认识频谱分析仪(1)- 原理及结构

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什么是频谱分析仪?

频谱分析仪原理


什么是频谱分析仪?

频谱分析仪是用来观察信号由哪些频率组成的仪器,横轴是频率,纵轴是功率。

所有信号都可以拆解为不同频谱的正弦波信号(傅里叶级数/傅里叶变换)。

频谱分析仪原理

下图为频谱分析仪的内部结构原理图:

混频器Mixer将输入频率与本地振荡器运算变为中频,这个称为降频Downconvert;本地振荡器的频率不断变化,才能待测频谱的信号从start frequency 到 stop frequency,从而得到频谱图。换句话说你在span设定的频宽就是Local generator扫描的频宽。

输入端衰减器Attenuator

为了避免信号过大,造成频谱仪内部元件饱和甚至损坏,通常先将信号衰减,之后显示时再放大,屏幕上的功率值为实际的功率值,无需换算,单衰减量通常会显示给使用者参考。

混频器Mixer及中频滤波器IF filter

中频滤波器(IF filter)的输入频率固定,Mixer的作用是将目标频率降至IF的频率(降频Downconvert)。Mixer将RF输入信号与本地振荡器 (Local oscillator)运算后得到两组频率信号,一组是fout=(fosc-fRF),另一组是fout=(fosc+fRF),经过低通滤波器Low Pass Filter后,只有较小的fout=(fosc-fRF)通过IF filter。这个IF=(fosc-fRF)中频信号的频率就是输入信号在FRF的功率,屏幕上以一个点表示。点的高低表示功率大小。

扫频器 Sweep generator

刚刚的IF信号功率,只表示了输入信号中单一特定频率的功率,所以只是一个点,这个点只表示了IF filter上一个非常窄的频宽范围内的总功率。如果使用者想把某个频段范围的功率曲线全部画出来,理论上就需要不断移动IF filter的中心频率来获得该频段的功率。实际上IF filter的中心频率是固定的,所以只能调整LO(Local Oscillator)的频率。LO本身由电压控制频率,其实是个VCO(Voltage control oscillator),因此Sweep generator就担任了voltage controller的角色,通过改变Sweep generator的电压来改变LO的频率,将信号的不同频率传送到IF filter。

视频滤波器-Video filter

Video filter是一个低通滤波器,用来过滤IF filter之后的包洛波(envelope),而envelope最差就是贴着IF信号走,最大频率不会超过RBW,因为VBW越小越能缓和envelope的变动率。代价也是sweep time变长。视频滤波器不会降低平均噪声电平,但能减少噪声的低电平信号,通过减小VBW能暴露出较宽Video filter看不到的低电平信号,从而使得信号不被噪声淹没。

显示- Display

功率是RBW内计算出来的功率,当RBW变大时,Noise floor也会变高,因为杂波会随着RBW变大把其它频率上的杂波吸收进来。但是待测信号的功率值不会因为RBW的大小而变化,因为待测信号的频率是固定的。

 

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