頻譜分析儀的工作原理
頻譜分析儀架構猶如時(shí)域用途的示波器,外觀(guān)如圖1.2所示,面板上布建許多功能控制按鍵,作為系統功能之調整與控制,系統主要的功能是在頻域里顯示輸入信號的頻譜特性.頻譜分析儀依信號處理方式的不同,一般有兩種類(lèi)型;即時(shí)頻譜分析儀(Real-Time Spectrum Analyzer)與掃瞄調諧頻譜分析儀(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer).即時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號振幅,其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應的濾波器與檢知器 (Detector),再經(jīng)由同步的多工掃瞄器將信號傳送到CRT螢幕上,其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波(Periodic Random Waves)的瞬間反應,其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限於頻寬范圍,濾波器的數目與最大的多工交換時(shí)間(Switching Time).最常用的頻譜分析儀是掃瞄調諧頻譜分析儀,其基本結構類(lèi)似超外差式接收器,工作原理是輸入信號經(jīng)衰減器直接外加到混波器,可調變的本地振蕩器經(jīng)與CRT同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線(xiàn)性變化的振蕩頻率,經(jīng)混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號(IF)再放大,濾波與檢波傳送到CRT的垂直方向板,因此在CRT的縱軸顯示信號振幅與頻率的對應關(guān)系,信號流程架構如圖1.3所示.影響信號反應的重要部份為濾波器頻寬,濾波器之特性為高斯濾波器 (Gaussian-Shaped Filter),影響的功能就是量測時(shí)常見(jiàn)到的解析頻寬(RBW,Resolution Bandwidth).RBW代表兩個(gè)不同頻率的信號能夠被清楚的分辨出來(lái)的最低頻寬差異,兩個(gè)不同頻率的信號頻寬如低於頻譜分析儀的RBW,此時(shí)該兩信號將重疊,難以分辨,較低的RBW固然有助於不同頻率信號的分辨與量測,低的RBW將濾除較高頻率的信號成份,導致信號顯示時(shí)產(chǎn)生失真,失真值與設定的 RBW密切相關(guān),較高的RBW固然有助於寬頻帶信號的偵測,將增加雜訊底層值(Noise Floor),降低量測靈敏度,對於偵測低強度的信號易產(chǎn)生阻礙,因此適當的RBW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念
頻譜分析儀對于信號分析來(lái)說(shuō)是不可少的。它是利用頻率域對信號進(jìn)行分析、研究，同時(shí)也應用于諸多領(lǐng)域，如通訊發(fā)射機以及干擾信號的測量，頻譜的監測，器件的特性分析等等，各行各業(yè)、各個(gè)部門(mén)對頻譜分析儀應用的側重點(diǎn)也不盡相同。下面結合我臺DSNG衛星移動(dòng)站的工作特點(diǎn)，就電視信號傳輸過(guò)程中利用頻譜分析儀捕捉衛星信標，監控地面站工作狀態(tài)等方面，簡(jiǎn)要介紹一下頻譜分析儀的工作原理。
科學(xué)發(fā)展到今天，我們可以用許多方法測量一個(gè)信號，不管它是什么信號。通常所用的最基本的儀器是示波器，觀(guān)察信號的波形、頻率、幅度等。但信號的變化非常復雜，許多信息是用示波器檢測不出來(lái)的，如果我們要恢復一個(gè)非正弦波信號F，從理論上來(lái)說(shuō)，它是由頻率F1、電壓V1與頻率為F2、電壓為V2信號的矢量迭加（見(jiàn)圖1）。從分析手段來(lái)說(shuō)，示波器橫軸表示時(shí)間，縱軸為電壓幅度，曲線(xiàn)是表示隨時(shí)間變化的電壓幅度。這是時(shí)域的測量方法，如果要觀(guān)察其頻率的組成，要用頻域法，其橫坐標為頻率，縱軸為功率幅度。這樣，我們就可以看到在不同頻率點(diǎn)上功率幅度的分布，就可以了解這兩個(gè)（或是多個(gè)）信號的頻譜。有了這些單個(gè)信號的頻譜，我們就能把復雜信號再現、復制出來(lái)。這一點(diǎn)是非常重要的。
對于一個(gè)有線(xiàn)電視信號，它包含許多圖像和聲音信號，其頻譜分布非常復雜。在衛星監測上，能收到多個(gè)信道，每個(gè)信道都占有一定的頻譜成份，每個(gè)頻率點(diǎn)上都占有一定的帶寬。這些信號都要從頻譜分析的角度來(lái)得到所需要的參數。
從技術(shù)實(shí)現來(lái)說(shuō)，目前有兩種方法對信號頻率進(jìn)行分析。
其一是對信號進(jìn)行時(shí)域的采集，然后對其進(jìn)行傅里葉變換，將其轉換成頻域信號。我們把這種方法叫作動(dòng)態(tài)信號的分析方法。特點(diǎn)是比較快，有較高的采樣速率，較高的分辨率。即使是兩個(gè)信號間隔非常近，用傅立葉變換也可將它們分辨出來(lái)。但由于其分析是用數字采樣，所能分析信號的最高頻率受其采樣速率的影響，限制了對高頻的分析。目前來(lái)說(shuō)，最高的分析頻率只是在10MHz或是幾十MHz，也就是說(shuō)其測量范圍是從直流到幾十MHz。是矢量分析。
這種分析方法一般用于低頻信號的分析，如聲音，振動(dòng)等。
另一方法原理則不同。它是靠電路的硬件去實(shí)現的，而不是通過(guò)數學(xué)變換。它通過(guò)直接接收，稱(chēng)為超外差接收直接掃描調諧分析儀。我們叫它為掃描調諧分析儀。
在工作中通常所用的HP-859X系列頻譜儀都是此類(lèi)的分析儀。其優(yōu)點(diǎn)是掃描調諧分析法受器件的影響，只要我們把器件頻率做得很高，其分析能力就會(huì )很強。目前的工藝水平，器件可達到100GHz，最高甚至可做到325GHz。其頻率范圍要比前一種分析方法大很多。只是在達到較高分辨率時(shí)，其分析測量的時(shí)間會(huì )有所增加。
在實(shí)際工作中，無(wú)線(xiàn)信號衛星信號的監督，由于其頻率很高，都是采用掃描調諧的方式。它所能給我們的信息沒(méi)有相位參數，只有幅度、頻率。它是一種標量的分析方法。另外，這種方法有很高的靈敏度，它受到前端掃描調諧器件的控制，還有很高的動(dòng)態(tài)范圍。
下面我們著(zhù)重介紹一下掃描調諧分析儀的基本原理，從圖2中，我們不難看出，它是用超外差接收機的方式來(lái)實(shí)現頻譜分析的。
最基本的核心部分是它的混頻器?；竟δ苁菍⒈粶y信號下變至中頻21.4MHz，然后在中頻上進(jìn)行處理，得到幅度。在下變頻的過(guò)程中，是由本振來(lái)實(shí)現下變頻的。本振信號是掃描的，本振掃描的范圍覆蓋了所要分析信號的頻率范圍。所以調諧是在本振中進(jìn)行的。全部要分析的信號都下變頻到中頻進(jìn)行分析并得到譜頻。這與日常所用的電視機、收音機的原理是一樣的。
但是有線(xiàn)電視輸出信號范圍很廣，比如有50個(gè)頻道播放。這50個(gè)信號是同時(shí)進(jìn)入接收機的，其總功率是迭加的。而所看的電視節目只能是其中之一。同理，送入頻譜儀的輸入端口信號是所采集信號的總和，其中包括所要分析的特定信號，所輸入到頻譜儀的功率是總功率。由此要引入一個(gè)參數-最大燒毀功率。這一值是1瓦或是+30dBm。也就是說(shuō)輸入到頻譜儀的信號功率總和不能超過(guò)1瓦，否則將會(huì )燒毀儀器的衰減器和混頻器。
例如，我們要監測一個(gè)衛星信號，假設其頻率為12GHz，其功率可能只有-80dBm左右，這是很小的。但要知道輸入信號是由很多信號迭加組成的，若是在其它某一頻率上包括一個(gè)很強的信號，即使你沒(méi)有看到這個(gè)大功率信號，若輸入信號功率的總和大于1瓦，也是要燒毀頻譜儀的，而其中的大功率信號并不是你所要分析的信號。這是我們在日常工作中需多加小心的，因為更換混頻器的費用是很高的。
當然，頻譜儀在輸入信號時(shí)并沒(méi)有直接將其接入混頻器，而是首先接入一個(gè)衰減器。這不會(huì )影響最終的測量結果，完全是為了儀表內部的協(xié)調，如匹配、最佳工作點(diǎn)等等。它的衰減值是步進(jìn)的，為0dB、5dB、10dB，最大為60dB。
還有的頻譜儀是不能輸入直流的，否則也會(huì )損壞器件。另外，還應注意不能有靜電，因為靜電的瞬時(shí)電壓很高，容易把有源器件擊穿。日常工作中把儀表接地就會(huì )有很好的效果，當然要有保護接地會(huì )更好。
在中頻，所有信號的功率幅度值與輸入信號的功率是線(xiàn)性關(guān)系。輸入信號功率增大，它也增大，反之相同。所以我們檢測中頻信號是可行的。另外，為了有效檢測，要有一個(gè)內部中頻信號放大?；祛l器本身有差落衰減，本頻和射頻混頻之后它并不是只有一個(gè)單一中頻出來(lái)，它的中頻信號非常豐富，所有這些信號都會(huì )從混頻器中輸出。在眾多的諧波分量中，只對一個(gè)中頻感興趣。這就是前面所說(shuō)的21.4MHz。這是在儀器器件中已做好的，用一個(gè)帶通濾波器把中心頻率設在 21.4MHz，濾除其它信號，提取21.4MHz的中頻信號。通過(guò)中頻濾波器輸出的信號，才是我們所要檢測的信號。
濾波器在工作中有幾個(gè)因素：中心頻率是21.4MHz，固定不變，其30dB帶寬可以改變。比如對廣播信號來(lái)說(shuō)，其帶寬一般是幾十kHz，若信號帶寬是 25kHz，中頻的帶寬一定要大于25kHz。這樣，才能使所有的信號全部進(jìn)來(lái)。如果太寬，就會(huì )混入其它信號；如果太窄，信號才進(jìn)來(lái)一部分，或是低頻成份，或是高頻成份。這樣信號是解調不出來(lái)的。
中頻帶寬設置根據實(shí)際工作的需要來(lái)決定的。當然它會(huì )影響其它很多因素，如底噪聲、信號解調的失真度等。
經(jīng)過(guò)中頻濾波器的中頻信號功率就是反應了輸入信號的功率。檢測的方法就是用一個(gè)檢波器，將它變?yōu)殡妷狠敵?，體現在縱軸的幅度。當然還要經(jīng)過(guò)D/A轉換和一些數據處理，加一些修正和一些對數、線(xiàn)性變換。這足以給我們帶來(lái)信號分析上的許多方便。
頻譜分析是要分析頻域的。一個(gè)信號要分析兩個(gè)參數，一是幅度，二是頻率。幅度已經(jīng)得出，而頻率和幅度要對應起來(lái)，在某一頻率是什么幅度。 下面介紹一下頻率是如何測量的，如何與幅度對應起來(lái)。
其實(shí)很簡(jiǎn)單。它是通過(guò)本振與掃描電壓對應起來(lái)的。本振是一個(gè)壓流振蕩器。本振信號是個(gè)掃描信號。掃描控制是由掃描控制器來(lái)完成的。它同時(shí)控制顯示器的橫坐標。從左到右當掃描電壓在OV時(shí)，在顯示器上是0點(diǎn)，對本振信號來(lái)說(shuō)是F1點(diǎn)，即起始頻率點(diǎn)。當掃描電壓到10V時(shí)，在顯示器上是終止頻率點(diǎn)，本振電壓就是在終止頻率點(diǎn)，中間是線(xiàn)性的。通過(guò)這樣的方法，使得顯示器坐標的每一點(diǎn)與本振F1、F2的每一點(diǎn)對應起來(lái)（射頻信號是本振信號減去中頻信號 21.4MHz。當我們操作頻譜儀進(jìn)行分析時(shí)，實(shí)際是在改變本振信號的頻率）。
下面簡(jiǎn)單介紹一下用頻譜分析儀來(lái)評價(jià)發(fā)射機的方法。先了解一下發(fā)射機最基本的框圖，見(jiàn)圖3。首先是一個(gè)調制部分將基帶信號調制到中頻信號，然后將中頻信號上變頻到射頻信號上，還有一個(gè)與之相對的本振信號，對射頻信號進(jìn)行預放，再進(jìn)行功率放大之后送到天線(xiàn)上發(fā)射。
如何用頻譜儀對這樣一個(gè)發(fā)射機進(jìn)行測量。首先對它的發(fā)射信號從測量端口進(jìn)行測量（若是把發(fā)射信號直接送入頻譜儀，必然會(huì )把儀器燒壞）。在這里我們要測其功放的失真，發(fā)射信號的頻率、功率。對發(fā)射機內部預放失真、增益、噪聲系數，混頻器的輸出功率，輸入功率進(jìn)行測量，得到混頻器的差落損耗。對混頻器的輸出功率進(jìn)行準確測量，了解其工作點(diǎn)。對混頻器的本振信號進(jìn)行測量，得出本振信號的輸出頻率，了解其頻率精度。這個(gè)頻率精度也就決定了發(fā)射機的精度。通過(guò)以上這些測量，可以得到對于發(fā)射機內部信號、器件和輸出信號的多項參數，以描述這個(gè)發(fā)射機的性能。作為通訊的監測，一般不去檢測其內部的器件，只檢測其頻率、功率。只要這兩項指標正常，就可以判定這部發(fā)射機是正常工作。
了解頻譜儀的功能，必須要考察頻譜儀的內部噪聲、失真等等。一個(gè)放大器，要測它的失真、三階交調失真和諧波失真。三階交調失真是當對一個(gè)放大器輸入二個(gè)頻率相近（如差10kHz）的信號，幅度一樣，由于放大器是非線(xiàn)性器件，在對這兩個(gè)信號進(jìn)行功率放大時(shí)，也會(huì )產(chǎn)生一些其它信號，如2F1-F2和2F2- F1，這兩種信號就是三階交調失真（見(jiàn)圖4上）。它的特性非?？拷虚g的信號，上面和下面都相差10kHz均勻排開(kāi)。假設這個(gè)信號的帶寬是20kHz，這兩個(gè)交調失真的信號肯定會(huì )進(jìn)到信號的帶寬內，對信號產(chǎn)生干擾。為了不干擾正常的通訊，我們必須測量這失真信號的大小。描述的方法是這失真信號的幅度與正常的信號幅度之差，稱(chēng)之為失真量。另外一種放大器的失真是諧波失真。當對放大器輸入一個(gè)點(diǎn)頻信號F1，這個(gè)放大器會(huì )造成F2、F3，兩倍或三倍的多次諧波。若是正好在2F1等處有其它信號，就會(huì )造成干擾（見(jiàn)圖4下）。
一個(gè)放大器存在以上兩種失真。我們用頻譜儀去測量這些失真的大小。定義三階交調失真為載波信號與失真信號的功率差。定義諧波失真為載波信號與某次諧波的功率差。
輸入被測放大器兩個(gè)信號F1、F1+10kHz，然后送入頻譜儀進(jìn)行測量。用兩個(gè)信號源通過(guò)混合器再經(jīng)過(guò)衰減器進(jìn)入一個(gè)帶通濾波器，以確保進(jìn)入放大器的信號只是F1和F1+10kHz，沒(méi)有其它成份。這個(gè)放大器產(chǎn)生交調失真的值是大于50dB，也就是失真信號與要放大的信號之間的差值幅度為50dB。它的二次諧波相差40dB，三次諧波相差50dB（測量諧波失真要關(guān)閉一個(gè)信號發(fā)生器的輸出），見(jiàn)圖5。
由于頻譜儀內部含有混頻器，其特點(diǎn)是與有源器件放大器一樣的。當輸入信號為兩個(gè)信號或是點(diǎn)頻信號時(shí)，這個(gè)混頻器也會(huì )產(chǎn)生以上所述的失真，并在頻譜儀上反應出來(lái)，給測量帶來(lái)誤差。如何把頻譜儀誤差降低變?yōu)榭蓽y？
對于一種測量，可以使它成為可測，也可以使它成為不可測。這完全取決于頻譜儀的設置。包括對衰減器、頻率范圍、分辨率帶寬的設置。
頻譜儀的設置主要有頻率范圍、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，而動(dòng)態(tài)范圍又會(huì )涉及到最大的輸入功率即燒毀功率，增益壓縮使小于1W的輸入信號如果超過(guò)線(xiàn)性工作區也會(huì )有誤差。還有靈敏度。要從以上幾個(gè)主要方面來(lái)考慮頻譜儀對輸入的信號是否可測。
現在來(lái)看第一項參數頻率范圍。這個(gè)參數要從兩個(gè)方面看，一是頻率范圍的設置是否足夠的窄，具有足夠的頻率分辨能力，也就是窄的掃頻寬度（見(jiàn)圖6）。二是頻率范圍是否有足夠的寬度，是否可以測到二次、三次諧波。
當我們用一個(gè)頻譜儀測量一個(gè)放大器的諧波失真的時(shí)候，若這個(gè)放大器工作點(diǎn)是1GHz，那么它的三次諧波就是3GHz。這就是要考慮頻率范圍的最大可測寬度。如果頻譜儀是1.8GHz的，那么就不能測量；如果是26.5GHz的頻譜儀，當然可以測到它的三次，四次諧波。
第二類(lèi)指標是分辨率。這是頻譜分析儀中非常重要的參數設置。分辨率表示當要測量的是F1、而在F1的附近有另一個(gè)F2（見(jiàn)圖7）。但它們的功率不一樣，這時(shí)看能不能將它們區分開(kāi)。將這個(gè)中頻帶寬設置成三種不同的寬度，下面所對應的就是在這一帶寬設置時(shí)所看到的曲線(xiàn)（顯示線(xiàn)）。很顯然中頻帶寬越窄分辨率越高，中頻帶寬越寬分辨率越低。分辨率帶寬直接影響到小信號的識別能力和測量的結果。
分辨率實(shí)際上就是分辨兩個(gè)信號的能力，中頻濾波器的3dB帶寬就是分辨率帶寬（見(jiàn)圖8）。
對信號的分辨除了分辨率帶寬會(huì )影響之外，還有一個(gè)參數，濾波器的形狀因數（見(jiàn)圖9），即濾波器60dB對3dB帶寬之比值。形狀因數越小越接近3dB帶寬。越陡峭就越接近于矩形，這時(shí)分辨能力就越強。所以說(shuō)形狀因數越小，分辨能力越強。
模擬濾波器一般為15:1或是11:1，而數字濾波器是5:1。對于一個(gè)信號的分辨能力還有兩個(gè)因素：剩余調頻和噪聲邊帶（見(jiàn)圖10)。
剩余調頻是本振信號的抖動(dòng)，這是無(wú)法避免的工藝問(wèn)題。這種抖動(dòng)決定了它能分辨信號間的小頻率范圍。如果兩個(gè)信號相差頻率是小于這個(gè)抖動(dòng)范圍，那么就無(wú)法把這兩個(gè)信號分辨出來(lái)。所以剩余調頻這個(gè)指標就決定了頻譜分析儀的最小可分辨的頻率差。 對于HP-859X來(lái)說(shuō)是20Hz，對于ESA來(lái)講是10Hz。
噪聲邊帶在信號響應基底上表現得不穩定，這個(gè)噪聲可能掩蓋近端（靠近載波）的低電平信號。這個(gè)噪聲是由本振的抖動(dòng)引起的，在頻率域上的體現。這個(gè)邊帶噪聲降低了分辨能力。
對于頻譜分析儀來(lái)說(shuō)要降低邊帶噪聲是很困難的，這涉及到其壓控振蕩器的制作工藝。而把濾波器的形狀因數做小是相對比較容易實(shí)現的。所以我們評定一個(gè)頻譜儀的時(shí)候不僅要考慮它的邊帶噪聲，也要考察它的形狀因數。
對于HP-859X的頻譜儀，當分辨率帶寬變得很窄，在300Hz以下時(shí)，其濾波器就自動(dòng)切換到數字濾波器上。對于859X的頻譜儀其內部的濾波器全是模擬的，沒(méi)有數字濾波器。數字濾波器的測量速度要高于模擬。
用不同設置的分辨率帶寬去測量交調信號。如圖11所示。
當測量F1和F1+10kHz（F2）信號時(shí)，分辨率帶寬BW設置成10kHz，與兩個(gè)信號頻率差別是一樣的，這種情況下我們看到的是最外面的曲線(xiàn)，正好將兩個(gè)信號分開(kāi)。但不太容易分辨，只是知道是有兩個(gè)信號存在。我們將BW下調一級，變成3kHz，圖11中的中間那條曲線(xiàn)，就可以將兩個(gè)信號分辨得非常清楚。但它的交調失真還是看不出來(lái)。我們再把BW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。
分辨率帶寬降低能提高分辨率，但對測量來(lái)說(shuō)分辨率降低會(huì )增加掃描時(shí)間。這時(shí)我們可以對掃描時(shí)間進(jìn)行人為設置，加快其掃描速度，提高測量速度。但是，由于掃描時(shí)間的改變會(huì )造成測量上的誤差，具體就是頻率升高，而幅度降低（見(jiàn)圖12）。
所以作為一種快速測量而不要求太高測量精度時(shí)，可以采用這種方法，但若要較高精度的測量，必須要使BW與測量時(shí)間置于自動(dòng)聯(lián)動(dòng)，方可滿(mǎn)足準確測量的要求。
頻譜分析儀第三個(gè)重要指標-動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍表示當兩個(gè)信號同時(shí)出現時(shí)，測量其幅度差的能力。影響它的因素有最大輸入功率、非線(xiàn)性工作區域、1dB壓縮點(diǎn)（有時(shí)為0.5dB）。
頻譜儀內部的混頻器有一定的線(xiàn)性工作區域，如果超過(guò)線(xiàn)性區域，輸入功率的變化與輸出功率的變化即呈非線(xiàn)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，我們所測得的功率值就是不準確的。
那么我們如何判斷是否存在壓縮呢？可以利用頻譜儀內部的衰減器或外接衰減器來(lái)進(jìn)行判斷。將衰減器的衰減量設置在10dB時(shí)，測量混頻器的輸出功率。再將衰減器的衰減量增加10dB，再去測量混頻器輸出功率也應線(xiàn)性地減小10dB。若變化量不是10dB，只有7或8dB，說(shuō)明混頻器已工作在非線(xiàn)性區域，存在功率壓縮區。
即使當頻譜儀工作在線(xiàn)性區域的時(shí)候，混頻器仍然產(chǎn)生內部失真，因為它是有源的非線(xiàn)性器件。在最差的情況下，內部失真完全可以覆蓋被測件的失真產(chǎn)物或是外來(lái)的諧波失真。即使當內部失真低于要測信號的失真，也會(huì )引起測量誤差。因為當基波信號進(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部產(chǎn)生的。這一失真會(huì )與輸入信號的失真混疊起來(lái)，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量誤差。這要求頻譜儀所產(chǎn)生的內部失真要盡量地小，使最后迭加出來(lái)的信號，趨近于被測信號。如何降低頻譜儀內部的諧波失真和交調失真。這可利用失真特性，二次或三次諧波在數學(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，其二次諧波為 2F，三次諧波為3F。當兩個(gè)信號F1、F2存在，其交調失真有2F1-F2、2F2-F1等等，見(jiàn)圖13。
當F信號功率變化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(shuō)當輸入功率降低1dB，二次諧波和三次諧波分別會(huì )降低2dB和3dB。交調失真是當F1、F2分別變化1△，2F1-F2和對應的2F2-F1均變化3△，這就是其特點(diǎn)。在測量時(shí)，頻譜分析儀本身產(chǎn)生的二次諧波信號越高，它測量的范圍越差。我們用輸入信號F0的功率值和產(chǎn)生信號諧波功率值之差來(lái)進(jìn)一步定義動(dòng)態(tài)范圍。凡是被測信號落在這一范圍之內，都可以測出。
如何使動(dòng)態(tài)范圍增大（見(jiàn)圖14），我們可以利用上面所說(shuō)的數學(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(xiàn)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)坐標系，可以得到圖15的曲線(xiàn)，橫坐標實(shí)際是混頻器F0輸入功率值，縱坐標就是內部失真電平。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)物與基波信號的相對關(guān)系。當一個(gè)混頻器F0的功率為0dB，它的二次諧波失真信號的功率是固定的，差值也是固定的?？梢钥闯?，當功率降低越低，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。
對于小信號的測量還有一個(gè)影響因素是它的噪聲底。一個(gè)被測信號在儀器本身的失真范圍之下是不可測的，若隱含在儀器本身的噪聲底之下也是無(wú)法檢測的。那么噪聲底由誰(shuí)來(lái)決定？噪聲底的第一個(gè)因素是衰減量（見(jiàn)圖16）。當衰減器的衰減量為10dB時(shí)，我們可以看到這些噪聲曲線(xiàn)，同時(shí)看到一個(gè)小信號。當衰減量變成 20dB，噪聲底會(huì )抬高10dB，小信號就會(huì )被覆蓋在平均噪聲功率之下，變成不可測量。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)際的測量中，顯示的信號電平不會(huì )隨衰減的增加而下降。這是因為當衰減降低了加到檢波器的信號電平時(shí)，中頻放大器會(huì )增加10dB來(lái)補償這個(gè)損失，這使熒光屏上的信號幅度保持不變。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(jiàn)圖17），帶寬越寬，進(jìn)來(lái)的噪聲越多，功率當然也就越高。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(shuō)頻譜儀的噪聲是在一定的分辨帶寬下定義的。廣義上說(shuō)，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。
當頻譜儀設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)信號的檢測能力也決定了。當小信號低于噪聲底時(shí)就不可測量，高于噪聲底就變得可測。這個(gè)測量范圍就是被測信號與噪聲底的比值。信號若比噪聲底高10dB，可測范圍就是10dB。這一信噪比我們置于縱坐標上，輸入功率在橫坐標上。（見(jiàn)圖18）當噪聲底固定的話(huà)，假設把BW設置在1kHz時(shí)，衰減量不變，那么它的噪聲是不變的，這時(shí)設輸入功率為-40dB，信噪比是75dB。當輸入功率為-30dB時(shí)，信噪比為85dB。從此看出，信號的降低，信噪比是降低的。
噪聲底對動(dòng)態(tài)范圍的影響。把信號對噪聲和信號對失真的曲線(xiàn)置于同一坐標系上，橫坐標是輸入功率，縱坐標是動(dòng)態(tài)范圍（見(jiàn)圖19）。最大的動(dòng)態(tài)范圍處于曲線(xiàn)的交點(diǎn)。這時(shí)內部產(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)生了失真？我們可以通過(guò)改變衰減器來(lái)判斷。輸入兩個(gè)信號F1和F1+10k，當衰減量增大，混頻器的輸入功率降低，理論上失真也會(huì )降低。如果我們看到這些信號是降低的話(huà)，說(shuō)明失真信號是頻譜儀內部產(chǎn)生的；如果不變，那么它是外來(lái)的信號（見(jiàn)圖20）。這是因為在調節衰減器的衰減量時(shí)，它后面有一個(gè)放大補償（本文前面曾講過(guò)）。所以頻譜儀顯示的外來(lái)失真信號是不變的，但自身的失真會(huì )有明顯的變化。這個(gè)方法可簡(jiǎn)單明確的看出頻譜儀是否工作在失真狀態(tài)。
在測量時(shí)為了使噪聲曲線(xiàn)平滑，在檢波之后，放置了一個(gè)低通濾波器，即視頻濾波器。這就是BW鍵中VBW軟鍵的設置（見(jiàn)圖21）。它的作用是將檢測信號中的高頻部分濾掉，使我們從顯示屏上看到一個(gè)光滑的曲線(xiàn)。這對小信號的測量是非常有效的，它可使讀數更為穩定。
最后談一下靈敏度。簡(jiǎn)單地說(shuō)，靈敏度就是最小可檢測信號，定義為在一定分辨帶寬下顯示的平均噪聲電平?！捌骄本褪亲銐蛘囊曨l帶寬VBW，去平均信號加噪聲或噪聲（見(jiàn)圖22）。若一信號的電平等于顯示的平均電平，它將以近似3dB突起顯示在平均噪聲電平之上。這一信號被認為是最小的可測量信號電平。
如果要使頻譜分析儀得到最好的靈敏度，有以下三個(gè)方法：
（1）最窄的分辨率帶寬；
（2）最小的輸入衰減；
（3）視頻帶寬VBW應是分辨率帶寬的百分之一。
但是最好的靈敏度可能與其它測量設置有矛盾，如測量時(shí)間大增，0dB的衰減會(huì )增加輸入的駐波比，降低測量精度?？傊?，頻譜儀的最佳工作狀態(tài)是由諸多因素、參數決定的，不能片面追求某一指標的完美，需統籌考慮，對本文所述的基本因素和所要作的測量類(lèi)型進(jìn)行分析，盡力趨向于完美的組合。如對小信號測量，要提高靈敏度，對失真測量要調節衰減，同時(shí)要會(huì )判斷頻譜分析儀的工作狀態(tài)等等。這在我們實(shí)際的工作中會(huì )遇到并要細心實(shí)踐。
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