影響頻譜分析儀頻率分辨率的因素 - 全文

　　摘要：頻率分辨率是頻譜分析儀的一項重要技術指標，在介紹頻譜分析儀原理的基礎上，對頻譜分析儀的分辨率帶寬、頻率選擇性、本振殘余調頻和本振相位噪聲參數進行了解析，從而使讀者掌握各參數與頻譜分析儀頻率分辨率之間的關系，在選購頻譜儀和實際測量時合理地考慮以上參數。

　　關鍵詞：頻率分辨率;分辨率帶寬;頻率選擇性;本振殘余調頻;本振相位噪聲

　　頻譜分析儀是通過測量信號的頻率成份及其幅度特性來確定信號特性的，頻率指標(頻率范圍、頻率分辨率)和幅度指標(動態范圍、失真、靈敏度)是它的重要技術指標。頻譜分析儀作為射頻和微波頻段信號的重要測量儀器之一，廣泛用于測量信號的電平。諧波失真、交調失真、排除干擾信號、衛星轉發器頻譜占用情況等，而很多應用者對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的因素進行分析。

　　1 掃頻頻譜分析儀原理

　　頻譜分析儀從頻譜測試的實現技術上可分為兩類：使用傅里葉變換(FFT)技術的數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)。數字頻譜分析儀使用數值計算的方法處理一定時間周期的信號，可提供頻率、幅度和相位信息，對周期信號和非周期信號均能分析。特點是速度快，精度高，適合分析窄帶信號。模擬頻譜分析儀的掃頻式頻譜分析儀是目前最常見的類型，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定和周期變化信號，提供信號幅度和頻率信息，適合寬頻帶寬的快速掃描試驗。Agilent的ESA系列經濟型頻譜分析儀和HP8563等都屬于掃頻頻譜分析儀，其簡化原理框圖見圖1，掃頻頻譜儀實際上是多級混頻結構。這種分析方法最核心的部分是它的混頻器和中頻濾波器。混頻器將被測信號下變至中頻，然后在中頻上進行處理，得到幅度。本地振蕩器采用掃頻振蕩器，它的輸出信號與被測信號中的各個頻率分量在混頻器內依次進行差頻變換，所產生的中頻信號通過中頻窄帶濾波器后再經放大和檢波，加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉信號，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生器所產生的鋸齒電壓控制，鋸齒波電壓同時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。

掃頻頻譜分析儀原理框圖

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

　　2.1 中頻濾波器對頻率分辨率的影響

　　中頻濾波器的功能是分辨不同頻率信號。它是頻譜分析儀中的關鍵部分，是一個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頻率才能達到選頻目的。頻譜分析儀混頻后的頻率如果落在中頻濾波器通帶內，顯示器上才會顯示該頻率，如果混頻后頻率不等于中頻，則被中頻濾波器所阻擋。理想單載波信號在掃頻頻譜儀測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帶寬和矩形系數影響頻譜儀的許多關鍵指標，例如測量分辨率、測量靈敏度、測量速度以及測量精度等。

　　2.1.1 分辨率帶寬對頻率分辨率的影響

　　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的能力。2個等幅信號之間頻率差為中頻濾波器的3 dB帶寬時，合成響應曲線仍有2個峰值，中間下沉大約3 dB，認為它們是可分辨的，因此稱中頻濾波器的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，經濟型的為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時不能辨別出載波形狀，分辨率帶寬RBW=1 kHz時可以清楚地辨別出載波形狀。

　　結論：如果兩信號的間隔大于或等于所設置分辨率帶寬RES BW，2個等幅信號就可以分辨出來，如果小于所選用的RES BW，這兩個信號是無法分辨的。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的能力，對于幅度相差60 dB的2個信號，其間隔至少是60 dB帶寬的一半，才可以分辨出2個信號，否則小信號可能被淹沒在大信號的裙邊中。用數字化技術實現的窄帶帶通濾波器頻率選擇性可達到5：1，模擬濾波器頻率選擇性可達到15：1或11：1。圖3為濾波器的頻率選擇性示意圖。

濾波器的頻率選擇性示意圖

　　下面舉例說明不同頻率分辨率和頻率選擇性對分辨不等幅信號的影響。如果RES BW為3 kHz濾波器的頻率選擇性為15：1，于是濾波器下降60 dB的帶寬是45 kHz，60 dB的帶寬一半是22.5 kHz，那么距離大信號22.5 kHz以外-60 dBc的信號是可以檢測到的。如果換接到另外一個RES BW為1 kHz頻率選擇性為15：1窄帶濾波器，于是濾波器下降60 dB的帶寬是15 kHz，60 dB的帶寬一半是7.5 kHz，那么距離大信號7.5 kHz以外～60 dBc的信號是可以檢測到的。或者換接到另外一個RES BW為3 kHz頻率選擇性為5：1的濾波器，于是濾波器下降60 dB的帶寬是45 kHz，60 dB的帶寬1/2是7.5 kHz那么距離大信號7.5 kHz以外-60 dBc的信號是可以檢測到的。圖4是頻率選擇性為15：1中的頻濾波器RES BW=1 kHz，RES BW=10 kHz時，頻譜分析儀測量結果，可以看到在RES BW=1 kHz時，距離大信號7.5 kHz以外-60 dBc的信號是可以檢測到的。

　　結論：頻譜分析儀的頻率選擇性越小，其對不等幅信號的分辨能力越強，但一臺頻譜分析儀的頻率選擇性是固定不變的，而分辨率帶寬是可變的，所以在測量微小信號時，可通過盡可能將分辨率帶寬打窄，減小平均顯示噪聲電平，達到測量效果。

　　2.2 本地振蕩器對頻率分辨率的影響

　　本地振蕩器對頻率分辨率有影響是因為中頻信號來源于輸入信號與本振信號的混頻，2個信號的噪聲是功率相加關系。

　　2.2.1 殘留調頻對頻率分辨率的影響

　　殘留調頻是描述本振穩定性的一個指標，對于一般的2～6 GHz調諧的微波鐵氧體器件(Yttrium Iron Garnet，YIG)微波振蕩器，其殘留調頻大約為1 kHz或更大。中頻出現這種不穩定性很難判斷是出自信號本身還是本振，因為即使輸入信號頻率是不變的，但由于本振信號的頻率變化在顯示器上也將直接表現輸入信號的頻率變化，根本無法確定是信號頻率變化，還是本振信號頻率變化引起的。本振殘留調頻的影響在RES BW很寬時是看不到的，由于本振殘留調頻引起的響應曲線變化都隱藏在中頻濾波器帶寬之內，只有當RES BW小于本振剩余調頻的峰一峰寬度時才有明顯的顯示，如圖5所示。當RES BW設置很小時，頻譜邊緣粗糙而不規則，出現尖峰，這就是殘余調頻。由此可見，頻譜分析儀的殘留調頻決定了可允許的最小分辨率帶寬，同樣也決定了等幅信號的最小間隔。

　　鎖相本振作為參考源可提高殘留調頻指標，也降低了最小可允許的分辨率。高性能的頻譜分析儀價格較高，因為它采用高性能鎖相本振源，具有較低的殘留調頻和較小的最小分辨率帶寬。

　　結論：頻譜儀的最小分辨帶寬，在一定程度上是由本地振蕩器的穩定性決定的，低成本的本地振蕩器：RES BW可達到1 kHz，中等性(穩頻)能本地振蕩器：RES BW可達到100 Hz，高性能(頻率合成技術)本地振蕩器：RES BW可達到1Hz。

　　2.2.2 本振相位噪聲對頻率分辨率的影響

　　由于頻譜分析儀的本振信號頻率不可能是絕對的穩定，總是有一定的頻率抖動，這種隨機的頻率變化稱為相位噪聲(或邊帶噪聲)。相位噪聲是由本振頻率不穩定引起的，其值是本振頻率穩定度的函數，本振頻率越穩定相位噪聲越小，當頻譜分析儀的RES BW設置較寬時，相位噪聲信號將隱藏在濾波器的響應帶寬曲線之下。因此，測量頻譜分析儀的相位噪聲一般在中頻濾波器RES BW設置為最窄的條件下測量。本振相位噪聲主要影響不同幅度的頻率分量之間是否可分辨，分辨兩個頻率接近信號的前提是相位噪聲不能淹沒小信號。相位噪聲顯示和分辨率帶寬RBW相關，降低分辨率帶寬RBW，可降低相位噪聲顯示值。由于相位噪聲的影響，頻率相近的信號，特別是幅度遠小于另一信號的頻率相近的信號將隱藏在大信號的響應曲線之內，使其無法分辨，只有將RES BW設置足夠小，降低相位噪聲顯示值，才能分辨出小信號。圖6為相位噪聲對不等幅信號分辨率的影響。