频谱分析仪与测量

2022-07-20龚一君

电子测试 2022年13期

龚一君

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳，621000）

0 引言

在无线电通信中的众多测量任务之一就是频域中的信号检测。频谱分析仪就是功能众多并广泛使用的射频测试仪表中的一种。其覆盖的频率范围可达110GHz，主要用于频率稳定度、谱纯度、信号失真度、调制度等信号参数的测量，是一种多用途的电子测量仪器，广泛应用于雷达检测、微波射频、通信产品的研制、生产以及维护活动中。

1 频谱分析仪的主要用途

频谱分析仪作为分析信号的基本技术手段之一，其测试的对象是各种复杂信号。在测量领域，频谱分析仪最早用于对无线电、通讯系统中各种未知信号的观察，而后发展为用在频域内分析信号幅度随频率变化的情况，可以定量对信号参数进行测试、分析。频谱分析仪可测量信号频率、信号功率、峰值功率、邻道功率比、谐波远端杂波等，可从频域内分析信号所包含的频率成份及各频率成份中频率和功率的关系。

（1）信号频率测试

早期的频谱分析仪在频率测试时是用频率度盘直接读数，随着技术的发展，现在频谱分析仪具有内置1Hz 位分辨率的高精度频率器计数及光标计数器，能在有高电平时对极低电平信号进行准确的频率测试。

（2）信号幅度测试

绝对测试：早期的频谱分析仪，无绝对定标功能，无法进行该测试。目前的频谱分析仪可以利用分析仪内置的幅度修正功能来改进幅度测量，用光标直接搜索读数，幅度准确度达±0.3dB 以内。

相对测试：在很宽的频率范围内进行相对测试。

（3）寄生和信号失真测试

信号失真包括：谐波失真、非谐波失真和杂波。频谱分析仪可以直接显示信号的各次谐波的幅度，用于判断失真的大小和性质，还可以测试信号的交调失真。

（4）调制信号种类和调制度

频谱分析仪能直接测试出信号的调幅深度和调频频偏。

（5）相位噪声测试

在频谱分析仪中，相位噪声测量一般分为两步，首先测量载波功率，测量某一频偏处的噪声功率，然后由计算公式求得单边带相位噪声。

现在大多数频谱分析仪都有提供针对相位噪声测量的测量选件。利用频谱分析仪内置相位噪声测量选件，可根据需要灵活改变测量频偏范围（1Hz～1GHz），分辨率带宽（RBW），中频滤波器类型（模拟，数字，FFT）等测量参数，准确的测量相位噪声。

（6）分析猝发的信号

频谱分析仪作为高灵敏度的接收机可以分析猝发的信号。

（7）电磁干扰测试功能

频谱分析仪内置电磁干扰测试功能，包括符合CISPT 规定的峰值(QP)检测器，测试合格限定线和天线因子的编辑功能。

（8）进行时域测量

频谱分析仪作为时间函数的时分复用系统对发射机输出功率进行测量。

2 频谱分析仪类型

依据频谱分析仪的实现方法和频谱测试的实现技术，频谱分析仪一般可分为实时频谱分析仪和扫频型频谱分析仪。

（1）实时频谱分析仪

实时频谱分析仪是指能实时显示信号在某一时刻频率成分及相应幅度的分析仪，常见有两种形式：并联滤波器型分析仪（真正实时型）和快速傅立叶变换（FFT）式分析仪。

（2）扫频型频谱分析仪

扫频频谱分析仪有两种形式：调谐滤波器式频谱分析仪和扫频超外差型分析仪。

3 信号测量基本步骤

给频谱仪上电之前，应先检查电源电压是否符合技术要求、保险丝是否正确安装、电源线是否完好无破损等。

（1）开机预热

按开机按钮（ON）接通仪器的电源，等待分析仪完成一系列自诊断和调节程序至完成开机，并预热30 分钟。

（2）自校准

仪器开机预热30 分钟后按Preset 键仪器恢复到出厂设置状态。

是德科技的E4404B、E4407B 频谱分析仪进行校正时需外接专用校准线。其他产品如是德科技的E4411B、N 系列与罗德与施瓦茨的FSP、FSU 等系列以及中电科仪的4051 等型号不需要外接专用校准线。

不同厂家的频谱分析仪校准菜单不一样，以是德科技E4404B 为例介绍校准过程：利用仪器随机附件50Ω 低损耗电缆连接Amptd Ref Out 到Input 50Ω 端口，连接状态如图1。在仪器面板再按System➩Alignments➩Align Now➩All，E4404B 开始自动校准功能，期间会听到“咔咔…”声音属于正常现象。

图1 自校准连接图

（3）信号测量

对频谱分析仪进行调谐，使信号处于屏幕上，利用频标测量信号的频率和幅度，可以用以下4 个步骤简单测量输入信号。

a)频率设置

按Frequency 键，屏幕左侧出现Center 字样，Center Freq 菜单键标识被加亮，可以利用旋钮，步进键或数值键改变有效功能值，利用数字键盘输入与被测试信号相同的频率值。

b)设置跨度SPAN（扫宽）

按SPAN 键，然后利用数字键设置带宽值，让信号在显示屏上出现再用步进键逐渐调整跨度（扫宽）到合适值。

c)设置参考电平

按下【AMPLITUDE】键，“REF LEVEL 0dBm”出现在有效窗口上，[REF LVL]软键菜单以亮阴影方式显示，改变参考电平的值可改变顶格线的电平值。

图2 示出了中心频率与参考电平在屏幕上的位置关系。方框表示频谱仪的屏幕，水平轴为频率，纵轴为幅度，改变频率扫宽就是改变屏幕水平显示的频率范围。

图2 中心频率与参考电平的关系

d)设置频标

按【MKR】键，[MARKER NORMAL]以亮阴影方式显示，表明频标功能已被激活。一个菱形的标记“◊”频标显示在峰值顶端，并能显示出标记处的频率和幅度信息，转动旋轮可改变频标的位置。

当按下【PEAK】时，频标将自动置于信号峰值处，从有效功能窗口或者屏幕的右上角都可以得到被测信号的幅度和频率。当有效功能改变时，您仍能从屏幕的右上角读出频标处信号的频率与幅度,如图3。

图3 峰值标记

（4）测量结果存贮

测量结果可存在仪器存贮器中，可存仪表状态、测试结果、仪表显示图形等。

4 频谱分析仪使用注意事项

频谱分析仪是具有高精度、高可靠性的关键重要设备，应注意正确使用和规范操作，避免造成仪器损坏。频谱分析仪在使用前应认真阅读使用产品手册，在不同的使用场合，应根据使用目的备齐附件并正确连接，特别应注意以下几点：

（1）仪表供电

对于频谱分析仪使用来说，正确使用电源是相当重要的。在给频谱分析仪加电之前，应先检查实际供电电压是否与仪器标注的供电电压匹配，仪器保险丝是否正确安装，参照仪器后面板电源要求，采用完好无破损的三芯电源线，使用时保证电源地线可靠接地，避免导致仪器被毁坏，甚至对操作人员造成伤害。

（2）静电防护

静电对电子元器件和设备有极大的破坏性，通常我们使用两种防静电措施：导电地垫与脚腕组合，两者同时使用时可提供良好的防静电保障。若单独使用，只有前者可以提供保障。为确保用户安全，防静电部件必须提供至少1MΩ 的对地隔离电阻。应确保测试环境中所有仪器都正确接地，防止静电积累。

（3）输入端口保护

频谱分析仪通常采用50Ω 的输入阻抗。频谱分析仪的输入接头形式一般有：N 型、3.5mm、2.4mm 等，在实际使用中一定要注意接头与电缆以及其他连接器之间的匹配性，避免造成接头损坏。测量连接前应该对连接器进行检查和清洁，确保连接器干净、无损。连接时应佩带防静电腕带，使用力矩扳手进行连接，正确的连接方法和步骤如下：

a）如图4 所示，对准两个互连器件的轴心，保证阳头连接器的插针同心地滑移进阴头连接器的接插孔内。

图4 连接器连接示意图

b）如图5 所示，将两个连接器平直地移到一起，使它们能平滑接合，旋转连接器的螺套（注意不是旋转连接器本身）直至拧紧，连接过程中连接器间不能有相对的旋转运动。

图5 旋转连接示意图

c）如图6 所示，使用力矩扳手拧紧完成最后的连接，注意力矩扳手不要超过起始的折点，可使用辅助的扳手防止连接器转动。

图6 力矩扳手使用示意图

(4)输入信号电压

频谱分析仪的最大输入信号一般为1W(+30dBm) ，在仪器的前面板上进行了标注。频谱分析仪标注允许输入的直流电压为0VDC，要求输入信号中不能包含直流电压成分，当需要测量包含直流电压的信号时，必须加接有隔直流电容的附件或将频谱分析仪设为AC 耦合，如果在使用DC 耦合时同时有直流电压输入，则可能损坏分析仪的输入电路。

(5)清洁频谱分析仪

清洁仪器表面时，应关机，断开与仪器连接的电源线，用干的或稍微湿润的软布轻轻擦拭表面，禁止擦拭仪器内部。

（6）校准

当仪器无法满足特殊测量需求或者仪器周围环境条件发生变化（温度、湿度、震动等）应进行校准；如果周围环境相对稳定（如实验室），可按照测试需求进行校准；关机后经一定的时间再开机只需进行预热而无须校准。

（7）获得精确测量结果

为了获得精确测量结果，我们在测试过程中应保持频谱分析仪周围环境的稳定，第一次开机测量前应对仪器进行自校准，多次测量间隙不要关机，在测量过程中不能对仪器进行校准，提高外部参考输入信号频率准确度；在不同的环境下进行暂时测量，仍需运行校准程序。

5 频谱分析仪主要指标

频谱分析仪的指标由很多，为更好更快的使用频谱分析仪，必须了解如下性能指标。

（1）频率范围

频率范围是指频谱分析仪能够正确测量的最高频率和最低频率信号的范围。显示频率范围可以用开始频率和终止频率来设置（即要显示的最小和最大频率），或用中心频率和频率跨度进行设置。

（2）频率响应

频率响应是指在规定频率范围内幅度随频率的变化，即幅度与频率的依赖关系。通过信号发生器产生频率已知、功率已知（通过功率计定标）的正弦波信号输入频谱分析仪，考察频谱分析仪在规定频率范围内幅度随频率的变化。

（3）分辨率带宽

频率分辨率是指频谱分析仪能够分辨最小等幅信号的能力。信号发生器产生标准的正弦波。改变信号发生器频率可等效看作改变中频滤波器频率，通过测量不同频率信号在分析仪固定频点的幅度响应，可以等效看作测量中频滤波器各频率点的幅频响应，从而可以测量中频滤波器的形状（包括3dB 带宽和矩形系数）。

（4）视频带宽

视频带宽是频谱分析仪检波器之后视频电路中可调低通滤波器的带宽。视频滤波器位于检波器之后，是决定视频放大器带宽的低通滤波器，可对噪声起平滑作用，用于对迹线进行平均或平滑，易于在噪声中检测微弱信号。改变视频带宽不影响频谱分析仪的频率分辨率，但选择的视频带宽过窄，将增加扫描时间。

（5）参考电平

频谱分析仪屏幕上已校准的垂直刻度位置就是幅度测量的参考位置，参考电平通常是指刻度线的顶格。参考电平在切换会时会引起增益/衰减的联动现象。参考电平转换误差主要用于考核频谱分析仪的中频增益的切换误差。改变标准衰减器的设置值，参考电平切换引起的标记读数差值与标准衰减器的校准值之间的误差即为参考电平转换误差。

（6）相位噪声

相位噪声是振荡器短时间稳定度的度量参数。相位噪声通常是以一个单载波的幅度为参考，并偏移一定频率下的单边带相位噪声。这个数值是指在1Hz 带宽下的相对噪声电平，故其单位为dBc(1Hz)或dBc/Hz，c 是指载波，由于相位噪声电平比载波电平低，所以我们定义为负值。相位噪声主要影响频谱仪的分辨率和动态范围。固有噪声可以理解为频谱分析仪的热噪声，固有噪声会导致输入信号信噪比的恶化。因此，固有噪声是频谱仪灵敏度的度量指标，决定了频谱仪的最小可检测电平。频谱分析仪的固有噪声计算方式：