频谱分析仪如何工作?信号的频谱分布测量结果

频谱分析仪是如何工作的?

信号的频谱分布实际上是测量结果在频域的反映。频域和时域的关系如图1所示。示波器在时域测量一个近似方波的信号超外差中频调频接收机课程设计方框图,通过傅里叶变换分解为基波和最多11个奇次谐波。使用频谱分析仪从频域查看时,可以识别所有频率分量。以图1为例,可以区分基波、3次谐波、5次谐波和11次谐波。由此可见,时域和频域从不同的角度描述了同一个信号。

简要介绍频谱分析仪的工作原理:从带宽接收器开始,然后介绍频谱分析仪的其余部分。在了解了这些内容和频谱结构的基本概念之后,读者应该对 RBW 和 VBW 功能有了一定的了解。

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带宽接收器

频谱分析仪的工作原理类似于带宽接收器,带宽范围从数十 KHz 或数十 MHz 不等。接收器的功能是将输入信号的频率转换为检测回路可以处理的频带,正如我们通过外差所知道的那样。图 2 比特带宽接收器的基本结构,包括混频器、本地振荡器 (LO) 和带通滤波器。本机振荡器产生一个混频振荡器信号。混频器将输入信号与本地振荡器产生的信号混合,总信号由两个信号的和和差组成。信号之间的差异成为中频 (IF),它是检测回路使用的信号的一部分。带通滤波器滤除信号中不需要的分量,然后只将剩余的中频传给检测显示单元。频谱分析仪本质上是一个带宽接收器,因此需要不止一次的频率转换。顺序由频率范围、频率分辨率和 RBW 滤波器决定。

衰减器

在 RF 输入路径中放置衰减器可拓宽输入信号电平的动态范围或为频谱分析仪增加更多的输入保护。参考图3,衰减器将来自混频器(RF中间)的信号电平限制在一定范围内,如果输入信号超过参考电平,就会造成测量误差或杂散噪声,这就是为什么有些频谱分析仪的仪器规格是在特定信号条件下列出,包括混频器中的特定信号电平。

分辨率过滤器

当输入信号频率被转换为较低的频带并被过滤到检测和显示单元时,使用RBW(分辨率带宽)滤波器来区分频率接近的信号,如图4所示。

图 5. RBW 滤波器如何区分不同分辨率带宽的两个信号。两个等幅信号通过两个 RBW 滤波器进行滤波,其中 RBW1 的分辨率优于 RBW2。从结果可以看出,两个信号通过较窄的 RBW1 滤波器时可以清楚地区分,但通过较宽的 RBW2 滤波器时效果不如 RBW1。我们可以预测,如果 RBW2 具有更宽的分辨率带宽,我们甚至会将结果误认为是信号。当两个信号的频率非常接近时,就会发生这种情况。另一种情况是,当两个信号的幅度相差很大时,RBW1仍然可以检测到较小的信号,而RBW2则不能,如图6所示。所以这些滤波器也称为分辨率滤波器。

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地震检波器

经过 RBW 滤波后,检测器可以检测能量并将其转换为直流电压。显示单元使用此直流电压绘制光谱分布,如图 7 所示。

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视频过滤器

在直流电压进入显示单元之前,探测器产生的噪声需要被压缩。该滤波器成为视频滤波器,其带宽成为 VBW。该系统如图 8 所示。视频来自电视广播系统。视频滤波器还充当后置滤波器,图 9 显示了 VBW 对显示输出的影响。如果被测信号通过两个 VBW 滤波器,其中 VBW1 小于 VBW2,结果表明 VBW2 的本底噪声大于 VBW1。换句话说,视频滤波器平均了本底噪声。但是,应该注意的是,本底噪声水平没有改变。VBW 滤波器仅对噪声电平进行平均,不会影响信号本底噪声的整体幅度。

扫描时间

以上内容介绍了频谱仪的基本结构超外差中频调频接收机课程设计方框图,也详细讲解了RBW和VBW。一般来说,扫描时间与频谱分析仪的频率分辨率成反比。扫描时间越快,分辨率越低(更宽的 RBW、VBW);扫描时间越慢,分辨率越高(RBW、VBW 越窄)。因此,如果选择更窄的 RBW 或 VBW,则显示信号的时间会更长。这意味着 RBW 和 VBW 越窄,扫描时间越长。大多数频谱分析仪具有 RBW/VBW/扫描时间的自动和手动选择模式。自动模式权衡带宽、RBW、VBW 和扫描时间,通常获得最佳组合。

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问:AM 信号在频谱分析仪上出现什么波形?

图 10 显示了 AM 信号在频域和时域中的测量结果。在时域中,AM 调制指数由 A 和 B 的大小决定,但很难用示波器准确测量调制指数和载波频率。

在频域中,很容易测量载波和调制信号的频率。根据载波和边带信号的 delta dB 以及标记读数,可以计算出调制指数。

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问:FM 信号在频率分析仪上出现什么波形?

时域中的 FM 信号比 AM 信号更复杂,如图 11 所示。AM 信号是幅度调制的,而 FM 信号是频率调制的。在 FM 信号中,频率被调制和扫频,偏移量在时域中难以测量。然而,频谱分析仪可以直接显示载波频率、调制信号频率、偏移和带宽。

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