頻譜分析儀原理
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對(duì)于HP-859X的頻譜儀，當(dāng)分辨率帶寬變得很窄，在300Hz以下時(shí)，其濾波器就自動(dòng)切換到數(shù)字濾波器上。對(duì)于859X的頻譜儀其內(nèi)部的濾波器全是模擬的，沒有數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器的測(cè)量速度要高于模擬。
用不同設(shè)置的分辨率帶寬去測(cè)量交調(diào)信號(hào)。如圖11所示。
當(dāng)測(cè)量F1和F1+10kHz（F2）信號(hào)時(shí)，分辨率帶寬BW設(shè)置成10kHz，與兩個(gè)信號(hào)頻率差別是一樣的，這種情況下我們看到的是最外面的曲線，正好將兩個(gè)信號(hào)分開。但不太容易分辨，只是知道是有兩個(gè)信號(hào)存在。我們將BW下調(diào)一級(jí)，變成3kHz，圖11中的中間那條曲線，就可以將兩個(gè)信號(hào)分辨得非常清楚。但它的交調(diào)失真還是看不出來。我們?cè)侔袯W進(jìn)一步降低成為1kHz（實(shí)際是提高了分辨率），我們就可以更清晰地看到F1和F2，同時(shí)也看到兩個(gè)失真信號(hào)。
分辨率帶寬降低能提高分辨率，但對(duì)測(cè)量來說分辨率降低會(huì)增加掃描時(shí)間。這時(shí)我們可以對(duì)掃描時(shí)間進(jìn)行人為設(shè)置，加快其掃描速度，提高測(cè)量速度。但是，由于掃描時(shí)間的改變會(huì)造成測(cè)量上的誤差，具體就是頻率升高，而幅度降低（見圖12）。
所以作為一種快速測(cè)量而不要求太高測(cè)量精度時(shí)，可以采用這種方法，但若要較高精度的測(cè)量，必須要使BW與測(cè)量時(shí)間置于自動(dòng)聯(lián)動(dòng)，方可滿足準(zhǔn)確測(cè)量的要求。
頻譜分析儀第三個(gè)重要指標(biāo)-動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍表示當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，測(cè)量其幅度差的能力。影響它的因素有最大輸入功率、非線性工作區(qū)域、1dB壓縮點(diǎn)（有時(shí)為0.5dB）。
頻譜儀內(nèi)部的混頻器有一定的線性工作區(qū)域，如果超過線性區(qū)域，輸入功率的變化與輸出功率的變化即呈非線性。輸出功率的變化量比輸入功率的變化量小，造成功率壓縮。如果功率壓縮存在，我們所測(cè)得的功率值就是不準(zhǔn)確的。
那么我們?nèi)绾闻袛嗍欠翊嬖趬嚎s呢？可以利用頻譜儀內(nèi)部的衰減器或外接衰減器來進(jìn)行判斷。將衰減器的衰減量設(shè)置在10dB時(shí)，測(cè)量混頻器的輸出功率。再將衰減器的衰減量增加10dB，再去測(cè)量混頻器輸出功率也應(yīng)線性地減小10dB。若變化量不是10dB，只有7或8dB，說明混頻器已工作在非線性區(qū)域，存在功率壓縮區(qū)。
即使當(dāng)頻譜儀工作在線性區(qū)域的時(shí)候，混頻器仍然產(chǎn)生內(nèi)部失真，因?yàn)樗怯性吹姆蔷€性器件。在最差的情況下，內(nèi)部失真完全可以覆蓋被測(cè)件的失真產(chǎn)物或是外來的諧波失真。即使當(dāng)內(nèi)部失真低于要測(cè)信號(hào)的失真，也會(huì)引起測(cè)量誤差。因?yàn)楫?dāng)基波信號(hào)進(jìn)入到頻譜儀時(shí)，它同樣會(huì)產(chǎn)生二次和三次諧波。這種失真是由頻譜儀內(nèi)部產(chǎn)生的。這一失真會(huì)與輸入信號(hào)的失真混疊起來，最后輸出的諧波分量要比真實(shí)的失真高。這就造成了一定的測(cè)量誤差。這要求頻譜儀所產(chǎn)生的內(nèi)部失真要盡量地小，使最后迭加出來的信號(hào)，趨近于被測(cè)信號(hào)。
如何降低頻譜儀內(nèi)部的諧波失真和交調(diào)失真。這可利用失真特性，二次或三次諧波在數(shù)學(xué)公式上都存在這樣的特點(diǎn)，即若存在一個(gè)頻率為F的信號(hào)，其二次諧波為2F，三次諧波為3F。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)F1、F2存在，其交調(diào)失真有2F1-F2、2F2-F1等等，見圖13。當(dāng)F信號(hào)功率變化1△時(shí)，2F功率會(huì)變化2△，它的三次諧波會(huì)變化3△。變化量分別是其2倍和3倍。也就是說當(dāng)輸入功率降低1dB，二次諧波和三次諧波分別會(huì)降低2dB和3dB。交調(diào)失真是當(dāng)F1、F2分別變化1△，2F1-F2和對(duì)應(yīng)的2F2-F1均變化3△，這就是其特點(diǎn)。在測(cè)量時(shí)，頻譜分析儀本身產(chǎn)生的二次諧波信號(hào)越高，它測(cè)量的范圍越差。我們用輸入信號(hào)F0的功率值和產(chǎn)生信號(hào)諧波功率值之差來進(jìn)一步定義動(dòng)態(tài)范圍。凡是被測(cè)信號(hào)落在這一范圍之內(nèi)，都可以測(cè)出。
如何使動(dòng)態(tài)范圍增大（見圖14），我們可以利用上面所說的數(shù)學(xué)特性，只要將F0的功率降低1dB，2F0會(huì)降低2dB。這就使動(dòng)態(tài)范圍增大了1dB。若F0的功率降低10dB，其動(dòng)態(tài)范圍也會(huì)隨之增大10dB。三次失真的降低速度會(huì)更快。二次諧波和三次諧波的動(dòng)態(tài)范圍是呈線性變化的，只是斜率不一樣。
我們用動(dòng)態(tài)范圍和功率值建立一個(gè)坐標(biāo)系，可以得到圖15的曲線，橫坐標(biāo)實(shí)際是混頻器F0輸入功率值，縱坐標(biāo)就是內(nèi)部失真電平。在動(dòng)態(tài)范圍的圖上劃出由基波產(chǎn)生的二次和三次失真產(chǎn)物與基波信號(hào)的相對(duì)關(guān)系。當(dāng)一個(gè)混頻器F0的功率為0dB，它的二次諧波失真信號(hào)的功率是固定的，差值也是固定的。可以看出，當(dāng)功率降低越低，動(dòng)態(tài)范圍就越大。三次諧波更是如此。由此得出，混頻器輸入的功率越小，其動(dòng)態(tài)范圍就越大。
對(duì)于小信號(hào)的測(cè)量還有一個(gè)影響因素是它的噪聲底。一個(gè)被測(cè)信號(hào)在儀器本身的失真范圍之下是不可測(cè)的，若隱含在儀器本身的噪聲底之下也是無法檢測(cè)的。
那么噪聲底由誰來決定？噪聲底的第一個(gè)因素是衰減量（見圖16）。當(dāng)衰減器的衰減量為10dB時(shí)，我們可以看到這些噪聲曲線，同時(shí)看到一個(gè)小信號(hào)。當(dāng)衰減量變成20dB，噪聲底會(huì)抬高10dB，小信號(hào)就會(huì)被覆蓋在平均噪聲功率之下，變成不可測(cè)量。所以衰減量會(huì)影響儀器的噪聲底，并降低了信噪比。所以要用盡可能小的輸入衰減以獲得最好的信噪比。在實(shí)際的測(cè)量中，顯示的信號(hào)電平不會(huì)隨衰減的增加而下降。這是因?yàn)楫?dāng)衰減降低了加到檢波器的信號(hào)電平時(shí)，中頻放大器會(huì)增加10dB來補(bǔ)償這個(gè)損失，這使熒光屏上的信號(hào)幅度保持不變。但噪聲電平被放大、增加了10dB。
另一個(gè)因素是中頻濾波器的帶寬（見圖17），帶寬越寬，進(jìn)來的噪聲越多，功率當(dāng)然也就越高。帶寬降低10倍，噪聲功率也會(huì)降低10倍；帶寬降低100倍，噪聲功率也會(huì)降低100倍。BW從100kHz變成10KHz，其噪聲平均顯示電平會(huì)降低10dB。
所以說頻譜儀的噪聲是在一定的分辨帶寬下定義的。廣義上說，頻譜分析儀的最低噪聲電平是在最小分辨率帶寬下得到的。
當(dāng)頻譜儀設(shè)置的分辨帶寬以及衰減量固定時(shí)，那么它的噪聲底也就固定了。這時(shí)信號(hào)的檢測(cè)能力也決定了。當(dāng)小信號(hào)低于噪聲底時(shí)就不可測(cè)量，高于噪聲底就變得可測(cè)。這個(gè)測(cè)量范圍就是被測(cè)信號(hào)與噪聲底的比值。信號(hào)若比噪聲底高10dB，可測(cè)范圍就是10dB。
這一信噪比我們置于縱坐標(biāo)上，輸入功率在橫坐標(biāo)上。（見圖18）當(dāng)噪聲底固定的話，假設(shè)把BW設(shè)置在1kHz時(shí)，衰減量不變，那么它的噪聲是不變的，這時(shí)設(shè)輸入功率為-40dB，信噪比是75dB。當(dāng)輸入功率為-30dB時(shí)，信噪比為85dB。從此看出，信號(hào)的降低，信噪比是降低的。噪聲底對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的影響。把信號(hào)對(duì)噪聲和信號(hào)對(duì)失真的曲線置于同一坐標(biāo)系上，橫坐標(biāo)是輸入功率，縱坐標(biāo)是動(dòng)態(tài)范圍（見圖19）。最大的動(dòng)態(tài)范圍處于曲線的交點(diǎn)。這時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的失真電平等于顯示的平均噪聲電平。
頻譜儀是否產(chǎn)
評(píng)論