察到的(因?yàn)?0dB帶寬的一半是7.5kHz，它小于邊帶的間隔)。因此，對(duì)于本測(cè)量所需的分辨帶寬應(yīng)不大于1kHz(<>

濾波器形狀系數(shù)(shape factors)的范圍：

模擬濾波器：15:1或11:1

數(shù)字濾波器：5:1

以上分析的結(jié)論：

頻譜分析儀矩形系數(shù)越小，其對(duì)不等幅信號(hào)的頻率分辨率越高。

以上由安泰測(cè)試整理發(fā)布。

審核編輯：湯梓紅