如何提高频谱仪测量弱小信号的能力

文/陈敬华

频谱分析仪是观测信号的基本手段之一，在无线电监测、检测以及无线电干扰的查找过程中经常会遇到一些微弱的小信号，在应用频谱仪对小信号进行监测时，如果频谱仪参数设置不当，很难发现它们，甚至会忽略这些信号。本文对如何设置适当参数以提高频谱仪对微弱小信号的监测能力进行了探讨。

1 频谱仪基本原理简述

最初的频谱仪是扫描调谐超外差分析仪。随着技术的发展，现代数字实现替代了许多模拟电路的电路。频谱仪的基本电路是超外差电路。超外差式频谱仪结构如图1。

输入射频信号经过衰减器衰减后，进入混频器。经混频器与本振信号差频，转换为固定的中频信号，然后通过中频放大器放大、中频滤波器滤出中频信号并利用对数放大器进行放大。后经包络检波后变成基带信号，通过视频滤波后加到显示器上进行显示。

2 频谱仪主要部分的作用

2.1 衰减器主要作用

（1）对大信号进行衰减，控制该信号电平值低于频谱仪的最大输入电平，防止频谱仪电路被烧坏。

（2）调节输入射频信号到混频器的最佳信号电平，以避免混频压缩和失真。

（3）通过衰减器调节进入混频器的电平，可以提高频谱仪动态范围。

（4）提高测试的准确性，因为混频器是非线性器件，信号过大会产生谐波，干扰测试结果。

2.2 混频器

将输入信号和本振信号进行混频，混频器混频产生的信号中，包括输入信号、本振信号以及它们的和与差。中频信号落入中频滤波器，经处理就会被检波并显示。

2.3 中频放大器

作用是对混频后的中频信号进行放大，因为输入信号经过前置衰减器的衰减，信号电平降低，为了恢复信号幅度，需要对衰减进行补偿，但中频放大器在对有用信号进行放大的同时也会放大噪声和干扰信号。

2.4 中频滤波器

图1：超外差式频谱分析仪结构图

混频器产生的信号分量通过中频滤波器，中频滤波器会选出需要的信号同时抑制其他信号。中频滤波器带宽也称为分辨率带宽（RBW），频谱分辨率指在显示中通过3dB衰减来分辨两个等幅信号的最小频率偏移。一般情况下当两个等幅信号的频率间隔大于或等于中频滤波器的3dB带宽时，频谱仪才能够分辨它们；因此，我们用中频滤波器的3dB带宽来描述频谱仪的分辨率带宽（RBW）。RBW可以调节，通过调节RBW可以找到合适带宽的滤波器对频率间隔很近的信号进行分离。中频滤波器可以减小噪声带宽，即RBW越小，噪声带宽就越窄，进入频谱仪的噪声就越小，接收灵敏度就越高。频谱仪的中频滤波器通常有三种：

（1）模拟滤波器；

（2）数字滤波器；

（3）FFT。

2.5 包络检波器

通过包络检波器，可以得到中频信号的包络，射频输入信号的幅度信息都在中频信号的包络中。包络检波器的输出随中频信号的包络变化。

2.6 对数放大器

对信号电平按照对数函数来压缩，减小检波器所检测的信号电平变化，同时用分贝读数的对数刻度。

2.7 视频滤波器

作用是滤除视频信号中的噪声，使轨迹平滑，结果显示稳定。视频滤波器决定了视频带宽。在低信噪比的情况下，减小视频带宽来稳定显示，小信号会在频谱中稳定的显现出来。

3 测量微弱信号时频谱仪的参数设置

用频谱仪对无线电信号进行测量时，由于频谱仪自身本底噪声的关系，在测量小信号时，如果参数设置不当，会造成信号淹没在噪声中。要想用频谱仪监测、分析这些小信号，需要合理的设置频谱仪的相关参数设置。

3.1 适当设置的输入衰减

为防止测量大信号时，因信号过大烧毁混频器和中频处理电路或者避免输入信号大于1dB压缩点而导致的频谱仪失真，通常在各种频谱仪的混频器前端都内置衰减器，用来选择最佳的混频电平。测量得到的信号电平值不会因为衰减增加而下降，通常每当衰减降低输入信号电平时中频放大器就会同时增加相等的信号电平来补偿，因此其频谱仪显示的信号幅度大小会保持不变。但是，噪声信号也会同时被放大，其本底噪声会被抬高。输入衰减器会降低信噪比。衰减器每衰减10dB，中频放大器就会补偿10dB，频谱仪的底噪也就会抬高10dB。因此，要提高频谱分析仪的灵敏度，就必须将衰减设置的尽可能小，降低噪声电平，避免降低信噪比，使得小信号不会隐藏在噪声中。

3.2 合理设置前置放大器

使用低噪放大器可以将信号放大，可以提高射频输入信号的S/N，用前置放大器配合频谱仪很容易检测出微小信号，使用放大器时，增益要尽可能的大，噪声要尽可能的小，尤其是对卫星信号下行链路的弱信号进行检测。同时，使用前置放大器时需要考虑到噪声值和增益两个重要因素。前置放大器的噪声必须低于频谱仪的噪声，其噪声系数要比所要放大的最小信号低3dB以上且增益要尽可能的大。噪声系数加上前置放大器的增益要高于频谱仪的底噪的，否则前置放大器达不到提高频谱仪灵敏度的目的。另外在计算信号实际大小时，要把外加的增益和损耗考虑进来。

3.3 选择合适的分辨率带宽（RBW）

在利用频谱仪监测过程中，分辨率带宽(RBW)的设置非常重要。频谱仪的灵敏度与RBW的选择有直接关系。RBW越小，噪声带宽越窄，，进入频谱分析仪的噪声就越小。通过中频滤波器的噪声越小，则频谱仪的平均噪声电平就越低。频谱仪的噪声电平与分辨率带宽成正比。如果RBW增加10倍，则噪声会增加10倍进入视频滤波器，频谱仪的平均噪声电平就会增加10dB。

因此，要提高频谱仪对弱小信号的检测能力，通常要将RBW设置的越小越好，以降低频谱仪本底噪声，使得弱小信号不被噪声淹没。

3.4 减小视频带宽（VBW）

视频滤波器在包络检波器之后，视频滤波器是一级低通配置，用于从视频信号中滤除高频成分定。对于有足够信噪比的情况下测量信号，经常选择VBW与RBW相等。在低S/N的情况下，可以通过减小VBW，可以使弱信号会在频谱中稳定显示出来。视频滤波器虽然不会降低平均噪声电平，可是能减少噪声的峰值电平，显示出被本底噪声掩盖的小信号。因此要提高频谱仪对小信号的测量能力，VBW的设置的一般要小。

3.5 Span（扫频宽度）的设置

扫频宽度(Span)是指频谱仪在频谱测量时的显示的频率范围，即从起始频率到终止频率的跨度。在测量时，一个信号的占用带宽通常是固定不变的。如果扫描宽度（SPAN）过大，频谱显示会比较集中，频谱仪的分辨能力会下降，就会看不清频谱的形状，频率、功率的测量精度就会下降。

3.6 调整扫描时间

扫描时间与扫频宽度（SPAN）是对应的。扫描时间、扫频宽度（SPAN）、RBW他们的关系是一定的。扫描时间与SPAN成正比、与RBW的平方成反比。为了提高扫描速度，通常会希望扫描时间尽可能的短，可是当扫描速度过快时，频谱仪的中频滤波器可能无法充分响应，导致频谱仪频率上移，信号幅度下降。

4 结束语

频谱仪在无线电测量领域中广泛使用。频谱仪的灵敏度反应了其测量弱小信号的能力。可以通过使用前置放大器、改变衰减值、调整RBW和VBW、设置合适的扫频宽度（SPAN）和扫描时间以及降低参考电平等方法来提高灵敏度。但频谱仪的各参数之间是相互关联的，例如使用前置放大器会减小频谱仪的动态范围、衰减会增加输入驻波比，降低测量精度、较低的RBW或VBW会增加扫描时间等等。所以在测量弱小信号时，不能仅仅追求灵敏度，而忽略频谱仪其他指标。应该根据实际情况，综合考虑各方面因素，合理设置频谱仪的各参数，提高测量结果的精确程度。