频谱分析仪原理
罗德与施瓦茨公司 广州代表处 产品支持部 产品工程师 甘秉鸿 www.rohde-schwarz.com.cn
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Rohde & Schwarz 广州代表处 –
2009
产品工程师：甘秉鸿
目录
1 信号分析及频谱分析概述 2 频谱分析仪的功能与基本原理 3 频谱分析仪关键指标的定义 4 R&S频谱分析仪FSP操作实例
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1 信号分析及频谱分析概述
时域 示波器
信号的波形信息 幅度 周期 简单频率
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频域 频谱分析仪
信号的频率分布信息 频率、功率谱 谐波、杂波 噪声、干扰 失真等
调制域 矢量分析仪
信号的矢量信息 幅度误差 矢量误差 相位误差 EVM等
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为什么需要频谱分析？
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频域测量典型例子
正弦波在频域内是一 根谱线 方波在频域内是无穷 根谱线，谱线间的距 离固定为方波周期的 倒数 冲击函数的频谱是平 的(需要无穷大的能量 才能产生一个冲击)
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2 频谱分析仪的功能与基本原理
功能一 频谱分析——频谱分布
功率谱测量 杂散测试 谐波测试 三阶互调测试 占用带宽 载噪比 时隙信号测试 ……
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功能二 扩展功能——支持功率计
频率计功能 噪声系数测试 相位噪声测试 测量接收机 网络分析仪(配置跟踪源) 电缆测试 空间场强测试 ……
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功能三
频谱分析仪 与 信号分析仪
信号分析——对各种移动通信标准信号的解调
频率/相位误差 信道功率、ACLR EVM 码域功率 信号统计特性CCDF、APD 星座图、IQ特性 PVT 信道列表 比特流还原 调幅深度 任意调制信号分析 --8
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现代频谱分析仪的早期发展——
可调带通滤波器的频谱分析仪
宽频段范围的不可实现性
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现代频谱仪的结构组成
射频部分
硬件结构 重要参数 实现方法
基带数字处理部分
IQ信号的矢量分析 检波方式
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RF In
预选/输入 LO 2 低通滤波器
LO 1
中频放大器
多级 中频 滤波器
对数放大器
衰减器
前置放大器
PLL
扫频发生器
包络 检波器 VBW
参考时基
LCD 检波器
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LO 2
预选/输入 低通滤波器 衰减器
LO 1
中频放大器 中频 滤波器 扫频发生器
PLL
对数放大器
包络 检波器 VBW
参考时基 LCD
检波器
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衰减器
种类 • 机械衰减器 • 电子衰减器 （使用寿命长）
用途 • 大信号衰减，获得最佳动态范围 • 阻抗匹配、抑制非线性 • 鉴别伪信号
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中频放大器 衰减器 中频 滤波器
PLL
为达到仪器最佳 工作状态而做的 内部协调
LCD 检波器
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输入衰减、中频增益、参考电平之间的联动
联动准则：尽量使输入信号电平对应于参考电平 输入衰减和中频增益是作为参考电平的函数自动调整。 输入信号过大可能导致第一混频受损，因此高电平输入必须 衰减，衰减量取决于第一混频及其后续部分的动态范围。混频 器电平过高，失真产生的频率分量将会干扰正常显示；衰减量 过大则会导致信噪比降低，减小动态范围。因此，输入衰减及 中频增益的选择需折中考虑。 实际应用中，即使参考电平非常低，通常也会将输入衰减 设置为最小值（如10dB），以获得较好的匹配，提高幅度测量 精度。
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衰减器对本底噪声的影响
Noise level 2
Noise level 1
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衰减器用途：运用衰减器鉴别伪信号
包括鉴别待测件的互调产物和频谱仪的互调产物。
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LO 2
预选/输入 低通滤波器 衰减器
LO 1
中频放大器 中频 滤波器 扫频发生器
PLL
对数放大器
包络 检波器 VBW
参考时基 LCD
检波器
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镜像频率的影响
频谱混叠，无法区分！
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抑制镜像频率的方法
•提高中频频率，使用低通滤波器抑制镜像频率 •通过预选器把全部频段分为两个通道
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LO 2
预选/输入 低通滤波器 衰减器
LO 1
中频放大器 中频 滤波器 扫频发生器
PLL
对数放大器
包络 检波器 VBW
参考时基 LCD
检波器
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混频器/本振/滤波器
混频器
基波混频/谐波混频 固定中频，避免与可调滤波器相关的难题 本振调谐
滤波器/预选器
抑制镜像频率 提高抗过载能力
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混频器/本振/滤波器
f1 f2 fn
fRF
fIF=fLO-fRF
fLO
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LO 2
预选/输入 低通滤波器 衰减器
LO 1
中频放大器 中频 滤波器 扫频发生器
PLL
对数放大器
包络 检波器 VBW
参考时基 LCD
检波器
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中频滤波器（RBW）特性
RBW
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分辨相邻的信号
红色踪迹： RBW=30 kHz
红色踪迹： RBW=30 kHz
蓝色踪迹： RBW= 3 kHz
蓝色踪迹： RBW= 3 kHz
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不同分辨率带宽下宽带信号的测量结果
RBW分别设置为100kHz、500kHz、1MHz时的频谱 1MHz 500kHz 100kHz
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扫描时间ST
VBW>RBW： ST不受VBW影响，与 RBW 2成反比：
TSweep
Span k• 2 RBW
TSweep Span RBW k
最小扫描时间 频率扫描跨度 分辨带宽 (3 dB 带宽) k 因子, 2.5 模拟滤波器
VBW
VBW设置原则：在不增加ST的前提下尽可能实现滤波平均。 参数联动设置的经验公式：正弦测量——RBW/VBW=0.3~1；脉冲测 量——RBW/VBW=0.1；噪声测量——RBW/VBW=10
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扫描时间对频率和电平测量误差的影响
测试结果未校准!
蓝色踪迹： 电平和频率产生误差
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LO 2
预选/输入 低通滤波器 衰减器
LO 1
中频放大器 中频 滤波器 扫频发生器
PLL
对数放大器
包络 检波器 VBW
参考时基 LCD
检波器
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视频滤波器(VBW)
减小噪声对测试信号幅度的影响
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LO 2
预选/输入 低通滤波器 衰减器
LO 1
中频放大器 中频 滤波器 扫频发生器
PLL
对数放大器
包络 检波器 VBW
参考时基 LCD
检波器
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检波器方式
“对数检波器”
最大 峰值
线性/对数查找表： 有效值、平均值检波器 线性
视 频 信 号
最小 峰值 采样
对数 微处 理器 显示
有效值
检波器的选择
平均值
平均值检波器
有效值检波器
UAV
“线性检波器”
1 = N
N i =1
ui
U RMS =
1 N
N i =1
ui2
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检波器与踪迹方式的关系 (Detector and Trace)
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3 频谱分析仪关键指标的定义 频谱分析仪的关键性能指标 —————————————
• • • • 频谱纯度（相位噪声） 接收机的固有噪声 系统非线性 1dB压缩点
• 动态范围 • 频率测量精度 • 幅度测量精度
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本振信号相位噪声
相位噪声起源于振荡器输出信号的 相位、频率和幅度变化
。
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频谱分析仪的固有噪声
LDANL = DANL10 Hz 10dB + (10 • lg
LDANL DANL RBWNoise RFAtt -2.5 dB
RBWNoise ) dB + RFATT Hz
2.5dB
平均显示噪声电平 规定的平均噪声电平 (R&S 数据表: RBW=10 Hz, RFATT = 0 dB) RBW滤波器的等效噪声带宽 RF 衰减器 修正因子 (对数定标的平均)
不同的滤波器6 dB带宽和等效噪声带宽与 3 dB带宽的关系
滤波器类型 6 dB 带宽 等效噪声带宽 4-极点滤波器 5-极点滤波器 （模拟） （模拟） 1.480 * B3dB 1.464 * B3dB 1.114 * B3dB 1.129 * B3dB 理想高斯滤波器 (数字) 1.415 * B3dB 1.065 * B3dB
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显示的本底噪声电平依赖于RF衰减器
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显示的本底噪声电平依赖于RBW带宽
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频谱仪最低本底噪声显示的设置
衰减器设为0dB RBW设为1Hz (Filter type选择FFT) 打开前置放大器
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1dB 压缩点 (频谱仪的输入电平1dB压缩点)
与衰减器的设置有关
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频谱仪的非线性特性
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动态范围
通常定义为第一级混频器1dB压缩点与显 示平均噪声电平之差。
输入电平超过1dB 压缩点，混频器将 产生非线性失真。 最大动态范围通常 在最小分辨率带宽 时取得。
为避免损坏频谱 仪，输入电平严 禁超过上限值。 (1) 0dB衰减器： 由混频器决定 (2) 大于0dB衰减 器：由衰减器决 定
当互调产物或 高次谐波电平 与噪声电平相 等时达到最大 值。
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保证测试准确度
检波器的选择
依据标准 依据测试信号类型和测试参数
带宽选择
依据标准 依据测试信号类型和测试参数
重要参数的依赖性
RBW / VBW / SWT 关系 输入电平与射频衰减
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保证测试准确度
非线性信号判别
频谱仪的谐波与互调产物 相噪和动态范围 1dB压缩点
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常见问题
屏幕上出现“UNCAL”
扫描时间和分辨率带宽设置有误 － 选择自动设置 或延长扫描时间 校准数据丢失或出错 － 重新校准（预热0.5小时 后）
一般性故障查找和分析
进行仪器自检（SELFTEST），查阅故障信息
Firmware故障
开机时选择软件恢复选项
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4 R&S频谱分析仪系列产品介绍
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产
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R&S频谱分析仪系列产品介绍----FSP
FSP的特点和配置： 通用频谱和数字信号分析 • 频率范围
9kHz(20Hz)～3/7/13/30/40GHz
• 频谱分析功能、时域分析功能、信道功率测试功能、互 调测试功能、占用带宽测试功能、C/N测试 • • • • 相噪测试 噪声系数测试 常用通信信号分析 EMC测试
• 可以配置电池供电
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FSP频谱分析仪前面板
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FSP频谱分析仪前面板说明
•1、显示屏 •2、软按键 •3、数据输入区 •4、仪器设置区 •5、仪器功能区 •6、数据和光标改动控制键 •7、3 1/2”磁盘驱动器(1.44M) •8、硬件输入输出区 •9、仪器功能区 •10、菜单变换键 •11、热键 •12、开关 •13、打印功能键 •14、仪器配置键 •15、校准键 •16、复位键
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FSP频谱分析仪后面板
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FSP频谱分析仪后面板说明
•17、第二GPIB •18、电源与开关 •19、IEC/IEEE接口 •20、并行接口（打印机） •21、串行接口 •22、外部显示器接口 •23、外部噪声源输出口 •24、外部触发或外部门信号输入口 •25、USB接口 •26、选件预留口 •27、外部信号源控制口（FSP-B10) •28、参考时钟输出口和输入口（10MHz) •29、外部跟踪源 I/Q输入(FSP-B9) •30、20.4MHz中频输出/ 或CCVS输入/输 出（FSP-B6) •31、LAN接口（FSP-B16)
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FSP频谱分析仪显示屏
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常用功能与测试
频率和功率的测试(脉冲信号为例）
频谱仪频率轴、幅度轴、分辨带宽的设置; 测量相对频率和相对幅度
失真（谐波、杂散）的测量 相噪测量 噪声系数测量
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脉冲调制信号
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测试参数
载波频率 脉冲重复频率 脉宽 脉冲周期 峰值功率 平均功率 占用带宽
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对频谱仪的要求
RBW带宽要求 采样定理
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脉冲信号分析
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脉冲信号分析
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脉宽测试－时域
频谱仪选择时域测试
根据被测信号的类型选择合适的RBW和扫描时间
选择测试点
脉冲电
压的50％ 频谱仪显示轨迹的上升沿和下降沿低于脉冲功率 6dB处
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脉宽测试－时域
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脉宽测试－频域
频谱仪选择频域测试
根据被测信号的类型选择合适的RBW和扫描时间
选择测试点
f：主瓣频率宽度的1/2 脉宽即为1/f
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脉宽测试－频域
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脉冲周期测试－频域
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平均功率测试－频域
信道（积分）带宽 信道功率测试模块 RMS检波器
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CP测试
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占用带宽测试
OBW测试模块 占用带宽内功率与总功率比 RBW2*OBW (SPAN
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Thank you! Q&A
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