中心議題：

• 掃頻頻譜分析儀原理
• 影響頻譜分析儀頻率分辨率的因素

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(頻率範圍

、頻率分辨率)和幅度指標(動態範圍、失真、靈敏度)是它的重要技術指標。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，廣泛用於測量信號的電平。諧波失真、交調失真、排除幹擾信號、weixingzhuanfaqipinpuzhanyongqingkuangdeng，erhenduoyingyongzheduipinpufenxiyidepinlvfenbianlvdegainianbushihenqingchu，benwenzhuyaojiuyingxiangpinpufenxiyipinlvfenbianlvzhibiaodeyinsujinxingfenxi。

1 掃頻頻譜分析儀原理

頻譜分析儀從頻譜測試的實現技術上可分為兩類：使用傅裏葉變換(FFT)技術的數字頻譜分析儀和使用模擬濾波器的模擬頻譜分析儀(包括並行濾波器頻譜儀和掃頻式頻譜儀)。數字頻譜分析儀使用數值計算的方法處理一定時間周期的信號，可提供頻率
、幅fu度du和he相xiang位wei信xin息xi，對dui周zhou期qi信xin號hao和he非fei周zhou期qi信xin號hao均jun能neng分fen析xi。特te點dian是shi速su度du快kuai，精jing度du高gao，適shi合he分fen析xi窄zhai帶dai信xin號hao。模mo擬ni頻pin譜pu分fen析xi儀yi的de掃sao頻pin式shi頻pin譜pu分fen析xi儀yi是shi目mu前qian最zui常chang見jian的de類lei型xing
，在zai掃sao頻pin頻pin譜pu分fen析xi中zhong普pu遍bian采cai用yong超chao外wai差cha式shi方fang式shi。掃sao頻pin式shi頻pin譜pu分fen析xi儀yi可ke分fen析xi穩wen定ding和he周zhou期qi變bian化hua信xin號hao，提ti供gong信xin號hao幅fu度du和he頻pin率lv信xin息xi
，適shi合he寬kuan頻pin帶dai寬kuan的de快kuai速su掃sao描miao試shi驗yan。Agilent的ESA係列經濟型頻譜分析儀和HP8563等都屬於掃頻頻譜分析儀
，其簡化原理框圖見圖1，掃sao頻pin頻pin譜pu儀yi實shi際ji上shang是shi多duo級ji混hun頻pin結jie構gou。這zhe種zhong分fen析xi方fang法fa最zui核he心xin的de部bu分fen是shi它ta的de混hun頻pin器qi和he中zhong頻pin濾lv波bo器qi。混hun頻pin器qi將jiang被bei測ce信xin號hao下xia變bian至zhi中zhong頻pin
，然ran後hou在zai中zhong頻pin上shang進jin行xing處chu理li，得de到dao幅fu度du。本ben地di振zhen蕩dang器qi采cai用yong掃sao頻pin振zhen蕩dang器qi，它ta的de輸shu出chu信xin號hao與yu被bei測ce信xin號hao中zhong的de各ge個ge頻pin率lv分fen量liang在zai混hun頻pin器qi內nei依yi次ci進jin行xing差cha頻pin變bian換huan，所suo產chan生sheng的de中zhong頻pin信xin號hao通tong過guo中zhong頻pin窄zhai帶dai濾lv波bo器qi後hou再zai經jing放fang大da和he檢jian波bo，加jia到dao視shi頻pin放fang大da器qi作zuo示shi波bo管guan的de垂chui直zhi偏pian轉zhuan信xin號hao，使shi屏ping幕mu上shang的de垂chui直zhi顯xian示shi正zheng比bi於yu各ge頻pin率lv分fen量liang的de幅fu值zhi。本ben地di振zhen蕩dang器qi的de掃sao頻pin由you鋸ju齒chi波bo掃sao描miao發fa生sheng器qi所suo產chan生sheng的de鋸ju齒chi電dian壓ya控kong製zhi，鋸ju齒chi波bo電dian壓ya同tong時shi還hai用yong作zuo示shi波bo管guan的de水shui平ping掃sao描miao，從cong而er使shi屏ping幕mu上shang的de水shui平ping顯xian示shi正zheng比bi於yu頻pin率lv。

圖1 掃頻頻譜分析儀原理框圖

2 影響頻譜分析儀頻率分辨率的因素

pinpufenxiyidepinlvfenbianlvshitaqufenlinjinpinlvfenliangdenengli。henduoxinhaoceshiyaoqiupinpuyijuyoujiaogaodepinlvfenbianlv，zhiyoudangpinpufenxiyidefenbiannenglizugougaoshi，caihuizaipingmushangzhengquefanyingxinhaodetexing。pinpufenxiyidepinlvfenbianlvyuqineibudezhongpinlvboqihebendizhendangqidexingnengyouguan。zhongpinlvboqideleixing、3 dB帶寬、頻率選擇性和本地振蕩器的本振殘餘調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
zhongpinlvboqidegongnengshifenbianbutongpinlvxinhao。tashipinpufenxiyizhongdeguanjianbufen，shiyigezhongxinpinlvgudingdezhaidailvboqi，zhiyougaibianbendizhendangdesaopinxinhaopinlvcainengdadaoxuanpinmude。pinpufenxiyihunpinhoudepinlvruguoluozaizhongpinlvboqitongdainei

，xianshiqishangcaihuixianshigaipinlv
，ruguohunpinhoupinlvbudengyuzhongpin
，zebeizhongpinlvboqisuozudang。lixiangdanzaiboxinhaozaisaopinpinpuyiceshixianshidexingzhuangshilvboqidepinxiangxingzhuang。zhongpinlvboqidexingzhuangtongguoqidaikuan(3 dB或6 dB)和頻率選擇性得到定義
，其3 dB帶寬和矩形係數影響頻譜儀的許多關鍵指標，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個等幅信號之間頻率差為中頻濾波器的3 dB帶寬時，合成響應曲線仍有2個峰值
，中間下沉大約3 dB，認為它們是可分辨的，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，經濟型的為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。 

圖2是不同分辨率帶寬頻譜的顯示，可以看到分辨率帶寬RBW=10 kHz時不能辨別出載波形狀，分辨率帶寬RBW=1 kHz時可以清楚地辨別出載波形狀。

圖2 分辨率帶寬對頻譜的影響[page]

結論：如果兩信號的間隔大於或等於所設置分辨率帶寬RES BW
，2個等幅信號就可以分辨出來
，如果小於所選用的RES BW
，這兩個信號是無法分辨的。頻譜分析儀的RES BW越小，其頻率分辨率越高。

2.1.2 頻率選擇性對頻率分辨率的影響
中頻濾波器的頻率選擇性是中頻濾波器的60 dB帶寬與3 dB帶寬之比，如圖3所示。它反映了頻譜儀分辨不等幅信號的能力
，對於幅度相差60 dB的2個信號
，其間隔至少是60 dB帶寬的一半

，才可以分辨出2個信號，否則小信號可能被淹沒在大信號的裙邊中。用數字化技術實現的窄帶帶通濾波器頻率選擇性可達到5：1，模擬濾波器頻率選擇性可達到15：1或11：1。圖3為濾波器的頻率選擇性示意圖。

圖3 濾波器的頻率選擇性示意圖

下麵舉例說明不同頻率分辨率和頻率選擇性對分辨不等幅信號的影響。如果RES BW為3 kHz濾波器的頻率選擇性為15：1，於是濾波器下降60 dB的帶寬是45 kHz，60 dB的帶寬一半是22．5 kHz，那麼距離大信號22．5 kHz以外-60 dBc的信號是可以檢測到的。如果換接到另外一個RES BW為1 kHz頻率選擇性為15：1窄帶濾波器，於是濾波器下降60 dB的帶寬是15 kHz，60 dB的帶寬一半是7．5 kHz，那麼距離大信號7．5 kHz以外～60 dBc的信號是可以檢測到的。或者換接到另外一個RES BW為3 kHz頻率選擇性為5：1的濾波器
，於是濾波器下降60 dB的帶寬是45 kHz，60 dB的帶寬1／2是7．5 kHz那麼距離大信號7．5 kHz以外-60 dBc的信號是可以檢測到的。圖4是頻率選擇性為15：1中的頻濾波器RES BW=1 kHz，RES BW=10 kHz時，頻譜分析儀測量結果，可以看到在RES BW=1 kHz時，距離大信號7．5 kHz以外-60 dBc的信號是可以檢測到的。

圖4 頻率選擇性和 RES BW 對頻率分辨率的影響

結論：pinpufenxiyidepinlvxuanzexingyuexiao
，qiduibudengfuxinhaodefenbiannengliyueqiang，danyitaipinpufenxiyidepinlvxuanzexingshigudingbubiande，erfenbianlvdaikuanshikebiande，suoyizaiceliangweixiaoxinhaoshi，ketongguojinkenengjiangfenbianlvdaikuandazhai，jianxiaopingjunxianshizaoshengdianping
，dadaoceliangxiaoguo。

2.2 本地振蕩器對頻率分辨率的影響
本地振蕩器對頻率分辨率有影響是因為中頻信號來源於輸入信號與本振信號的混頻，2個信號的噪聲是功率相加關係。

2.2.1 殘留調頻對頻率分辨率的影響
殘留調頻是描述本振穩定性的一個指標，對於一般的2～6 GHz調諧的微波鐵氧體器件(Yttrium Iron Garnet，YIG)微波振蕩器，其殘留調頻大約為1 kHz或huo更geng大da。中zhong頻pin出chu現xian這zhe種zhong不bu穩wen定ding性xing很hen難nan判pan斷duan是shi出chu自zi信xin號hao本ben身shen還hai是shi本ben振zhen，因yin為wei即ji使shi輸shu入ru信xin號hao頻pin率lv是shi不bu變bian的de，但dan由you於yu本ben振zhen信xin號hao的de頻pin率lv變bian化hua在zai顯xian示shi器qi上shang也ye將jiang直zhi接jie表biao現xian輸shu入ru信xin號hao的de頻pin率lv變bian化hua，根gen本ben無wu法fa確que定ding是shi信xin號hao頻pin率lv變bian化hua，還hai是shi本ben振zhen信xin號hao頻pin率lv變bian化hua引yin起qi的de。本ben振zhen殘can留liu調tiao頻pin的de影ying響xiang在zaiRES BW很寬時是看不到的，由於本振殘留調頻引起的響應曲線變化都隱藏在中頻濾波器帶寬之內，隻有當RES BW小於本振剩餘調頻的峰一峰寬度時才有明顯的顯示
，如圖5所示。當RES BWshezhihenxiaoshi，pinpubianyuancucaoerbuguize
，chuxianjianfeng，zhejiushicanyutiaopin。youcikejian

，pinpufenxiyidecanliutiaopinjuedinglekeyunxudezuixiaofenbianlvdaikuan，tongyangyejuedingledengfuxinhaodezuixiaojiange。

圖5 殘留調頻對頻率分辨率的影響[page]

鎖(suo)相(xiang)本(ben)振(zhen)作(zuo)為(wei)參(can)考(kao)源(yuan)可(ke)提(ti)高(gao)殘(can)留(liu)調(tiao)頻(pin)指(zhi)標(biao)，也(ye)降(jiang)低(di)了(le)最(zui)小(xiao)可(ke)允(yun)許(xu)的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)。高(gao)性(xing)能(neng)的(de)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)價(jia)格(ge)較(jiao)高(gao)，因(yin)為(wei)它(ta)采(cai)用(yong)高(gao)性(xing)能(neng)鎖(suo)相(xiang)本(ben)振(zhen)源(yuan)，具(ju)有(you)較(jiao)低(di)的(de)殘(can)留(liu)調(tiao)頻(pin)和(he)較(jiao)小(xiao)的(de)最(zui)小(xiao)分(fen)辨(bian)率(lv)帶(dai)寬(kuan)。

結論：頻譜儀的最小分辨帶寬，在一定程度上是由本地振蕩器的穩定性決定的，低成本的本地振蕩器：RES BW可達到1 kHz，中等性(穩頻)能本地振蕩器：RES BW可達到100 Hz

，高性能(頻率合成技術)本地振蕩器：RES BW可達到1Hz。

2.2.2 本振相位噪聲對頻率分辨率的影響
由於頻譜分析儀的本振信號頻率不可能是絕對的穩定
，總是有一定的頻率抖動，這種隨機的頻率變化稱為相位噪聲(或邊帶噪聲)。相位噪聲是由本振頻率不穩定引起的，其值是本振頻率穩定度的函數，本振頻率越穩定相位噪聲越小，當頻譜分析儀的RES BW設置較寬時
，相位噪聲信號將隱藏在濾波器的響應帶寬曲線之下。因此，測量頻譜分析儀的相位噪聲一般在中頻濾波器RES BWshezhiweizuizhaidetiaojianxiaceliang。benzhenxiangweizaoshengzhuyaoyingxiangbutongfududepinlvfenliangzhijianshifoukefenbian，fenbianlianggepinlvjiejinxinhaodeqiantishixiangweizaoshengbunengyanmeixiaoxinhao。xiangweizaoshengxianshihefenbianlvdaikuanRBW相關，降低分辨率帶寬RBW
，可(ke)降(jiang)低(di)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)顯(xian)示(shi)值(zhi)。由(you)於(yu)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)的(de)影(ying)響(xiang)
，頻(pin)率(lv)相(xiang)近(jin)的(de)信(xin)號(hao)
，特(te)別(bie)是(shi)幅(fu)度(du)遠(yuan)小(xiao)於(yu)另(ling)一(yi)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)率(lv)相(xiang)近(jin)的(de)信(xin)號(hao)將(jiang)隱(yin)藏(zang)在(zai)大(da)信(xin)號(hao)的(de)響(xiang)應(ying)曲(qu)線(xian)之(zhi)內(nei)，使(shi)其(qi)無(wu)法(fa)分(fen)辨(bian)
，隻(zhi)有(you)將(jiang)RES BW設置足夠小

，降低相位噪聲顯示值，才能分辨出小信號。圖6為相位噪聲對不等幅信號分辨率的影響。

圖6 相位噪聲對不等幅信號分辨率的影響

結論：信(xin)號(hao)在(zai)頻(pin)譜(pu)顯(xian)示(shi)的(de)噪(zao)聲(sheng)邊(bian)帶(dai)來(lai)源(yuan)於(yu)本(ben)振(zhen)的(de)頻(pin)率(lv)不(bu)穩(wen)定(ding)性(xing)
，這(zhe)個(ge)噪(zao)聲(sheng)可(ke)能(neng)掩(yan)蓋(gai)靠(kao)近(jin)載(zai)波(bo)低(di)電(dian)平(ping)信(xin)號(hao)。剩(sheng)餘(yu)調(tiao)頻(pin)和(he)中(zhong)頻(pin)濾(lv)波(bo)器(qi)帶(dai)寬(kuan)等(deng)對(dui)非(fei)等(deng)幅(fu)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)也(ye)是(shi)有(you)影(ying)響(xiang)的(de)
，但(dan)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)的(de)相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)是(shi)其(qi)所(suo)能(neng)測(ce)量(liang)非(fei)等(deng)幅(fu)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)極(ji)限(xian)值(zhi)。

3 結語

本文對中頻濾波頻率選擇性、分辨率帶寬RESBW、本ben地di振zhen蕩dang器qi的de殘can留liu調tiao頻pin和he相xiang位wei噪zao聲sheng等deng參can數shu進jin行xing了le仔zai細xi解jie析xi
，使shi讀du者zhe從cong理li論lun上shang理li解jie這zhe些xie參can數shu的de定ding義yi和he它ta們men與yu頻pin譜pu分fen析xi儀yi頻pin率lv分fen辨bian率lv之zhi間jian的de關guan係xi。在zai選xuan購gou頻pin譜pu時shi，可ke根gen據ju實shi際ji測ce量liang要yao求qiu選xuan擇ze合he適shi的de頻pin率lv選xuan擇ze性xing和he本ben地di振zhen蕩dang器qi的de性xing能neng，因yin為wei頻pin譜pu儀yi一yi旦dan選xuan定ding，頻pin率lv選xuan擇ze性xing和he振zhen蕩dang器qi的de性xing能neng是shi無wu法fa改gai變bian的de。在zai實shi際ji測ce量liang中zhong可ke以yi通tong過guo調tiao整zheng分fen辨bian率lv帶dai寬kuan取qu得de科ke學xue測ce試shi結jie果guo，兩liang等deng幅fu信xin號hao的de間jian隔ge大da於yu或huo等deng於yu所suo選xuan用yong分fen辨bian率lv濾lv波bo器qi的de寬kuan度du，2個等幅信號就可以分辨出來了
，對於測量幅度不等而頻率又比較靠近的信號，在具體測試時除了考慮分辨率帶寬RES BW，還需考慮頻率選擇性，頻率選擇性越小
，對不等幅信號的分辨能力越強。