频谱分析仪调幅信号测量分析
2015-08-27
一、概述
随着科技的不断发展，无论在航天、航空、航海、通讯等方面都离不开对信号频谱的分析。频谱分析仪主要用于频谱分析，也可测量频率、电平、衰减、调制、失真、抖动等，还广泛应用于通讯、雷达、导航、电子对抗、空间技术、卫星地面站、频率管理、信号监测、EMI诊断、E M C测量等方面，是发挥军用电子元器件、军用整机系统等部门科研、生产、测试、试验、计量的必备仪器。
二、频谱分析仪的组成及工作原理
图1所示为扫频调谐超外差频谱分析仪组成框图。输入信号经衰减器以限制信号幅度，经低通输入滤波器滤除不需的频率，然后经混频器与本振(LO)信号混频将输入信号转换到中频(IF)。LO的频率由扫频发生器控制。随着LO频率的改变，混频器的输出信号(它包括两个原始信号，它们的和、差及谐波，)由分辨力带宽滤波器滤出本振比输入信号高的中频，并以对数标度放大或压缩。然后用检波器对通过IF滤波器的信号进行整流，从而得到驱动显示垂直部分的直流电压。随着扫频发生器扫过某一频率范围，屏幕上就会画出一条迹线。该迹线示出了输入信号在所显示频率范围内的频率成分。
三、频谱仪各部分作用及显示信号分析
输入衰减器：保证频谱仪在宽频范围内保持良好匹配特性，以减小失配误差;保护混频器及其它中频处理电路，防止部件损坏和产生过大的非线性失真。
混频器：完成信号的频谱搬移，将不同频率输入信号变换到相应中频。在低频段(<3GHz)利用高混频和低通滤波器抑制镜像干扰;在高频段(>3GHz)利用带通跟踪滤波器抑制镜像干扰。
本振(LO)：它是一个压控振荡器，其频率是受扫频发生器控制的。其频率稳定度锁相于参考源。
扫频发生器：除了控制本振频率外，它也能控制水平偏转显示，锯齿波扫描使频谱仪屏幕上从左到右显示信号，然后重复这个扫描不断更新迹线。扫频宽度(Span)是从左fstart到右fstop10格的频率差，例如：Span=1MHz,则100kHz/div.
中频放大器：其增益和衰减器设置值连动工作，即当输入衰减10dB时，则中频增益同时增加10dB,使输入信号电平保持不变。屏幕顶格线参考电平间接设置中频增益值。当参考电平↑(或↓)10dB,则增益↓(或↑)使信号↓移(或↑移)10dB,即改变信号显示位置，但信号幅度保持不变。当输入衰减增加10dB时，信噪比减小10dB.这是因为输入衰减在混频器之前，只对信号电平进行衰减，而噪声是混频以后产生的，为保证输入信号电平不变，混频后的信号要相应地放大10dB,这样噪声也就跟着相应地放大，即噪声电平增加10dB.
中频滤波器：也称分辨力带宽滤波器，用来分辨不同频率的信号。它只允许本振信号减去输入信号的差频等于中频时，才能通过中频滤波器，最后在屏幕上显示。其它干扰信号将被抑制掉。
中频滤波器的3dB带宽也称作分辨力带宽(RBW)。之所以在频谱仪上信号不可能显示为无线细的线，而是有一定的宽度，是因为当调谐通过信号时，其形状是频谱仪自身分辨带宽(IF滤波器)形状的显示。当改变RBW时，就改变了显示响应的宽度。
RBW越小，其频率分辨率越高。RBW减小10倍，则减小10倍的噪声能量到达检波器，并且显示的平均噪声电平将减小10dB,反之相反。噪声电平变化ΔdB=10log(RBWnew/RBWold)=10log(1kHz/10kHz)=-10dB.
检波器：它将输入信号功率转换为输出视频电压，该电压值对应输入信号功率。当频谱分析仪扫频宽度Span=0时，包络检波器将对输入信号进行解调，作为工作在中心频率(CF)，带宽为RBW的接收机(时域方式)，显示信号包络波形。
视频滤波器：是平滑噪声显示的。
它是对检波器输出视频信号进行低通滤波平均处理来平滑显示的。减小视频带宽(VBW)，可对频谱显示中的噪声抖动进行平滑，从而减小显示抖动的范围。这样有利频谱仪发现淹没在噪声中的小功率连续波(CW)信号，还可提高测量的重复性。
显示：等效于调幅收音机中的扬声器。z6尊龙凯时看到的每个频率的幅度正是z6尊龙凯时调谐调幅收音机时所听到的每个频率的幅度，信号在频域上作为一个旋转矢量显示，矢量的长度=正弦波的峰值幅度，矢量在其频率轴上的位置=信号频率。
四、调幅信号测量分析
调幅波的特点是载波振幅的包络随调制信号而变化，其载波频率fC不变。调幅信号用下式表示为U(t)=AC[1+macos(2πfmt)]
cos(2πfct)(4-1)。式中Ac=决定总信号幅度的常数;m a =调幅深度( 0≤m a≤1 );cos(2πfmt)=归一化调制信号，fm=调制频率;AC[1+macos(2πfmt)]决定载波包络的幅度。fc=载波频率。在时域上，具有正弦幅度调制的载波的波形如图3所示。信号包络变化就是调制信号，这样对包络波形的分析可反映调幅调制参数。波形包络的最小值和最大值称为Umin和Umax.
调幅系数m a可以从这两个参数算出。当调制正弦波处于它的最大正、负值即±1时，将出现最大包络电压Umax=1+ma;和最小包络电压Umin=1-ma.求得调幅系数ma=(Umax-Umin)/(Umax+Umin)(4-2)式，或ma=(1-Umin/Umax)/(1+Umin/Umax)(4-3)式。将(4-1)式展开得U(t)=Accos(2πfct)+maAc/2[cos2π(fc+fm)t+cos2π(fc-fm)t](4-4)式。由此可知，在频域上，调幅信号U(t)由幅度为Ac的载波和两个边带组成;一个处在fc+fm,另一个处在fc-fm,两者的幅度均为maAc/2,频谱如图2所示。调制频率fm是载波与其中一个边带的频率差(边带相对载波呈对称)。幅度差对应于调幅系数ma.即相对于载波的边带幅度用dB表示为dBc=20log(ma/2)，则ma=2×10dBc/20.
频谱分析仪产品链接：//1000qsw.com/product/Spectrum-Analyzer/
