频谱分析仪工作原理

频谱分析仪对于信号分析来说是不可少的。它是利用频率域对信号进行分析、研究，同时也应用于诸多 领域，如通讯发射机以及干扰信号的测量，频谱的监测，器件的特性分析等等，各行各业、各个部门对 频谱分析仪应用的侧重点也不尽相同。下面结合我台DSNG卫星移动站的工作特点，就电视信号传输过 程中利用频谱分析仪捕捉卫星信标，监控地面站工作状态等方面，简要介绍一下频谱分析仪的工作原理。 科学发展到今天，我们可以用许多方法测量一个信号，不管它是什么信号。通常所用的最基本的仪器 是示波器，观察信号的波形、频率、幅度等。但信号的变化非常复杂，许多信息是用示波器检测不出来 的，如果我们要恢复一个非正弦波信号F,从理论上来说，它是由频率F1、电压VI与频率为F2、电压 为V2信号的矢量迭加（见图1） o从分析手段来说，示波器横轴表示时间，纵轴为电压幅度，曲线是 表示随时间变化的电压幅度。这是时域的测量方法，如果要观察其频率的组成，要用频域法，其横坐标 为频率，纵轴为功率幅度。这样，我们就可以看到在不同频率点上功率幅度的分布，就可以了解这两个 （或是多个）信号的频谱。有了这些单个信号的频谱，我们就能把复杂信号再现、复制出来。这一点是 非常重要的。对于一个有线电视信号，它包含许多图像和声音信号，其频谱分布非常复杂。在卫星监 测上，能收到多个信道，每个信道都占有一定的频谱成份，每个频率点上都占有一定的带宽。这些信号 都要从频谱分析的角度来得到所需要的参数。从技术实现来说，目前有两种方法对信号频率进行分析。 其一是对信号进行时域的采集，然后对其进行傅里叶变换，将其转换成频域信号。我们把这种方法叫 作动态信号的分析方法。特点是比较快，有较高的采样速率，较高的分辨率。即使是两个信号间隔非常 近，用傅立叶变换也可将它们分辨出来。但由于其分析是用数字采样，所能分析信号的最高频率受其采 样速率的影响，限制了对高频的分析。目前来说，最高的分析频率只是在10MHz或是几十MHz,也就是 说其测量范围是从直流到几十MHz。是矢量分析。这种分析方法一般用于低频信号的分析，如声音， 振动等。另一方法原理则不同。它是靠电路的硬件去实现的，而不是通过数学变换。它通过直接接收, 称为超外差接收直接扫描调谐分析仪。我们叫它为扫描调谐分析仪。在工作中通常所用的HP-859X系 列频谱仪都是此类的分析仪。其优点是扫描调谐分析法受器件的影响，只要我们把器件频率做得很高， 其分析能力就会很强。目前的工艺水平，器件可达到100GHz,最高甚至可做到325GHzo其频率范围要 比前一种分析方法大很多。只是在达到较高分辨率时，其分析测量的时间会有所增加。在实际工作中， 无线信号卫星信号的监督，由于其频率很高，都是采用扫描调谐的方式。它所能给我们的信息没有相位 参数，只有幅度、频率。它是一种标量的分析方法。另外，这种方法有很高的灵敏度，它受到前端扫描 调谐器件的控制，还有很高的动态范围。下面我们着重介绍一下扫描调谐分析仪的基本原理，从图2 中，我们不难看出，它是用超外差接收机的方式来实现频谱分析的。最基本的核心部分是它的混频器。 基本功能是将被测信号下变至中频21.4MHz,然后在中频上进行处理，得到幅度。在下变频的过程中， 是由本振来实现下变频的。本振信号是扫描的，本振扫描的范围覆盖了所要分析信号的频率范围。所以 调谐是在本振中进行的。全部要分析的信号都下变频到中频进行分析并得到谱频。这与日常所用的电视 机、收音机的原理是一样的。但是有线电视输出信号范围很广，比如有50个频道播放。这50个信号 是同时进入接收机的，其总功率是迭加的。而所看的电视节目只能是其中之一。同理，送入频谱仪的输 入端口信号是所采集信号的总和，其中包括所要分析的特定信号，所输入到频谱仪的功率是总功率。由 此要引入一个参数-最大烧毁功率。这一值是1瓦或是30dBmo也就是说输入到频谱仪的信号功率总和 不能超过1瓦，否则将会烧毁仪器的衰减器和混频器。例如，我们要监测一个卫星信号，假设其频率 为12GHz,其功率可能只有-80dBm左右，这是很小的。但要知道输入信号是由很多信号迭加组成的，若 是在其它某一频率上包括一个很强的信号，即使你没有看到这个大功率信号，若输入信号功率的总和大 于1瓦，也是要烧毁频谱仪的，而其中的大功率信号并不是你所要分析的信号。这是我们在日常工作中 需多加小心的，因为更换混频器的费用是很高的。当然，频谱仪在输入信号时并没有直接将其接入混 频器，而是首先接入一个衰减器。这不会影响最终的测量结果，完全是为了仪表内部的协调，如匹配、 最佳工作点等等。它的衰减值是步进的，为OdB、5dB、10dB,最大为60dB。还有的频谱仪是不能输入 直流的，否则也会损坏器件。另外，还应注意不能有静电，因为静电的瞬时电压很高，容易把有源器件 击穿。日常工作中把仪表接地就会有很好的效果，当然要有保护接地会更好。在中频，所有信号的功 率幅度值与输入信号的功率是线性关系。输入信号功率增大，它也增大，反之相同。所以我们检测中频 信号是可行的。另外，为了有效检测，要有一个内部中频信号放大。混频器本身有差落衰减，本频和射 频混频之后它并不是只有一个单一中频出来，它的中频信号非常丰富，所有这些信号都会从混频器中输 出。在众多的谐波分量中，只对一个中频感兴趣。这就是前面所说的21.4MHzo这是在仪器器件中己做 好的，用一个带通滤波器把中心频率设在21.4MHz,滤除其它信号，提取21.4MHz的中频信号。通过中 频滤波器输出的信号，才是我们所要检测的信号。滤波器在工作中有几个因素中心频率是21.4MHz, 固定不变，其30dB带宽可以改变。比如对广播信号来说，其带宽一般是几十kHz,若信号带宽是25kH z,中频的带宽一定要大于25kHzo这样，才能使所有的信号全部进来。如果太宽，就会混入其它信号; 如果太窄，信号才进来一部分，或是低频成份，或是高频成份。这样信号是解调不出来的。中频带宽 设置根据实际工作的需要来决定的。当然它会影响其它很多因素，如底噪声、信号解调的失真度等。 经过中频滤波器的中频信号功率就是反应了输入信号的功率。检测的方法就是用一个检波器，将它变为 电压输出，体现在纵轴的幅度。当然还要经过D/A转换和一些数据处理，加一些修正和一些对数、线性 变换。这足以给我们带来信号分析上的许多方便。频谱分析是要分析频域的。一个信号要分析两个参 数，一是幅度，二是频率。幅度已经得出，而频率和幅度要对应起来，在某一频率是什么幅度。下面 介绍一下频率是如何测量的，如何与幅度对应起来。其实很简单。它是通过本振与扫描电压对应起来 的。本振是一个压流振荡器。本振信号是个扫描信号。扫描控制是由扫描控制器来完成的。它同时控制 显示器的横坐标。从左到右当扫描电压在0V时，在显示器上是。点，对本振信号来说是F1点，即起始 频率点。当扫描电压到10V时，在显示器上是终止频率点，本振电压就是在终止频率点，中间是线性的。 通过这样的方法，使得显示器坐标的每一点与本振Fl、F2的每一点对应起来（射频信号是本振信号减 去中频信号21.4MHzo当我们操作频谱仪进行分析时，实际是在改变本振信号的频率）。下面简单介 绍一下用频谱