掌握RF频谱分析的基本原理

wangjg1314

掌握RF频谱分析的基本原理

讲座内容：
综述：频谱分析与测量
工作原理：频谱分析的硬件
技术指标：有哪些重要指标？为什么？
总结

达到要求：1、了解扫频调谐频谱分析测量的主要优点；
2、说明频率分辨率、灵敏度和动态范围，在分析仪测量中的重要性；
3、简要介绍精确失真测量的步骤。



1、什么是频谱分析？
提供的一个工具使我们从频域的角度来观察信号，分析信号的频率和功率，了解信号的性能，找出问题。传统上我们采用的示波器从时域上观察信号，只能得到信号的周期和幅度，不能得到更多的信息。频谱分析使我们从频域上来观察这个信号，得到这个信号的一些频率分量以及各分量的幅度。
从频域上来观察信号所带来的好处，一些系统本来就上基于不同的频率来工作的：例如FDMA、无线电广播，分别占用不同的频道来收发信号进行通信。


2、对于频谱分析来说，它通常分析的信号包括：调制、噪声、失真的测量。
失真：失真无论是对发射机还是接收机都是严格要求的指标，通常大多数的器件都会给出它的失真指标。比如说混频器，制造商会给出它的三阶交调，对压控振荡器来说，会给出它的两阶或三阶谐波的抑制比。
3、对于频谱分析，通常有两种方法来实现频域的分析：
① 一是采用傅立叶变换将时域信号通过数值计算转换到频域；这中方法的好处是：提供信号频率、幅度的信息，同时还提供信号相位的信息。
② 二是扫频调谐式的分析方法：
对于任何一种分析仪器来说都相当于一台接收机，对于这种扫频调谐式的分析仪来说，实际工作的过程是让分析仪的本振进行扫描，扫过整个频段，让外界RF信号与LO信号的差频所得到IF信号，实际上就反映了频带内外接信号的分布。这种分析仪的优点就是具有很高的分辨率、灵敏度以及很高的动态范围。
4：频谱分析仪的基本硬件结构，如下图：
各部件的工作：
①混频器：
混频器是实现频率搬移的一个器件：当外界信号进入后，它与分析仪的本振信号进行差频，得到中频信号。在中频信号中我们看到有四个信号，而我们需要的信号只是射频与本振的差频，如何从这四个信号中提取我们需要的差频信号呢？这个工作由中频滤波器来完成。
②中频（IF）滤波器：
我们实际上所谈到的分析仪的带宽，它实际上就是中频滤波器的带宽，也称为分辨带宽和RBW，同时中频滤波器也提供了一个频域信号的显示形状，见上图：实际上的频谱线为一直的谱线，而显示的不是一个直的谱线（如上图所示）这实际上是中频滤波器的幅频特性响应。

③检测器：
检测器将中频信号转换成基带信号或视频信号。引进量化：量化的过程是将信号的波形转化为一个一个的连续的簇。对于正峰值检波来说，就是取这个簇峰的最大值；同理，对于负峰值检波来说，就是选择这个簇中的最小值来表示这个簇的值；对于样本检波，就是选择这个簇中的最后一个值来表示这个簇的值。这种样本检波通常是用于噪声测量中。

④视频滤波器：
视频滤波器实际上就是一个低通滤波器。由于视频信号的频率比滤波器的频率高，滤波器来不及响应，实际表现为经过滤波器后的信号比较平滑。（见上图）。

⑤本振和扫频发生器：
本振和扫频发生器的功能：扫频发生器提供一个斜坡电压使本振扫描扫过整个频段，同时扫频发生器提供一个电压使显示和扫描进行同步来保证我们显示的信号是真正对应于外界信号的频率。

⑥ 输入衰减器和IF增益电路：
输入衰减器和IF增益电路是使显示（输入）的信号保持恒定的一个电路，它们两者是联动在一起的，比如我们改变输入衰减器的衰减值时，相应的中频增益也会变，这样的话使我们最终在LCD中的显示保证不变。


5、频谱分析仪的重要技术指标：
①频率范围
首先频谱分析仪应满足我们所测量信号的频率范围，还应覆盖到谐波或高端信号以及低端用于基带和中频的低频信号。一个比较典型的例子就是无线通信：要测量一个工作在900M频段的信号，要测量10次谐波需要频率范围为10×900M=9G的频谱分析仪。
上图中，绿色表示输入信号的频率范围，蓝色表示本振LO的频率范围，黄色代表中频滤波器的通带频率。当LO扫描时，由于混频器的馈通，LO信号通过了中频滤波器，生成了零频。
本振扫描之后，如果中频落入中频滤波器的通带范围之内，就可在LCD上显示。
频率范围：
    下限频率——由LO的馈通确定；
    上限频率——由LO范围和IF频率确定；
    可用谐波混频扩展高频范围。
②频率和幅度精度
绝对幅度和相对幅度的概念：
测量时，绝对幅度的测量由Marker完成，相对幅度由△Marker完成，其精度略高于绝对幅度的精度。
频率精度：内/外频率基准，进一步提高可使用内部计数器。
幅度精度：精度低于功率计，取决于测量步骤，优异的相对测量。

③频率分辨率
信号分辨率的确定因素有RBW，RBW的类型和选择性，残余FM，以及噪声边带。
RBW决定……（没听清楚）；由下图可看出应是决定区分邻近信号的能力。
RBW的选择性——区分等幅信号；选择性表示了滤波器的形状，定义为：3dB带宽/60dB带宽。

残余FM——LO固有的短期不稳定性；
LO的相位噪声——当ＬＯ相位噪声过高时，小信号将被湮没。
模拟，数字；滤波器选择性的典型：
④灵敏度
灵敏度表示频谱仪能分辨的最小的信号，与输入衰减及分辨率带宽有关。
输入衰减增大，信噪比降低，灵敏度减小；
分辨率带宽增大，信噪比降低，灵敏度减小。
其次，灵敏度还与视频滤波器的带宽有关：视频带宽平滑噪声，能更容易识别低电平信号。Agilent的频谱分析仪一般是当信号等于噪声时，能分辨出信号。在使用频谱分析仪时，要有最高的灵敏度，有三项需要设置：最窄的分辨率带宽，最小RF衰减，平滑噪声的足够视频滤波器。
⑤失真：失真一般是混频器产生的：
混频器产生失真，影响最大的是二阶和三阶谐波。一般要求混频器的二次谐波小于-40dBc，三次谐波小于-50dBc。Agilent频谱分析仪的混频器的二次谐波小于-70dBc，三次谐波小于-80dBc。
混频器的二次谐波，三次谐波是作为基波功率的函数而增加的：基波每增加1dB，相应二次谐波、三次谐波将增加2dB、3dB。
混频器电平函数的失真图如下：
失真可能是来自信号，也可能是来自分析仪器，简单判断的方法如下：
⑥动态范围
动态范围定义为大信号与小信号之间的最佳幅度差。
频谱分析仪的动态范围取决于以下三个方面：内部二阶和三阶失真，显示噪声电平，接近大信号的噪声边带。
内部二阶和三阶失真：
显示噪声电平
接近大信号的噪声边带


总结：[br]<p align=right><font color=red>+3 RD币</font></p>

txb20061012

图呢？大哥
好文章，不过如果再介绍如何测试相位噪声、频谱功率、杂散发射等的操作步骤就更好了