頻譜分析儀的使用小技巧

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

頻譜分析儀是研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號(hào)失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號(hào)參數(shù)的測(cè)量，可用以測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測(cè)量?jī)x器。

它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等?，F(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號(hào)。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲(chǔ)和運(yùn)算功能；配置標(biāo)準(zhǔn)接口，就容易構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，世界各國(guó)加速了對(duì)電子領(lǐng)域的研究，具體體現(xiàn)在競(jìng)相提高通信、雷達(dá)、遙控、導(dǎo)航等無線電電子設(shè)備的威力和效能等方面。在這些方面，頻譜分析儀成為必不可少的信號(hào)分析手段。頻譜分析儀可以對(duì)信號(hào)的頻率、電平、頻譜純度及抗干擾特性進(jìn)行分析，使其成為電子領(lǐng)域必不可少的測(cè)量工具。

通過闡述頻譜分析儀組成原理，分析頻譜分析儀參數(shù)的相關(guān)性及探討決定頻譜分析儀性能的諸多因素，從而避免頻譜分析儀在使用過程中由于操作不當(dāng)導(dǎo)致的測(cè)試結(jié)果失真，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。下面我們來介紹一些頻譜分析儀的使用技巧。

一、合理設(shè)置SPAN、RBW、VBW三大參數(shù)

頻譜分析儀的Frequency（中心頻率）、SPAN（掃寬）、Amplifier（參考電平）是實(shí)際工作中操作最為頻繁的3個(gè)設(shè)置參數(shù)，大部分?jǐn)?shù)字頻譜儀面板都特別加大了這3項(xiàng)設(shè)置的按鈕，以方便操作。而SPAN（掃寬）、RBW（分辨率帶寬）、Amplifier（參考電平）是頻譜儀工作的最重要的3大參數(shù)。

很多新手喜歡一上來就設(shè)置很大的SPAN參數(shù)，這會(huì)導(dǎo)致頻譜儀自動(dòng)調(diào)整使用較大的RBW數(shù)值，不利于觀察信號(hào)特性。使用過大的RBW會(huì)使信號(hào)顯示失真，另外當(dāng)兩個(gè)頻率很相近的信號(hào)在大RBW分辨率下容易混淆在一起，無法區(qū)分。一般掃頻式數(shù)字頻譜儀的SPAN、RBW、SWEEP TIME（掃頻時(shí)間）三者在默認(rèn)自動(dòng)設(shè)置狀態(tài)下是相關(guān)聯(lián)動(dòng)的，頻譜儀為了保持頻譜圖顯示的實(shí)時(shí)性，當(dāng)SPAN增大時(shí)會(huì)自動(dòng)提高RBW，以確保掃頻時(shí)間（SWEEP TIME）不至于太長(zhǎng)。

如果用戶在SPAN很大的情況下，手動(dòng)設(shè)置較小的RBW，那么頻譜儀將被迫出現(xiàn)較長(zhǎng)的掃頻時(shí)間。實(shí)際操作中不適當(dāng)?shù)脑O(shè)置可使頻譜的SWEEP TIME長(zhǎng)達(dá)幾十秒甚至上百秒，理想狀態(tài)下一秒鐘刷新幾十次的頻譜圖，變成幾十秒才慢慢掃描出一幅頻譜圖，這時(shí)已經(jīng)基本失去了實(shí)用性。

另外，頻譜儀的RBW越大，底噪基線也會(huì)越高，會(huì)影響小信號(hào)的顯示。不要指望在很大的掃描頻率帶寬下兼顧精細(xì)的分辨率帶寬，除非你的頻譜儀超高級(jí)、超昂貴。一般的頻譜儀，尤其是入門級(jí)產(chǎn)品和老款產(chǎn)品，性能有限，需要恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置較窄的SPAN來保證較小RBW下頻譜圖的實(shí)時(shí)性。通常的經(jīng)驗(yàn)是用寬SPAN、高RBW來發(fā)現(xiàn)信號(hào)，然后用窄SPAN、低RBW來針對(duì)性地精確展現(xiàn)和測(cè)量信號(hào)。

一般頻譜儀設(shè)置SPAN，對(duì)于窄帶信號(hào)，可以是信號(hào)自身帶寬的5～10倍，RBW設(shè)置為信號(hào)自身帶寬的1/3～1/20。對(duì)于寬帶信號(hào)，掃寬可以設(shè)置為信號(hào)帶寬的2～5倍，RBW設(shè)置為信號(hào)自身帶寬的1/10～1/20。對(duì)于需要在很寬頻段范圍內(nèi)搜索小信號(hào)，如果頻譜儀性能不夠，可以采用分段掃描的方式。對(duì)于需要特別關(guān)注的小信號(hào)，可設(shè)置較小的RBW，這時(shí)頻譜儀的底噪基線也會(huì)隨之降低，同時(shí)還可以適當(dāng)設(shè)置VBW（視頻帶寬）和AVG（平均）的次數(shù)，使頻譜圖底噪平滑，減少擾動(dòng)，有利于小信號(hào)尖峰的顯示。

頻譜分析儀的Frequency（中心頻率）、SPAN（掃寬）、Amplifier(參考電平)

現(xiàn)代很多入門級(jí)數(shù)字化頻譜儀都提供小至100Hz的RBW，但在如此精細(xì)的RBW下，掃描速度會(huì)很慢，不少產(chǎn)品只是為了獲得較好的產(chǎn)品指標(biāo)而已，實(shí)用性有限，通常設(shè)定在1kHz以上的RBW才比較實(shí)用，實(shí)際上對(duì)于常規(guī)信號(hào)，1kHz、3kHz、5kHz、10kHz、30kHz、100kHz這幾擋RBW最為常用。VBW在測(cè)量上的意義不及RBW，但適當(dāng)設(shè)置VBW可平滑頻譜底噪基線，減少擾動(dòng)。通常設(shè)置RBW∶VBW=10∶1設(shè)置過高的RBW/VBW會(huì)影響頻譜儀掃描時(shí)間。為了減少頻譜底噪線擾動(dòng)，除了優(yōu)化設(shè)置VBW外，還可以設(shè)置頻譜AVG平均次數(shù)，平均次數(shù)越大，底噪線擾動(dòng)越小，不過這個(gè)設(shè)置不適用于抓瞬時(shí)信號(hào)。

外置衰減器

二、善用外置衰減器

頻譜分析儀的輸入端口只能輸入小信號(hào)，內(nèi)部衰減器也支持小功率信號(hào)，當(dāng)實(shí)際需要測(cè)量高功率信號(hào)時(shí)，就需要外接外置獨(dú)立的大功率衰減器。需要注意的是，一般頻譜儀輸入端口處標(biāo)記的最高輸入電平值（通常標(biāo)+20～+30dBm）為損壞電平，而不是頻譜儀最高可以工作的輸入電平。實(shí)際測(cè)量中，一般頻譜儀輸入信號(hào)幅度建議不超過0dBm（即1mW）。輸入過高的信號(hào)電平容易引起頻譜儀信號(hào)處理電路的互調(diào)和失真，從而出現(xiàn)虛假信號(hào)，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。一般經(jīng)驗(yàn)性的做法是，使用適當(dāng)衰減量的衰減器，使高功率信號(hào)衰減至-20dBm以下信號(hào)輸入頻譜儀。大功率衰減器價(jià)格不菲，所以一般用戶配置都不會(huì)很全，通常會(huì)在20dB、30dB、40dB這幾個(gè)常用衰減量中配備一兩件。實(shí)際操作中若遇到外置衰減器衰減量不夠，在測(cè)量精度要求不是很高的情況下，可在大功率衰減器后串接小功率衰減器，總衰減量是串聯(lián)衰減器標(biāo)稱值相加的總和。實(shí)際操作中若遇到外置衰減器衰減量過大，以至于影響對(duì)小信號(hào)的測(cè)定，我們可以嘗試手動(dòng)關(guān)閉頻譜儀機(jī)內(nèi)的Attenuator（衰減器），以減少信號(hào)通路中的總衰減量。

頻譜儀機(jī)內(nèi)衰減器在默認(rèn)狀態(tài)下是根據(jù)輸入端口電平和Amplifier參考電平設(shè)定自動(dòng)調(diào)節(jié)的，為了保護(hù)機(jī)內(nèi)輸入端高放單元和提高信號(hào)傳輸匹配,通常最小狀態(tài)依然會(huì)保留5～10dB衰減量，在特殊需要情況下，我們可通過手動(dòng)設(shè)置將其關(guān)閉。使用了外置衰減器會(huì)使輸入頻譜儀的信號(hào)等比減小，為了讀數(shù)方便，大部分?jǐn)?shù)字頻譜儀都可以設(shè)置外置衰減器的衰減量，這樣在顯示幅度測(cè)量數(shù)值時(shí)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)折算修正，無需人為換算，方便讀數(shù)。

三、電平刻度的轉(zhuǎn)換和阻抗匹配問題

通常，頻譜儀的顯示刻度單位是dBm，而在場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量和有關(guān)電波傳播問題討論中，習(xí)慣采用dBμv/m為單位，因此首先就有一個(gè)單位轉(zhuǎn)換問題。實(shí)際上場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量就是標(biāo)準(zhǔn)天線端感應(yīng)電壓的測(cè)量，因此只要將頻譜儀的讀數(shù)換算成電壓?jiǎn)挝唬由咸炀€的天線系數(shù)即可求得待測(cè)場(chǎng)強(qiáng)。頻譜儀的單位換算系數(shù)隨其輸入阻抗的不同而不同，對(duì)于502系統(tǒng)，VdBuV=PdBm+107dB而對(duì)于752系統(tǒng)，則VdBuV = PdBm+ 108.8dB

現(xiàn)代頻譜儀多采用微機(jī)處理，顯示刻度可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換。在實(shí)際測(cè)量中要特別注意天線阻抗與測(cè)試系統(tǒng)的匹配問題，避免產(chǎn)生失配誤差。由于頻譜儀在使用中是進(jìn)行寬帶掃描，所以所用天線要求也都是寬帶天線，而寬帶天線的VSWR一般都較大，如果與頻譜儀聯(lián)接的不是匹配天線，則要對(duì)所用天線的天線系數(shù)重新校對(duì)。

在實(shí)際測(cè)量中，輸入衰減器不宜放在0dB的位置，如果衰減器置0，輸入信號(hào)直接接到混頻器上，則阻抗特性變差，造成較大的失配誤差。

審核編輯黃昊宇