影響頻譜分析儀頻率分辨率的因素

摘要：頻率分辨率是頻譜分析儀的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，在介紹頻譜分析儀原理的基礎(chǔ)上，對頻譜分析儀的分辨率帶寬、頻率選擇性、本振殘余調(diào)頻和本振相位噪聲參數(shù)進(jìn)行了解析，從而使讀者掌握各參數(shù)與頻譜分析儀頻率分辨率之間的關(guān)系，在選購頻譜儀和實(shí)際測量時(shí)合理地考慮以上參數(shù)。
關(guān)鍵詞：頻率分辨率；分辨率帶寬；頻率選擇性；本振殘余調(diào)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(biāo)(頻率范圍、頻率分辨率)和幅度指標(biāo)(動(dòng)態(tài)范圍、失真、靈敏度)是它的重要技術(shù)指標(biāo)。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(diào)失真、排除干擾信號、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器頻譜占用情況等，而很多應(yīng)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(biāo)的因素進(jìn)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(shí)現(xiàn)技術(shù)上可分為兩類：使用傅里葉變換(FFT)技術(shù)的數(shù)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(shù)字頻譜分析儀使用數(shù)值計(jì)算的方法處理一定時(shí)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(diǎn)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(wěn)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(yàn)。Agilent的ESA系列經(jīng)濟(jì)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(shí)際上是多級混頻結(jié)構(gòu)。這種分析方法最核心的部分是它的混頻器和中頻濾波器?；祛l器將被測信號下變至中頻，然后在中頻上進(jìn)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(gè)頻率分量在混頻器內(nèi)依次進(jìn)行差頻變換，所產(chǎn)生的中頻信號通過中頻窄帶濾波器后再經(jīng)放大和檢波，加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉(zhuǎn)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(fā)生器所產(chǎn)生的鋸齒電壓控制，鋸齒波電壓同時(shí)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。

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(qū)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(dāng)頻譜分析儀的分辨能力足夠高時(shí)，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(nèi)部的中頻濾波器和本地振蕩器的性能有關(guān)。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(diào)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(guān)鍵部分，是一個(gè)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(dá)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(nèi)，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(shù)影響頻譜儀的許多關(guān)鍵指標(biāo)，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(gè)等幅信號之間頻率差為中頻濾波器的3 dB帶寬時(shí)，合成響應(yīng)曲線仍有2個(gè)峰值，中間下沉大約3 dB，認(rèn)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(jīng)濟(jì)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。