影響頻譜分析儀頻率分辨率的因素

摘要：頻率分辨率是頻譜分析儀的一項重要技術指標，在介紹頻譜分析儀原理的基礎上，對頻譜分析儀的分辨率帶寬、頻率選擇性、本振殘余調頻和本振相位噪聲參數進行了解析，從而使讀者掌握各參數與頻譜分析儀頻率分辨率之間的關系，在選購頻譜儀和實際測量時合理地考慮以上參數。
關鍵詞：頻率分辨率；分辨率帶寬；頻率選擇性；本振殘余調頻；本振相位噪聲

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(頻率范圍、頻率分辨率)和幅度指標(動態范圍、失真、靈敏度)是它的重要技術指標。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、交調失真、排除干擾信號、衛星轉發器頻譜占用情況等，而很多應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的因素進行分析。

1 掃頻頻譜分析儀原理
頻譜分析儀從頻譜測試的實現技術上可分為兩類：使用傅里葉變換(FFT)技術的數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)。數字頻譜分析儀使用數值計算的方法處理一定時間周期的信號，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。Agilent的ESA系列經濟型頻譜分析儀和HP8563等都屬于掃頻頻譜分析儀，其簡化原理框圖見圖1，掃頻頻譜儀實際上是多級混頻結構。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頻率分量在混頻器內依次進行差頻變換，所產生的中頻信號通過中頻窄帶濾波器后再經放大和檢波，加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉信號，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生器所產生的鋸齒電壓控制，鋸齒波電壓同時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。

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，只有當頻譜分析儀的分辨能力足夠高時，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部的中頻濾波器和本地振蕩器的性能有關。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鍵部分，是一個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，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帶寬和矩形系數影響頻譜儀的許多關鍵指標，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個等幅信號之間頻率差為中頻濾波器的3 dB帶寬時，合成響應曲線仍有2個峰值，中間下沉大約3 dB，認為它們是可分辨的，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，經濟型的為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。