发布于：2007/5/25 8:43:52 | 3102 次阅读
摘 要：频谱仪的工作状态是由诸多参数决定的，而各种参数之间又相互关联，因此在设置频谱仪时需要统筹考虑。本文从频谱仪基本原理出发，深入探讨了各参数间的关系，提出了在实际工程中设置频谱仪时应注意的若干原则，对实际工作具有指导意义。
关键词：频谱仪；参数设置；扫描时间；输入衰减
Research of Optimal Parameter Settings for Spectrum Analyzer
CHEN Li，FENG Jian
（College of Electronic Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu，610054，China）
频谱分析仪是现代微波测量的重要工具，是通用的多功能测量仪器。他不仅用于测量各种信号的频谱，而且还可测量功率、失真、增益和噪声特性等。但是要充分发挥频谱仪的性能，显示其巨大的优越性，首先必须将频谱仪设置为工作状态。而频谱仪的工作状态是由诸多因素、参数决定的，并且各种参数之间相互关联，不能片面追求某一指标的完美，需要统筹考虑。因此对频谱仪进行的参数设置并非易事。本文从频谱仪基本原理出发，通过相关实验对所需要考虑的基本因素和所要作的测量类型进行分析，给出一个趋向于完美的参数组合。
1 频谱仪基本原理
频谱仪基本原理图如图1所示。
频谱分析仪的基本电路是超外差接收机、亦即利用超过输入信号频率的本地振荡频率通过混频器获得差频输 出，更具体的电路构成是，在频谱分析器前端有衰减器和前置放大器，以便调节输入信号电平达到频谱分析仪的量程指标。电压控制振荡器产生扫频频率。输入信号与本地扫频信号加入混频器，非线性的混频器产生输入信号频率和扫频频率两者之和或两者之差。中频滤波器提取混频差值信号，进入检波器产生与输入信号功率相对应的电压包络，显示电压包络随扫频频率的变化构成完整的功率频谱分析仪。
2 相关参数分析
（1）输入衰减（InputAttenuation）
频谱分析仪显示的信号是叠加在平均噪声电平上，这个噪声是由频谱仪自身产生的，大部分来自中频放大器的级，他是宽带白噪声，经过中频滤波器后送到包络检波器的平均噪声功率为P＝10 lg（KTB），K为波尔兹曼常数1．38×10e－23J／K，T为温度（290 K）；B为分辨率带宽。如果分辨率带宽增加10倍，则显示的平均噪声电平增加10 dB。因此频谱分析仪的噪声是在一定分辨带宽下得到的。然而当输入衰减增加10 dB时，降低了加在检波器上的信号电平，而中频放大器的增益同时增加10dB来补偿这个损失，其结果使荧光屏上的信号幅度保持不变。但是，噪声电平被放大．增加了10 dB，结果信噪比下降10 dB。因此信噪比S／N随着输入衰减增加而降低。
（2）扫描时间（Sweep Time)、扫描点数（Sweep Points）、分辨率带宽（RBW）、扫频跨度（Span）这几个参数密切相关，可用公式近似表示为：
①T＝S／（2．27＊B＾2），其中：T为最快扫描时间；S为扫频跨度；B为分辨率带宽。
②P＝S／B，其中：P为扫描点数。
可见分辨率带宽越宽扫描时间越短。如果分辨率带宽太宽，两个频率间隔较窄的信号就只能显示为一个。但如果分辨率带宽太窄，则由于窄带滤波器所需的响应时间较长，当扫描速度太快时，频谱仪的中频滤波器不能够充分响应，结果幅度和频率的显示值变为不正确，即幅度下降、频率向上移（如图2所示）。为了保持正确的读数状态，应该让扫描时间≥最快扫描时间（T）。
扫描点数由扫频跨度和分辨率带宽决定，实际的扫描点数应该小于扫描点数P，更多的扫描点数不仅毫无意义，而且将迫使扫描时间延长。但是扫描点数的减少，将使频谱图上频率分辨率降低，这样的直接后果是频谱图上峰值点所对应的频率与真实频率有一定偏差。
（3）视频滤波器带宽（VBW）、扫描时间
从检波器输出的信号在送到显示器上显示之前，要通过一个低通滤波器，即所谓的视频滤波器，他的作用是将检测信号中的高频部分滤掉，从显示屏上可看到一个光滑的曲线。这对小信号的测量是非常有效的，他可使读数更为稳定。因此要提高测量灵敏度，就应减小视频滤波器带宽，但视频滤波器带宽的减小又将会使扫描时间增长。
灵敏度就是最小可捡测信号，定义为在一定分辨带宽下显示的平均噪声电平。“平均”，就是用足够窄的视频带宽VBW，去平均信号加噪声或者噪声。一般认为最小可测的信号电平是以近似3 dB突起显示在平均噪声电平之上。
3 实验与结论
下面结合目前所从事的工作讨论一个实例。
采用Agilent公司E4407B频谱分析仪进行雷达天线方向图的测试工作，根据要求，应能从频谱分析仪上准确、快速获取雷达天线方向图（和、差波瓣）的相关数据。依据前述分析，提出该频谱仪参数设置5条原则：
（1）输入衰减应在保证输入不烧毁频谱仪的前提下定 为最小。
（2）扫频跨度应在确保能捕获所需频率分量的前提下尽可能小。
（3）分辨率带宽和视频滤波器带宽应在测量允许的误差范围内取较大值。
（4）扫描点数在低于扫描点数的前提下可适当减小。
（5）扫描时间应定为略大于最快扫描时间为宜。
被测天线的中心频率给定2 900 MHz，考虑到其相当稳定，取扫频跨度为500 kHz，输入衰减置为0 dBm，以下的关键是定RBW和VBW。在E4407B中，RBW的范围为1k～5M Hz，VBW的范围为30～3M Hz，下面通过实验来合理地确定这2个参数。
实验步骤：
（1）输入一个523．720 MHz的正弦信号，将频谱仪设置为自动耦合，以便由频谱仪自动算出最快扫描时间，步骤是：依次在面板上选择Auto Couple→Auto All。
（2）设置中心频率523．720 MHz，扫频跨度为500 kHz，频谱仪扫描点数取缺省值4013。实验结果如表1所示。
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