編者注：在越來越復(fù)雜的電磁環(huán)境中，越來越多的頻譜散布在我們周圍。有的時(shí)候?yàn)榱私鉀Q一個(gè)問題，我們不得不在時(shí)域、頻域中分別找到不同的現(xiàn)象，以便找到解決問題的方法。本文是一篇非常好的科普文章。

本文的目的是為您提供關(guān)于頻譜儀或信號(hào)分析儀的基本概述。將重點(diǎn)介紹頻譜分析儀工作的基本原理。雖然今天的技術(shù)使得現(xiàn)代數(shù)字實(shí)現(xiàn)替代許多模擬電路成為可能，但是從經(jīng)典的頻譜分析儀結(jié)構(gòu)開始了解仍然非常有好處。今后我們還將探討數(shù)字電路賦予頻譜儀的功能及優(yōu)勢，以及討論現(xiàn)代頻譜儀中所使用的數(shù)字架構(gòu)。

圖 2-1 是一個(gè)超外差頻譜儀的簡化框圖?！巴獠睢笔侵富祛l，即對頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而“超”則是指超音頻頻率或高于音頻的頻率范圍。從圖中我們看到，輸入信號(hào)先經(jīng)過一個(gè)衰減器，再經(jīng)低通濾波器（稍后會(huì)看到為何在此處放置濾波器）到達(dá)混頻器，然后與來自本振（LO）的信號(hào)相混頻。

圖 2-1. 典型超外差頻譜分析儀的結(jié)構(gòu)框圖

由于混頻器是非線性器件，其輸出除了包含兩個(gè)原始信號(hào)之外，還包含它們的諧波以及原始信號(hào)與其諧波的和信號(hào)與差信號(hào)。若任何一個(gè)混頻信號(hào)落在中頻（IF）濾波器的通帶內(nèi)，它都會(huì)被進(jìn)一步處理（被放大并可能按對數(shù)壓縮）?；镜奶幚磉^程有包絡(luò)檢波、低通濾波器進(jìn)行濾波以及顯示。斜波發(fā)生器在屏幕上產(chǎn)生從左到右的水平移動(dòng)，同時(shí)它還對本振進(jìn)行調(diào)諧，使本振頻率的變化與斜波電壓成正比。

如果您熟悉接收普通調(diào)幅（AM）廣播信號(hào)的超外差調(diào)幅收音機(jī)，您一定會(huì)發(fā)現(xiàn)它的結(jié)構(gòu)與圖 2-1 所示框圖極為相似。差別在于頻譜分析儀的輸出是屏幕而不是揚(yáng)聲器，且其本振調(diào)諧是電子調(diào)諧而不是靠前面板旋鈕調(diào)諧。

既然頻譜分析儀的輸出是屏幕上的 X-Y 跡線，那么讓我們來看看從中能獲得什么信息。顯示被映射在由 10 個(gè)水平網(wǎng)格和 10 個(gè)垂直網(wǎng)格組成的標(biāo)度盤上。橫軸表示頻率，其標(biāo)度值從左到右線性增加。

頻率設(shè)置通常分為兩步：先通過中心頻率控制將頻率調(diào)節(jié)到標(biāo)度盤的中心線上，然后通過頻率掃寬控制再調(diào)節(jié)橫跨 10 個(gè)網(wǎng)格的頻率范圍（掃寬）。這兩個(gè)控制是相互獨(dú)立的，所以改變中心頻率時(shí)，掃寬并不改變。還有，我們可以采用設(shè)置起始頻率和終止頻率的方式來代替設(shè)置中心頻率和掃寬的方式。不管是哪種情況，我們都能確定任意被顯示信號(hào)的絕對頻率和任何兩個(gè)信號(hào)之間的相對頻率差。

縱軸標(biāo)度按幅度大小劃分?？梢赃x用以電壓定標(biāo)的線性標(biāo)度或以分貝（dB）定標(biāo)的對數(shù)標(biāo)度。對數(shù)標(biāo)度比線性標(biāo)度更經(jīng)常使用，因?yàn)樗芊从吵龈蟮臄?shù)值范圍。

對數(shù)標(biāo)度能同時(shí)顯示幅度相差 70 至 100 dB（電壓比為 3200 至 100,000 或功率比為 10,000,000 至 10,000,000,000）的信號(hào)，而線性標(biāo)度則只能用于幅度差不大于 20 至 30 dB（電壓比 10 至 32）的信號(hào)。在這兩種情況下，我們都會(huì)運(yùn)用校準(zhǔn)技術(shù)1給出標(biāo)度盤上最高一行的電平即基準(zhǔn)電平的絕對值，并根據(jù)每個(gè)小格所對應(yīng)的比例來確定標(biāo)度盤上其他位置的值。這樣，我們既能測量信號(hào)的絕對值，也能測量任意兩個(gè)信號(hào)的相對幅度差。

屏幕上會(huì)注釋出頻率和幅度的標(biāo)度值。圖 2-2 是一個(gè)典型的頻譜分析儀的顯示。

圖 2-2. 參數(shù)已設(shè)定的典型頻譜分析儀顯示圖

現(xiàn)在讓我們將注意力再回到圖 2-1 中所顯示的頻譜分析儀元器件。

射頻衰減器

分析儀的第一部分是射頻衰減器。它的作用是保證信號(hào)在輸入混頻器時(shí)處在合適的電平上，從而防止發(fā)生過載、增益壓縮和失真。由于衰減器是頻譜儀的一種保護(hù)電路，所以它通常是基于基準(zhǔn)電平值而自動(dòng)設(shè)置，不過也能以 10 dB、5 dB、2 dB 甚至 1 dB 的步進(jìn)來手動(dòng)選擇衰減值。圖 2-3 所示是一個(gè)以 2 dB 為步進(jìn)量、最大衰減值為 70 dB 的衰減器電路的例子。

其中隔直電容是用來防止分析儀因直流信號(hào)或信號(hào)的直流偏置而被損壞，不過它會(huì)對低頻信號(hào)產(chǎn)生衰減，并使一些頻譜儀的最低可用起始頻率增加至 9 kHz、100 kHz 或 10 MHz。

在有些分析儀中，可以像圖 2-3 那樣連接一個(gè)幅度基準(zhǔn)信號(hào)，它提供了一個(gè)有精確頻率和幅度的信號(hào)，用于分析儀周期性的自我校準(zhǔn)。

圖 2-3. 射頻衰減器電路

低通濾波器或預(yù)選器

低通濾波器的作用是阻止高頻信號(hào)到達(dá)混頻器。從而可以防止帶外信號(hào)與本振相混頻，在中頻上產(chǎn)生多余的頻率響應(yīng)。微波頻譜分析儀或信號(hào)分析儀用預(yù)選器代替了低通濾波器，預(yù)選器是一種可調(diào)濾波器，能夠?yàn)V掉我們所關(guān)心的頻率以外的其他頻率上的信號(hào)。在第 7 章里，我們將詳細(xì)介紹對輸入信號(hào)進(jìn)行過濾的目的和方法。

分析儀調(diào)諧

我們需要知道怎樣將頻譜分析儀或信號(hào)分析儀調(diào)諧至我們所希望的頻率范圍。調(diào)諧取決于中頻濾波器的中心頻率、本振的頻率范圍和允許外界信號(hào)到達(dá)混頻器（允許通過低通濾波器）的頻率范圍。從混頻器輸出的所有信號(hào)分量中，有兩個(gè)具有最大幅度的信號(hào)是我們最想得到的，它們是由本振與輸入信號(hào)之和以及本振與輸入信號(hào)之差所產(chǎn)生的信號(hào)分量。如果我們能使想觀察的信號(hào)比本振頻率高或低一個(gè)中頻，則所希望的混頻分量之一就會(huì)落入中頻濾波器的通帶之內(nèi)，隨后會(huì)被檢波并在屏幕上產(chǎn)生幅度響應(yīng)。

為了使分析儀調(diào)諧至所需的頻譜范圍，我們需要選擇合適的本振頻率和中頻。假定要求的調(diào)諧范圍是 0 至 3.6 GHz，接下來需要選擇中頻頻率。如果選擇 1 GHz 的中頻，這個(gè)頻率處在所需的調(diào)諧范圍內(nèi)，我們可以得到一個(gè) 1 GHz 的輸入信號(hào)，又由于混頻器的輸出包含原始輸入信號(hào)，那么來自于混頻器的 1 GHz 輸入信號(hào)將在中頻處有恒定的輸出。所以不管本振如何調(diào)諧，1 GHz 的信號(hào)都將通過系統(tǒng)，并在屏幕上給出恒定的幅度響應(yīng)。其結(jié)果是在頻率調(diào)諧范圍內(nèi)形成一個(gè)無法進(jìn)行測量的空白區(qū)域，因?yàn)樵谶@一區(qū)域的信號(hào)幅度響應(yīng)獨(dú)立于本振頻率。所以不能選擇 1 GHz 的中頻。

也就是說，我們應(yīng)在比調(diào)諧頻段更高的頻率上選擇中頻。在可調(diào)諧至 3.6 GHz 的 Keysight X 系列信號(hào)分析儀中，第一個(gè)本振頻率范圍為 3.8 至 8.7 GHz，選擇的中頻頻率約為 5.1 GHz。

現(xiàn)在我們想從 0 Hz（由于這種結(jié)構(gòu)的儀器不能觀察到 0 Hz 信號(hào)，故實(shí)際上是從某個(gè)低頻）調(diào)諧到 3.6 GHz。

選擇本振頻率從中頻開始（LO - IF = 0 Hz）并向上調(diào)諧至高于中頻 3.6 GHz，則 LO - IF 的混頻分量就能夠覆蓋所要求的調(diào)諧范圍。運(yùn)用這個(gè)原理，可以建立如下調(diào)諧方程：

如果想要確定分析儀調(diào)諧到低頻、中頻或高頻信號(hào)（比如 1 kHz、1.5 GHz 或 3 GHz）所需的本振頻率，首先要變換調(diào)諧方程得到 fLO:

圖 2-4. 為了在顯示屏上產(chǎn)生響應(yīng)，本振必須調(diào)諧到 fIF + fs

圖 2-4 舉例說明了分析儀的調(diào)諧過程。圖中，fLO 并未高到使 fLO -fsig 混頻分量落入 IF 通帶內(nèi)，故在顯示器上沒有響應(yīng)。但是，如果調(diào)整斜波發(fā)生器使本振調(diào)諧到更高頻率，則混頻分量在斜波（掃描）的某點(diǎn)上將落入 IF 通帶內(nèi)，我們將看到顯示器上出現(xiàn)響應(yīng)。

由于斜波發(fā)生器能同時(shí)控制顯示器上跡線的水平位置和本振頻率，因此可以根據(jù)輸入信號(hào)的頻率來校準(zhǔn)顯示器的橫軸。

我們還未完全解決調(diào)諧問題。如果輸入信號(hào)頻率是 9.0 GHz，會(huì)發(fā)生什么情況呢？當(dāng)本振調(diào)諧在 3.8 至 8.7 GHz 的范圍時(shí)，在它到達(dá)遠(yuǎn)離 9.0 GHz 輸入信號(hào)的中頻（3.9 GHz）時(shí)，會(huì)得到一個(gè)頻率與中頻頻率相等的混頻分量，并在顯示器上生成響應(yīng)。換句話說，調(diào)諧方程很容易地成為：

這個(gè)公式表明圖 2-1 的結(jié)構(gòu)也能得到 8.9 至 13.8 GHz 的調(diào)諧范圍，但前提是允許此范圍內(nèi)的信號(hào)到達(dá)混頻器。

圖 2-1 中輸入端低通濾波器的作用就是阻止這些高頻信號(hào)到達(dá)混頻器。如前所述，我們還要求中頻信號(hào)本身不會(huì)到達(dá)混頻器，那么低通濾波器必須能對 5.1 GHz 以及 8.9 至 13.8 GHz 范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行有效的衰減。

總之，可以認(rèn)為對于單頻段射頻頻譜分析儀，選擇的中頻頻率應(yīng)高于調(diào)諧范圍的最高頻率，使本振可以從中頻調(diào)諧至調(diào)諧范圍的上限頻率加上中頻，同時(shí)在混頻器前端放置低通濾波器來濾除 IF 以下的頻率。

為了分辨頻率上非常接近的信號(hào)（見稍后的“信號(hào)分辨”一節(jié)），有些頻譜儀的中頻帶寬窄至 1 kHz，有些達(dá)到 10 Hz 甚至 1 Hz。這樣的窄帶濾波器很難在 5.1 GHz 的中心頻率上實(shí)現(xiàn)，因此必須增加另外的混頻級(jí)（一般為 2 至 4 級(jí)）來把第一中頻下變頻到最后的中頻。圖 2-5 是一種基于典型頻譜分析儀結(jié)構(gòu)的中頻變換鏈。

圖 2-5. 大多數(shù)頻譜分析儀使用 2 至 4 個(gè)混頻步驟以達(dá)到最后的中頻。

對應(yīng)的完整的調(diào)諧方程為：

可以看出它與僅僅使用第一個(gè)中頻的簡化調(diào)諧方程得到一樣的結(jié)果。雖然圖 2-5 中只畫出了無源濾波器，但實(shí)際還有更窄中頻級(jí)的放大。基于頻譜儀自身的設(shè)計(jì)，最終的中頻結(jié)構(gòu)可能還包括對數(shù)放大器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器等其他器件。

大多數(shù)射頻頻譜分析儀都允許本振頻率和第一中頻一樣低，甚至更低。由于本振和混頻器的中頻端口之間的隔離度有限，故本振信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)在混頻器輸出端。當(dāng)本振頻率等于中頻時(shí)，本振信號(hào)自身也被系統(tǒng)處理并在顯示器上出現(xiàn)響應(yīng)，就像輸入了一個(gè) 0 Hz 的信號(hào)一樣。這種響應(yīng)稱為本振饋通，它會(huì)掩蓋低頻信號(hào)。所以并不是所有的頻譜儀的顯示范圍都能包含 0 Hz。

中頻增益

再看圖 2-1，結(jié)構(gòu)框圖的下一個(gè)部分是一個(gè)可變增益放大器。它用來調(diào)節(jié)信號(hào)在顯示器上的垂直位置而不會(huì)影響信號(hào)在混頻器輸入端的電平。當(dāng)中頻增益改變時(shí)，基準(zhǔn)電平值會(huì)相應(yīng)的變化以保持所顯示信號(hào)指示值的正確性。通常，我們希望在調(diào)節(jié)輸入衰減時(shí)基準(zhǔn)電平保持不變，所以射頻衰減器和中頻增益的設(shè)置是聯(lián)動(dòng)的。

在輸入衰減改變時(shí)，中頻增益會(huì)自動(dòng)調(diào)整來抵消輸入衰減變化所產(chǎn)生的影響，從而使信號(hào)在顯示器上的位置保持不變。

信號(hào)分辨

中頻增益放大器之后，就是由模擬和/或數(shù)字分辨率帶寬（RBW）濾波器組成的中頻部分。

模擬濾波器

頻率分辨率是頻譜分析儀或信號(hào)分析儀明確分離出兩個(gè)正弦輸入信號(hào)響應(yīng)的能力。傅立葉理論告訴我們正弦信號(hào)只在單點(diǎn)頻率處有能量，好像我們不應(yīng)該有什么分辨率問題。兩個(gè)信號(hào)無論在頻率上多么接近，似乎都應(yīng)在顯示器上表現(xiàn)為兩條線。但是超外差接收機(jī)的顯示器上所呈現(xiàn)的信號(hào)響應(yīng)是具有一定寬度的。

混頻器的輸出包括兩個(gè)原始信號(hào)（輸入信號(hào)和本振）以及它們的和與差。中頻由帶通濾波器決定，此帶通濾波器會(huì)選出所需的混頻分量并抑制所有其他信號(hào)。由于輸入信號(hào)是固定的，而本振是掃頻的，故混頻器的輸出也是掃頻的。若某個(gè)混頻分量恰好掃過中頻，就會(huì)在顯示器上將帶通濾波器的特性曲線描繪出來，如圖 2-6 所示。鏈路中最窄的濾波器帶寬決定了總顯示帶寬。在圖 2-5 所示結(jié)構(gòu)中，該濾波器具有 22.5 MHz的中頻。

圖 2-6. 當(dāng)混頻分量掃過 IF 濾波器時(shí)，顯示器上描繪出濾波器的特性曲線。

因此，兩個(gè)輸入信號(hào)頻率必須間隔足夠遠(yuǎn)，否則它們所形成的跡線會(huì)在頂部重疊，看起來像是只有一個(gè)響應(yīng)。所幸的是，頻譜分析儀中的分辨率（IF）濾波器可調(diào)，所以通常能找到一個(gè)帶寬足夠窄的濾波器來分離頻率間隔很近的信號(hào)。

keysight頻譜分析儀或信號(hào)分析儀的技術(shù)資料列出了可用的 IF 濾波器的 3 dB 帶寬，以便描述頻譜儀分辨信號(hào)的能力。這些數(shù)據(jù)告訴我們兩個(gè)等幅正弦波相距多近時(shí)還能依然被分辨。這時(shí)由信號(hào)產(chǎn)生的兩個(gè)響應(yīng)曲線的峰值處有 3 dB 的凹陷，如圖 2-7 所示，兩個(gè)信號(hào)可以被分辨。當(dāng)然這兩個(gè)信號(hào)還可以再近一些直到它們的跡線完全重疊，但通常以 3 dB 帶寬作為分辨兩個(gè)等幅信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)值。

圖 2-7. 能夠分辨出間距等于所選 IF 濾波器 3 dB 帶寬的兩個(gè)等幅正弦信號(hào)。

如果采用標(biāo)準(zhǔn)（正態(tài)）檢波模式（見本章后面的“檢波類型”），需要使用足夠的視頻濾波平滑信號(hào)跡線，否則因兩個(gè)信號(hào)相互作用就會(huì)有拖尾現(xiàn)象。雖然拖尾的跡線指出了存在不止一個(gè)信號(hào)，但是很難測定每路信號(hào)的幅度。默認(rèn)檢波模式是正峰值檢波的頻譜儀顯示不出拖尾效應(yīng)，可以通過選擇取樣檢波模式來進(jìn)行觀察。

我們碰到更多的情況是不等幅正弦波。有可能較小的正弦波被較大信號(hào)響應(yīng)曲線的邊帶所淹沒。這種現(xiàn)象如圖 2-8 所示。頂部的跡線看起來是一個(gè)信號(hào)，但實(shí)際上它包含兩個(gè)：一個(gè)頻率為 300 MHz（0 dBm），另一個(gè)頻率為 300.005 MHz（-30 dBm）。在去除 300 MHz 的信號(hào)后，較小的信號(hào)才會(huì)顯示出來。

分辨率濾波器的另一個(gè)技術(shù)指標(biāo)是帶寬選擇性（也稱選擇性或形狀因子）。帶寬選擇性決定了頻譜儀分辨不等幅正弦信號(hào)的能力。是德科技頻譜分析儀的帶寬選擇性通常指定為 60 dB 帶寬與 3 dB 帶寬之比，如圖 2-9 所示。是德科技分析儀中的模擬濾波器具有 4 個(gè)極點(diǎn)，采用同頻調(diào)諧式設(shè)計(jì)，其特性曲線形狀類似高斯分布4。這種濾波器的帶寬選擇性約為 12.7:1。

那么，假定帶寬選擇性是 12.7:1，若要分辨頻率相差 4 kHz、幅度相差 30 dB 的兩個(gè)信號(hào)，應(yīng)如何選擇分辨率帶寬呢？

圖 2-8. 低電平信號(hào)被淹沒在較大信號(hào)響應(yīng)曲線的邊帶里

圖 2-9. 帶寬選擇性：60 dB 帶寬與 3 dB 帶寬之比

一些老式頻譜分析儀或信號(hào)分析儀對于最窄的分辨帶寬濾波器采用 5 個(gè)極點(diǎn)從而改善帶寬選擇性至 10:1。新型分析儀通過使用數(shù)字 IF 濾波器可以達(dá)到更好的帶寬選擇性。

由于我們關(guān)心的是當(dāng)分析儀調(diào)諧至較小信號(hào)時(shí)對較大信號(hào)的抑制情況，因此不需要考慮整個(gè)帶寬，而只需考慮從濾波器中心頻率到邊緣的頻率范圍。為確定在給定頻偏時(shí)濾波器邊帶下降了多少，使用如下方程：

圖 2-10. 帶寬為 3 kHz（上方跡線）不能分辨出較小信號(hào)，

帶寬減小到 1 kHz（下方跡線）時(shí)則能分辨

數(shù)字濾波器

一些頻譜分析儀使用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)分辨率帶寬濾波器。數(shù)字濾波器有很多優(yōu)點(diǎn)，例如它能極大地改善濾波器的帶寬選擇性。keysight的 PSA 系列和 X 系列分析儀實(shí)現(xiàn)了分辨率帶寬濾波器的全部數(shù)字化。另外像 Keysight ESA-E 系列頻譜儀，采用的是混合結(jié)構(gòu)：帶寬較大時(shí)采用模擬濾波器，帶寬小于等于 300 Hz 時(shí)采用數(shù)字濾波器。

剩余 FM

最小可用分辨率帶寬通常由分析儀中本振（尤其是第一本振）的穩(wěn)定度和剩余調(diào)頻決定。早期的頻譜儀設(shè)計(jì)使用不穩(wěn)定的 YIG （釔鐵石榴石）振蕩器，通常具有大約 1 kHz 的殘余調(diào)頻。由于這種不穩(wěn)定性被傳遞給與本振相關(guān)的混頻分量，再將分辨率帶寬減小至1KHz以下是沒有意義的，因?yàn)椴豢赡艽_定這種不穩(wěn)定性的準(zhǔn)確來源。

不過，現(xiàn)代分析儀已經(jīng)極大的改善了殘余調(diào)頻。比如是德科技高性能 X 系列信號(hào)分析儀具有 0.25 Hz（標(biāo)稱值）的剩余調(diào)頻；PSA 系列頻譜分析儀為 1 至 4 Hz；ESA 系列頻譜儀為 2 至 8 Hz。這使得分辨率帶寬可以減小至 1 Hz。因此，分析儀上出現(xiàn)的任何不穩(wěn)定性都是由輸入信號(hào)造成的。

相位噪聲

沒有一種振蕩器是絕對穩(wěn)定的。雖然我們看不到頻譜分析儀本振系統(tǒng)的實(shí)際頻率抖動(dòng)，但仍能觀察到本振頻率或相位不穩(wěn)定性的明顯表征，這就是相位噪聲（有時(shí)也叫噪聲邊帶）。

它們都在某種程度上受到隨機(jī)噪聲的頻率或相位調(diào)制的影響。如前所述，本振的任何不穩(wěn)定性都會(huì)傳遞給由本振和輸入信號(hào)所形成的混頻分量，因此本振相位噪聲的調(diào)制邊帶會(huì)出現(xiàn)在幅度遠(yuǎn)大于系統(tǒng)寬帶底噪的那些頻譜分量周圍（圖 2-11）。顯示的頻譜分量和相位噪聲之間的幅度差隨本振穩(wěn)定度而變化，本振越穩(wěn)定，相位噪聲越小。它也隨分辨率帶寬而變，若將分辨率帶寬縮小 10 倍，顯示相位噪聲電平將減小 10 dB5。

圖 2-11.只有當(dāng)信號(hào)電平遠(yuǎn)大于系統(tǒng)底噪時(shí)，才會(huì)顯示出相位噪聲

相位噪聲頻譜的形狀與分析儀的設(shè)計(jì)，尤其是用來穩(wěn)定本振的鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)有關(guān)。在某些分析儀中，相位噪聲在穩(wěn)定環(huán)路的帶寬中相對平坦，而在另一些分析儀中，相位噪聲會(huì)隨著信號(hào)的頻偏而下降。相位噪聲采用 dBc（相對于載波的 dB 數(shù)）為單位，并歸一化至 1 Hz 噪聲功率帶寬。有時(shí)在特定的頻偏上指定，或者用一條曲線來表示一個(gè)頻偏范圍內(nèi)的相位噪聲特性。

通常，我們只能在分辨率帶寬較窄時(shí)觀察到頻譜儀的相位噪聲，此時(shí)相位噪聲使這些濾波器的響應(yīng)曲線邊緣變得模糊。使用前面介紹過的數(shù)字濾波器也不能改變這種效果。對于分辨率帶寬較寬的濾波器，相位噪聲被掩埋在濾波器響應(yīng)曲線的邊帶之下，正如之前討論過的兩個(gè)非等幅正弦波的情況。

一些現(xiàn)代頻譜分析儀或信號(hào)分析儀允許用戶選擇不同的本振穩(wěn)定度模式，使得在各種不同的測量環(huán)境下都能具備最佳的相位噪聲。例如，高性能 X 系列信號(hào)分析儀提供 3 種模式：

– 距載波頻偏小于 140 kHz 時(shí)的相位噪聲優(yōu)化。在此模式下，載波附近的本振相位噪聲被優(yōu)化，而 140 kHz 之外的相位噪聲不具備最優(yōu)特性。

– 距載波頻偏大于 160 kHz 時(shí)的相位噪聲優(yōu)化。這種模式優(yōu)化距載波頻偏大于 160 KHz 處的相位噪聲。

– 優(yōu)化本振用于快速調(diào)諧。當(dāng)選擇這種模式，本振的特性將折衷所有距載波頻偏小于 2 MHz 范圍內(nèi)的相位噪聲。這樣在改變中心頻率或掃寬時(shí)允許在最短的測量時(shí)間內(nèi)保證最大的測量吞吐量。

圖 2-12a. 相位噪聲性能在不同測量環(huán)境下的優(yōu)化

圖 2-12b. 距載波頻偏為 140 kHz 處的詳細(xì)顯示

高性能 X 系列信號(hào)分析儀的相位噪聲優(yōu)化還可以設(shè)為自動(dòng)模式，這時(shí)頻譜儀會(huì)根據(jù)不同的測量環(huán)境來設(shè)置儀器，使其具有最佳的速度和動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)掃寬 > 44.44 MHz 或分辨率帶寬 > 1.9 MHz 時(shí)，分析儀選擇快速調(diào)諧模式。另外，當(dāng)中心頻率< 195 kHz 或當(dāng)中心頻率 ≥ 1 MHz 且掃寬 ≤ 1.3 MHz、分辨率帶寬 ≤ 75 kHz 時(shí)，分析儀自動(dòng)選擇最佳近端載波相位噪聲。在其他情況下，分析儀會(huì)自動(dòng)選擇遠(yuǎn)端最佳相位噪聲。

在任何情況下，相位噪聲都是頻譜分析儀或信號(hào)分析儀分辨不等幅信號(hào)能力的最終限制因素。如圖 2-13所示，根據(jù) 3 dB 帶寬和選擇性理論，我們應(yīng)該能夠分辨出這兩個(gè)信號(hào)，但結(jié)果是相位噪聲掩蓋了較小的信號(hào)。

圖 2-13. 相位噪聲阻礙了對非等幅信號(hào)的分辨

掃描時(shí)間

模擬分辨率濾波器

如果把分辨率作為評價(jià)頻譜儀的唯一標(biāo)準(zhǔn)，似乎將頻譜儀的分辨率（IF）濾波器設(shè)計(jì)得盡可能窄就可以了。然而，分辨率會(huì)影響掃描時(shí)間，而我們又非常注重掃描時(shí)間。因?yàn)樗苯佑绊懲瓿梢淮螠y量所需的時(shí)間。

考慮分辨率的原因是由于中頻濾波器是帶限電路，需要有限的時(shí)間來充電和放電。如果混頻分量掃過濾波器的速度過快，便會(huì)造成如圖 2-14 所示的顯示幅度的丟失。（關(guān)于處理中頻響應(yīng)時(shí)間的其他方法，見本章后面所述的“包絡(luò)檢波器”。）如果我們考慮混頻分量停留在中頻濾波器通帶內(nèi)的時(shí)間，則這個(gè)時(shí)間與帶寬成正比，與單位時(shí)間內(nèi)的掃描（Hz）成反比，即：

通帶內(nèi)的時(shí)間 =

許多模擬分析儀中所采用的同步調(diào)諧式準(zhǔn)高斯濾波器的 k 值在 2 至 3 之間。

圖 2-14. 掃描過快引起顯示幅度的下降和所指定頻率的偏移

我們得出的重要結(jié)論是：分辨率的變化對掃描時(shí)間有重大影響。老式模擬分析儀通常都能按 1、3、10 的規(guī)律或大致等于 10 的平方根的比率提供步進(jìn)值。所以，當(dāng)分辨率每改變一檔，掃描時(shí)間會(huì)受到約 10 倍的影響。Keysight X 系列信號(hào)分析儀提供的帶寬步進(jìn)可達(dá) 10%，以實(shí)現(xiàn)掃寬、分辨率和掃描時(shí)間三者更好的折衷。

頻譜分析儀一般會(huì)根據(jù)掃寬和分辨率帶寬的設(shè)置自動(dòng)調(diào)整掃描時(shí)間，通過調(diào)節(jié)掃描時(shí)間來維持一個(gè)被校準(zhǔn)的顯示。必要時(shí)，我們可以不使用自動(dòng)調(diào)節(jié)而采用手動(dòng)方式設(shè)定掃描時(shí)間。如果所要求的掃描時(shí)間比提供的最大可用掃描時(shí)間還短，頻譜儀會(huì)在網(wǎng)格線右上方顯示“Meas Uncal”以表示顯示結(jié)果未經(jīng)校準(zhǔn)。

數(shù)字分辨率濾波器

是德科技頻譜分析儀或信號(hào)分析儀中所使用的數(shù)字分辨率濾波器對掃描時(shí)間的影響與之前所述的模擬濾波器不同。對于掃描分析，利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)的濾波器在不進(jìn)行更深入處理的條件下，掃描速度提高至原來的 2 至 4倍。

而配有選件 FS1 的 X 系列信號(hào)分析儀利用編程方法可以校正分辨率帶寬在大約 3 kHz 至 100 kHz 之間時(shí)掃描速度過快的影響。因此取決于特定的設(shè)置，掃描時(shí)間可以從秒級(jí)縮短到毫秒級(jí)。見圖 2-14a。不包括校正過程的掃描時(shí)間將達(dá)到 79.8 秒。圖 2-14b 顯示了分析儀配有選件 FS1 時(shí)，掃描時(shí)間達(dá) 1.506 秒。對于這些最寬的分辨率帶寬，掃描時(shí)間已經(jīng)非常短。例如，在 k = 2、1 GHz 掃寬、1 MHz 分辨率帶寬條件下，使用公式計(jì)算得出掃描時(shí)間僅為 2 毫秒。

對于較窄的分辨率帶寬，Keysight 頻譜分析儀或信號(hào)分析儀使用快速傅立葉變換（FFT）來處理數(shù)據(jù)，因此掃描時(shí)間也會(huì)比公式預(yù)計(jì)的時(shí)間短。由于被分析的信號(hào)是在多個(gè)頻率范圍中進(jìn)行處理，所以不同的分析儀會(huì)有不同的性能表現(xiàn)。例如，如果頻率范圍為 1 kHz，那么當(dāng)我們選擇 10 Hz 的分辨率帶寬時(shí)，分析儀實(shí)際上是在 1 kHz 單元中通過 100 個(gè)相鄰的 10 Hz 濾波器同時(shí)處理數(shù)據(jù)。如果數(shù)字處理的速度能達(dá)到瞬時(shí)，那么可以預(yù)期掃描時(shí)間將縮短 100 倍。實(shí)際上縮減的程度要小些，但仍然非常有意義。

圖 2-14a. 20 kHz RBW、未配有選件 FS1 時(shí)的全掃寬掃描速度

圖 2-14b. 20 kHz RBW、配有選件 FS1 時(shí)的全掃寬掃描速度

包絡(luò)檢波器

老式分析儀通常會(huì)使用包絡(luò)檢波器將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)7。最簡單的包絡(luò)檢波器由二極管、負(fù)載電阻和低通濾波器組成，如圖 2-15 所示。示例中的中頻鏈路輸出信號(hào)（一個(gè)幅度調(diào)制的正弦波）被送至檢波器，檢波器的輸出響應(yīng)隨中頻信號(hào)的包絡(luò)而變化，而不是中頻正弦波本身的瞬時(shí)值。

對大多數(shù)測量來說，我們選擇足夠窄的分辨率帶寬來分辨輸入信號(hào)的各個(gè)頻譜分量。如果本振頻率固定，頻譜儀則調(diào)諧到信號(hào)的其中一個(gè)頻譜分量上，那么中頻輸出就是一個(gè)恒定峰值的穩(wěn)定正弦波。于是包絡(luò)檢波器的輸出將是一個(gè)恒定（直流）電壓，并沒有需要檢波器來跟蹤的變化。

不過，有些時(shí)候我們會(huì)故意使分辨率帶寬足夠?qū)捯园瑑蓚€(gè)或更多的頻譜分量，而有些場合則別無選擇，因?yàn)檫@些頻譜分量之間的頻率間隔比最窄的分辨率帶寬還要小。假設(shè)通帶內(nèi)只含兩個(gè)頻譜分量，則兩個(gè)正弦波會(huì)相互影響而形成拍音，如圖 2-16 所示，中頻信號(hào)的包絡(luò)會(huì)隨著兩個(gè)正弦波間的相位變化而變化。

分辨率（中頻）濾波器的帶寬決定了中頻信號(hào)包絡(luò)變化的最大速率。該帶寬決定了兩個(gè)輸入正弦波之間有多大的頻率間隔從而在經(jīng)混頻后能夠同時(shí)落在濾波器通帶內(nèi)。假設(shè)末級(jí)中頻為 22.5 MHz，帶寬為 100 kHz，那么兩個(gè)間隔 100 kHz 的輸入信號(hào)會(huì)產(chǎn)生 22.45 和 22.55 MHz 的混頻分量，因而滿足上述標(biāo)準(zhǔn)，如圖 2-16 所示。檢波器必須能夠跟蹤由這兩個(gè)信號(hào)所引起的包絡(luò)變化，而不是 22.5 MHz 中頻信號(hào)本身的包絡(luò)。

包絡(luò)檢波器使頻譜分析儀成為一個(gè)電壓表。讓我們再次考慮上述中頻通帶內(nèi)同時(shí)有兩個(gè)等幅信號(hào)的情況，功率計(jì)所指示的電平值會(huì)比任何一個(gè)信號(hào)都要高 3 dB，也就是兩個(gè)信號(hào)的總功率。假定兩個(gè)信號(hào)靠得足夠近，以致分析儀調(diào)諧至它們中間時(shí)由于濾波器的頻響跌落而引起的衰減可以忽略不計(jì)。（對于這里所討論的內(nèi)容，我們假設(shè)濾波器具有理想的矩形特性。）

那么分析儀的顯示將在任一信號(hào)電平 2 倍的電壓值（大于 6 dB）與 0（在對數(shù)標(biāo)度下為負(fù)無窮大）之間變化。記住這兩個(gè)信號(hào)是不同頻率的正弦信號(hào)（矢量），所以它們彼此之間的相位也在不斷變化，有時(shí)剛好同相，幅值相加，而有時(shí)又剛好反相，則幅值相減。

因此，包絡(luò)檢波器根據(jù)來自中頻鏈路的信號(hào)峰值（而不是瞬時(shí)值）的變化而改變，導(dǎo)致信號(hào)相位的丟失，這將電壓表的特性賦予了頻譜分析儀。

數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)的分辨率帶寬濾波器不包括模擬的包絡(luò)檢波器，而是用數(shù)字處理計(jì)算出 I、Q 兩路數(shù)據(jù)平方和的方根，這在數(shù)值上與包絡(luò)檢波器的輸出相同。

一種頻率范圍從零（直流）到由電路元件決定的某個(gè)較高頻率的信號(hào)。頻譜儀早期的模擬顯示技術(shù)用這種信號(hào)直接驅(qū)動(dòng) CRT 的垂直偏轉(zhuǎn)，因此被稱為視頻信號(hào)。

顯示

直到 20 世紀(jì) 70 年代中期，頻譜分析儀的顯示方式還是純模擬的。顯示的跡線呈現(xiàn)連續(xù)變化的信號(hào)包絡(luò)，且沒有信息丟失。但是模擬顯示有著自身的缺點(diǎn)，主要的問題是處理窄分辨率帶寬時(shí)所要求的掃描時(shí)間很長。在極端情況下，顯示跡線會(huì)變成一個(gè)在陰極射線顯像管（CRT）屏幕上緩慢移動(dòng)的光點(diǎn)，而沒有實(shí)際的跡線。所以，長掃描時(shí)間使顯示變得沒有意義。

是德科技（當(dāng)時(shí)是惠普的一部分）率先提出了一種可變余輝存儲(chǔ)的 CRT，能在它上面調(diào)節(jié)顯示信息的消退速率。如果調(diào)節(jié)適當(dāng)，那么在舊跡線剛剛消失的時(shí)刻新的跡線恰好出現(xiàn)以更新顯示。這種顯示是連續(xù)、無閃爍的，而且避免了跡線重疊帶來的混淆。它的效果相當(dāng)好，但是針對每個(gè)新的測量狀態(tài)需要重新調(diào)整亮度和消退速度。

20 世紀(jì) 70 年代中期，數(shù)字電路發(fā)展起來，它很快被用于頻譜分析儀中。一旦一條跡線被數(shù)字化并存入存儲(chǔ)器后，便永久地用于顯示。在不使圖像變得模糊或變淡的前提下，以無閃爍的速率來刷新顯示變得簡單。在不使圖像變得模糊或變淡的前提下，以無閃爍的速率來刷新顯示變得簡單。

圖 2-17. 對模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，每個(gè)點(diǎn)應(yīng)顯示什么樣的值？