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(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，在介紹頻譜分析儀原理的基礎(chǔ)上，對(duì)頻譜分析儀的分辨率帶寬、頻率選擇性、本振殘余調(diào)頻和本振相位噪聲參數(shù)進(jìn)行了解析，從而使讀者掌握各參數(shù)與頻譜分析儀頻率分辨率之間的關(guān)系，在選購(gòu)頻譜儀和實(shí)際測(cè)量時(shí)合理地考慮以上參數(shù)。

　　關(guān)鍵詞：頻率分辨率;分辨率帶寬;頻率選擇性;本振殘余調(diào)頻;本振相位噪聲

　　頻譜分析儀是通過(guò)測(cè)量信號(hào)的頻率成份及其幅度特性來(lái)確定信號(hào)特性的，頻率指標(biāo)(頻率范圍、頻率分辨率)和幅度指標(biāo)(動(dòng)態(tài)范圍、失真、靈敏度)是它的重要技術(shù)指標(biāo)。頻譜分析儀作為射頻和微波頻段信號(hào)的重要測(cè)量?jī)x器之一，廣泛用于測(cè)量信號(hào)的電平。諧波失真、交調(diào)失真、排除干擾信號(hào)、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻譜占用情況等，而很多應(yīng)用者對(duì)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(biāo)的因素進(jìn)行分析。

　　1 掃頻頻譜分析儀原理

　　頻譜分析儀從頻譜測(cè)試的實(shí)現(xiàn)技術(shù)上可分為兩類(lèi)：使用傅里葉變換(FFT)技術(shù)的數(shù)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(shù)字頻譜分析儀使用數(shù)值計(jì)算的方法處理一定時(shí)間周期的信號(hào)，可提供頻率、幅度和相位信息，對(duì)周期信號(hào)和非周期信號(hào)均能分析。特點(diǎn)是速度快，精度高，適合分析窄帶信號(hào)。模擬頻譜分析儀的掃頻式頻譜分析儀是目前最常見(jiàn)的類(lèi)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(wěn)定和周期變化信號(hào)，提供信號(hào)幅度和頻率信息，適合寬頻帶寬的快速掃描試驗(yàn)。Agilent的ESA系列經(jīng)濟(jì)型頻譜分析儀和HP8563等都屬于掃頻頻譜分析儀，其簡(jiǎn)化原理框圖見(jiàn)圖1，掃頻頻譜儀實(shí)際上是多級(jí)混頻結(jié)構(gòu)。這種分析方法最核心的部分是它的混頻器和中頻濾波器?；祛l器將被測(cè)信號(hào)下變至中頻，然后在中頻上進(jìn)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(hào)與被測(cè)信號(hào)中的各個(gè)頻率分量在混頻器內(nèi)依次進(jìn)行差頻變換，所產(chǎn)生的中頻信號(hào)通過(guò)中頻窄帶濾波器后再經(jīng)放大和檢波，加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉(zhuǎn)信號(hào)，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(fā)生器所產(chǎn)生的鋸齒電壓控制，鋸齒波電壓同時(shí)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。

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　　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(qū)分臨近頻率分量的能力。很多信號(hào)測(cè)試要求頻譜儀具有較高的頻率分辨率，只有當(dāng)頻譜分析儀的分辨能力足夠高時(shí)，才會(huì)在屏幕上正確反映信號(hào)的特性。頻譜分析儀的頻率分辨率與其內(nèi)部的中頻濾波器和本地振蕩器的性能有關(guān)。中頻濾波器的類(lèi)型、3 dB帶寬、頻率選擇性和本地振蕩器的本振殘余調(diào)頻和本振相位噪聲都會(huì)影響頻譜分析儀的頻率分辨率。

　　2.1 中頻濾波器對(duì)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(hào)。它是頻譜分析儀中的關(guān)鍵部分，是一個(gè)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(hào)頻率才能達(dá)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(nèi)，顯示器上才會(huì)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(hào)在掃頻頻譜儀測(cè)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(guò)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(shù)影響頻譜儀的許多關(guān)鍵指標(biāo)，例如測(cè)量分辨率、測(cè)量靈敏度、測(cè)量速度以及測(cè)量精度等。

　　2.1.1 分辨率帶寬對(duì)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(hào)的能力。2個(gè)等幅信號(hào)之間頻率差為中頻濾波器的3 dB帶寬時(shí)，合成響應(yīng)曲線(xiàn)仍有2個(gè)峰值，中間下沉大約3 dB，認(rèn)為它們是可分辨的，因此稱(chēng)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(jīng)濟(jì)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。

　　圖2是不同分辨率帶寬頻譜的顯示，可以看到分辨率帶寬RBW=10 kHz時(shí)不能辨別出載波形狀，分辨率帶寬RBW=1 kHz時(shí)可以清楚地辨別出載波形狀。

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　　結(jié)論：如果兩信號(hào)的間隔大于或等于所設(shè)置分辨率帶寬RES BW，2個(gè)等幅信號(hào)就可以分辨出來(lái)，如果小于所選用的RES BW，這兩個(gè)信號(hào)是無(wú)法分辨的。頻譜分析儀的RES BW越小，其頻率分辨率越高。

　　2.1.2 頻率選擇性對(duì)頻率分辨率的影響

　　中頻濾波器的頻率選擇性是中頻濾波器的60 dB帶寬與3 dB帶寬之比，如圖3所示。它反映了頻譜儀分辨不等幅信號(hào)的能力，對(duì)于幅度相差60 dB的2個(gè)信號(hào)，其間隔至少是60 dB帶寬的一半，才可以分辨出2個(gè)信號(hào)，否則小信號(hào)可能被淹沒(méi)在大信號(hào)的裙邊中。用數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的窄帶帶通濾波器頻率選擇性可達(dá)到5：1，模擬濾波器頻率選擇性可達(dá)到15：1或11：1。圖3為濾波器的頻率選擇性示意圖。

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