頻譜分析儀的頻率分辨力和測試靈敏度

頻譜分析儀的頻率分辨力和測試靈敏度

簡單介紹了頻譜分析儀的工作原理和頻譜分析儀的頻率分辨力，提出了使用頻譜分析儀進行測試時如何選擇頻率分辨力和提高測試靈敏度。
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一、 頻譜分析儀的簡單工作原理

　　現在所用的頻譜分析儀多為超外差式，并采用多次變頻（3～4次），以降低中頻頻率，實現窄通帶和高分辨力。超外差式頻譜分析儀的基本工作原理如圖 1所示。輸入信號與本振（LO）混頻，產生中頻（IF）信號經窄帶中放被送到包絡檢波器，檢波器輸出信號被放大并使屏幕顯示產生垂直偏轉，掃描發生器保證屏幕顯示的水平頻率軸和本地振蕩器調諧同步，它同時驅動水平偏轉調諧LO。

圖 1　超外差式頻譜分析儀基本工作原理

二、 頻率分辨力

　　當信號進入頻譜分析儀顯示時，所顯示的形狀其實是頻譜分析儀自身分辨力帶寬RBW（IF濾波器）形狀的顯示。若改變濾波器的帶寬，也就改變了顯示波形響應的寬度（如圖 2所示）。頻率分辨力為決定選擇性的最低中頻濾波器的帶寬，帶寬越窄，分辨力越高。

圖 2　不同分辨力帶寬下觀測到的同一信號

　　濾波器的帶寬通常定義在3dB（或6dB）點上。濾波器的帶寬表示的是，可分辨的等幅信號間的最小頻率間隔。

三、 掩埋在大信號裙邊下的小信號的測量

　　一般來說，若兩等幅信號的間隔大于或等于所選用分辨力濾波器的寬度，兩個等幅信號就可以分辨出來了。但對于不等幅信號，尤其是一個大信號與一個相隔很近的小信號時，若兩信號的間隔只大于或等于所選用分辨力濾波器的寬度，小信號有可能被掩埋在大信號的裙邊中。因此，在具體測試確定分辨力大小時，還需考慮形狀因數（濾波器60dB對3dB帶寬之比，如圖 3所示）。

圖 3　波形因素

　　例如對于幅度相差60dB、頻率相差為10kHz的兩信號，其間隔至少是60dB帶寬的一半，此時，形狀系數是決定不等幅信號分辨力的關鍵。對于15：1的形狀因數，1kHz分辨力帶寬對應的60dB帶寬是15kHz。它的一半是7.5kHz。即利用1kHz分辨力帶寬就能區分兩個信號了。所以此時分辨力帶寬（B0）應小于或等于兩倍的信號頻率間隙（Δf）除以形狀因數（K），即B0≤2Δf/K。

圖 4　大信號與小信號同時顯示

　　在選擇較小的頻率分辨力時需注意，由于較窄的濾波器所需的響應時間較長。若掃描時間設置的太快，頻譜分析儀的分辨帶寬濾波器不能充分響應，會導致信號幅度和頻率顯示不正確。為保證讀數正確，需按下式設置掃描時間：

　　也可將掃描時間設為聯鎖（coupled）方式，由儀表根據選取的頻率間隔和分辨帶寬自動選取最快的可允許的掃描時間。

四、 測試靈敏度

　　在測量大信號時，一般不需考慮測試靈敏度。但在測試小信號時，如不注意，會使小信號掩埋在一片噪聲之中，無法觀測到。此時頻譜儀的測試靈敏度就變得十分重要了。
　　頻譜分析儀的靈敏度定義為在一定的分辨帶寬下顯示的平均噪聲電平（平均指的是視頻帶寬足夠窄去平均信號加噪聲或僅僅噪聲）。我們講的測試靈敏度指的是可以測試的最小信號，一般比本機噪聲大4～5dB，也就是說測試靈敏度主要由本機噪聲決定。由于頻譜儀自身產生的噪聲大部分來自中頻放大器的第一級，它是寬帶白噪聲，即它在整個頻率范圍內的電平是平坦的隨機噪聲，與分辨帶寬濾波器相比它的頻帶是寬的。因此，分辨力帶寬濾波器只通過一小部分噪聲能量到包洛檢波器。如果分辨帶寬增加或減小10倍，則增加或減小10倍的噪聲能量到達檢波器，并且顯示的噪聲電平將增加或減小10，如圖 5所示。

圖 5　小信號與噪聲電平

　　顯示的噪聲電平和分辨力帶寬之間的關系是：

　　頻譜分析儀的噪聲是在一定的分辨帶寬下定義的。頻譜分析儀的最低噪聲電平是在最小分辨帶寬下得到的。
　　但在決定測試靈敏度時還需考慮輸入衰減器。既然內部噪聲主要取決于中放第一級，因此輸入衰減器不影響內部噪聲電平。但是，輸入衰減器影響加到混頻器的信號電平，并降低信噪比。這是由于當衰減器降低加到檢波器的信號電平時，中放（IF）增益同時增加10來補償這個損失，使顯示的信號電平不隨衰減增加而下降，顯示幅度保持不變。但是，噪聲電平被放大，增加了10。
　　綜上所述，測試靈敏度由下列條件決定：
　　1. 最窄的分辨帶寬
　　2. 最小的輸入衰減（由于0dB輸入衰減會增加輸入駐波比，降低測量精度。我們一般選取10的輸入衰減）。
　　3. 充分利用視頻濾波器（視頻帶寬0.1～0.01分辨帶寬）。