頻譜分析儀關鍵性能指標

頻譜分析儀作為分析儀表，其基本性能要求包含：

1. 頻率方面指標：

測量頻率范圍：反映頻譜儀測量信號范圍能力;

頻率分辨率：反映頻譜儀分辨兩個頻率間隔信號的能力。

2. 幅方面度指標：

靈敏度：頻譜儀發現小信號的能力;

內部失真：反映頻譜儀測量大信號的能力;

動態范圍：頻譜儀同時分析大信號和小信號的能力。

3. 另外頻譜儀的性能還包含其分析精度和測量速度。

測量諧波失真或搜索信號要求頻率范圍從低于基波擴展到超過多次諧波。測量交調失真則要求窄的掃頻寬度(span)，以便觀察鄰近的交調失真產物。因此，首先是選擇有足夠頻率和掃寬范圍的頻譜分析儀。第二個要求是什么樣的頻率分辨率?測量雙音交調對分辨率提出了嚴格的要求。

頻譜分析儀測量頻率范圍由其本振范圍決定。通過采用本振的諧波可擴展頻譜分析儀的分析頻率范圍，還可采用外混頻方法將其分析頻率范圍擴展至更高(75GHz; 110GHz;325GHz等)。

頻率分辨率

這個例子反映頻譜分析儀測量分辨率對測試結果的影響，輸入的物理信號為兩個頻率間隔的信號，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。

很多信號測試應用要求頻譜分析儀要具有盡量高的頻率分辨率。

圖1 頻率分辨率

頻譜分析儀的頻率分辨率與其內部的中頻濾波器和本振性能有關。

其中，中頻濾波器的影響因素包含：

濾波器類型;帶寬;形狀因數(shape factor)。

本振剩余調頻(residual FM)和噪聲邊帶也是確定有用分辨率時應考慮的因素。

依次分析每一項。首先要注意的事情之一，是在頻譜儀上理想CW信號不可能顯示為無限細的線，它本身有一定的寬度。當調諧通過信號時，其形狀是頻譜分析儀自身分辨帶寬(IF濾波器)形狀的顯示。這樣，如果改變濾波器的帶寬，就改變了顯示響應的寬度。技術指標的數據表中規定3 dB帶寬，其它應用(EMC)定義濾波器帶寬為6dB 帶寬。

本振性能對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，兩個信號中的噪聲是功率相加關系。

輸入信號相位噪聲性能為：10kHz offset –110dBc/Hz;

混頻本振相位噪聲性能為：10kHz offset –110dBc/Hz，

則混頻輸出中頻信號相位噪聲性能為：10kHz offset –107dBc/Hz。

單點頻信號在頻譜上測試顯示結果為中頻濾波器的頻響形狀。

濾波器的形狀通過其帶寬(3dB或6dB)和矩形系數得到定義。這兩個參數都會影響頻譜分析儀的頻率分辨能力。

圖2 中頻濾波器帶寬和形狀因素(矩形系數)定義

在雙音測試中，兩個信號相隔10kHz，RBW=10KHz時，儀表測試可顯示出兩個信號峰。顯然用10kHz濾波器分辨出等幅雙音信號是沒有問題的。

頻譜分析儀的RBW即為其分辨等幅信號的能力。

上面的分析得到的結論是：

頻譜分析儀RBW 越小，其頻率分辨率越高。

中頻濾波器3dB帶寬告訴我們，等幅信號彼此靠近到何種程度仍然能夠彼此分開(根據3dB下降)。一般的說，如果兩信號的間隔大于或等于所選用分辨帶寬濾波器的3dB帶寬，兩個等幅信號就可以分辨出來。在雙音測試中的兩個信號表明了這個含義。當兩個信號間隔10 kHz時，用10 kHz的分辨帶寬容易分開它們。然而，若用較寬的分辨帶寬，兩個信號顯示為一個。

注解：當兩信號出現在分辨帶寬之內時，由于兩個信號相互作用，利用大約比分辨帶寬小10倍的視頻帶寬可平滑其響應。

通常我們需測量不等幅信號。由于在我們的例子中兩個信號描繪出濾波器的形狀，小信號有可能被掩埋在大信號濾波器的裙邊(filter skirt)中。對于幅度相差60dB的兩個信號，其間隔至少是60dB 帶寬的一半(用近似3dB下降)。因此，形狀系數(濾波器60dB對3dB帶寬之比)是決定不等幅信號分辨率的關鍵。

頻率分析儀分辨不等幅信號舉例：

對于相隔10kHz而幅度下降50dB的失真產物(distortion products) 的測試。

如果3kHz濾波器的形狀因數是15:1，于是濾波器下降60dB的帶寬是45kHz，失真產物將隱藏在測試信號響應的裙邊下。如果換接到另外一個窄帶濾波器(如1kHz濾波器)，60dB帶寬15kHz，失真產物是容易被觀察到的(因為60dB帶寬的一半是7.5kHz，它小于邊帶的間隔)。因此，對于本測量所需的分辨帶寬應不大于1kHz(<>

濾波器形狀系數(shape factors)的范圍：

模擬濾波器：15:1或11:1

數字濾波器：5:1

以上分析的結論：

頻譜分析儀矩形系數越小，其對不等幅信號的頻率分辨率越高。

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審核編輯：湯梓紅