第六节　频谱分析仪

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1Hz以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。

一、示波原理

1.阴极射线示波管的结构原理

示波管是示波器的关键部件。示波器通过它将电信号转换为可见图形，其结构如图1-25所示。它密封在玻璃壳内，由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分构成，可以说是一个特殊的电子管。

（1）电子枪

电子枪的作用是产生高速、强弱可控的聚焦的电子束。电子枪由灯丝F、阴极C、栅极G1、前置加速极G2、第一阳极A1和第二阳极A2构成。灯丝用于加热阴极，阴极是一个表面涂有氧化物的金属圆筒，在灯丝的加热下向外发射电子。栅极是一个顶端有小孔的圆筒，套在阴极外边，其电压较阴极低，对阴极发射出的电子起控制作用，只有具有一定初速的电子才可能穿过栅极顶端小孔奔向荧光屏，初速小的电子则折回阴极。如果栅极电位足够低就可使电子全部返回阴极，所以调节栅极电位可控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变这点的辉度，实现辉度控制。

前置加速极加速冲出栅极的电子流，阻挡离开轴线太远的散射电子，以得到一截面较细具有一定速度的电子束。前置加速极还同第一、第二阳极构成电子聚焦系统，使电子束聚焦，在荧光屏上形成的光点最小、最清晰。调节第一阳极的电位可调节电子束的聚焦点。

为了使屏幕上光点达到一定亮度，电子束还需进一步加速。这由涂覆在示波管锥形管壁上的石墨层——后加速极A3来完成。后加速极在屏幕和偏转板间构成所谓先偏转后加速的系统，其目的是为了提高偏转灵敏度。后加速极除起加速作用外，还能靠本身正电荷吸收轰击屏幕溅落的二次电子，靠电场屏蔽作用防止外部电场对电子束产生干扰偏移。

（2）偏转板

高速电子束形成后尚不能显示波形，还须靠偏转板来实现波形的显示。偏转系统由两组偏转板构成。任一组偏转板加上电压后均可产生与电子束运行方向垂直的电场，从而使通过的电子束发生偏移。示波管中控制垂直方向偏移的一组偏转板称为Y轴偏转板，而控制水平方向偏移的则称为X轴偏转板，如图1-25所示。不难理解，当进入偏转系统的电子束的速度、偏转板的尺寸位置确定后，电子束的偏转程度完全取决于偏转板上所加的电压大小和方向，所以屏幕上波形显示过程，实际上就是偏转板上的电压控制过程。

（3）荧光屏

荧光屏一般是呈圆形曲面或矩形平面，其内壁沉积有荧光物质，形成一层荧光膜。受到电子束轰击时，屏幕上会形成亮点，从而显示电子束偏转运动轨迹。

这主要是应用了磷光物质的两大特性，一是辉光特性，即在高速电子束轰击下它能把电子束的动能转变成光能；另一个特点是它的余辉特性，磷光物质在高速电子轰击后发光并非马上消失，而要保留一段时间，这为观察电子束在一定时间内的完整轨迹提供了条件，否则一闪即逝，只能看到一个动态光点。磷光物质的余辉时间有长短之分，通常有短余辉、中余辉、长余辉三种，测量高频信号的示波管宜用短余辉示波管；而长余辉管则用于观测缓慢信号的低频示波器；一般用途的示波器均用中余辉管。

必须强调的是，电子束打在荧光屏上只有少部分转变成光能，而大部分则转变成热能，所以不应当使亮点长期停留在一处，以免烧坏磷光物质而产生斑点。

2.波形显示原理

（1）电子束

在UX、UY合成作用下的运动轨迹打在荧光屏上的亮点位置取决于同时加在垂直和水平偏转板的电压。若两组偏转板上均未加信号或所加信号电压值为零，这点则应打在屏幕的中心位置。若仅其中一组偏转板加上一正弦电压信号，则因无论是垂直偏转板还是水平偏转板均只能控制单一方向偏转，所以只能看到垂直或水平的线段，正弦信号的电压越高线段越长，反之则越短，如图1-26（a）和图1-26（b）所示。

但若两组偏转板均加上同一正弦信号，情况就不同了，如图1-26（c）所示，二者合成作用的结果，其轨迹为一斜线。斜线在X轴上投影线段的长度取决于X偏转板所加正弦信号电压的大小；在Y轴上投影线段的长短则取决于Y偏转板所加正弦信号电压的大小。这说明上述几种情况均不能显示被测信号的波形，而要显示波形，必须把UY当作输入信号，而在X偏转板加上一电压随时间线性变化的信号。

（2）时间基准

随时间线性变化的电压称为扫描电压，锯齿波电压即可作为扫描电压，理想的锯齿波如图1-27所示。虽然UX单独作用时，屏幕上能看到的仍是一水平线段，但这时光点是周期性地沿水平方向等速移动，而不是按正弦规律移动。这就在水平方向形成了一个时间基准，为显示波形提供了条件。所以当X轴加有扫描电压时，受UY控制的电子束的上下运动就被水平方向线性展开了，从而显示出UY的变化波形。

（3）同步

在X轴加上锯齿波形扫描信号后，未必能清楚地显示UY的波形，还需满足一定的条件。如图1-27所示情况，是在TX=TY的特定条件下，这时锯齿波扫描一次就在屏幕上显示一个周期的被测信号，一次次相同的图形重叠在一起，自然就能看到一个稳定的图形。若无此特定条件，情况就不一定了。图1-28是在TX=（7/8）TY的情况下，这时每次扫描所显示的图形并不相同，第一次扫描显示被测信号第一个周期的前7/8（图1-28中①）；第二次扫描显示被测信号第一个周期余下的1/8（图1-28中②）及第二个周期的前6/8（图1-28中③）……以此类推，有8种不同的图形相继出现，不可能重叠，看上去波形在跑动，得不到稳定的图形。

可见要得到稳定的图形，锯齿波每次扫描所显示的波形必须相同，而要达到这一点锯齿波周期必须为被测信号周期的整数倍，即TX=nTY。扫描周期与被测信号间满足上述关系，称为“同步”或称“整步”。而实现该“同步”的过程，称为“同步”调节。

在同步条件TX=TY中，n为大于或等于1的任一整数，即从理论上讲，n取其中的任一值均得到稳定的图形。同的仅仅是显示的被测信号周期数不同而已。图1-29为n=2时的显示图形。

二、工作特点

频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，面板上布建许多功能控制按键，作为系统功能之调整与控制，一般有两种类型：实时频谱分析仪（Real-Time Spectrum Analyzer）与扫描调谐频谱分析仪（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）。实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器（Detector），再经由同步的多任务扫描器将信号传送到CRT屏幕上，其优点是能显示周期性杂散波（Peri-odicRandom Waves）的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频宽范围、滤波器的数目与最大的多任务交换时间（Switching Time）。

最常用的频谱分析仪是扫描调谐频谱分析仪，可调变的本地振荡器经与CRT同步的扫描产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号（IF）再放大、滤波与检波传送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系。

影响信号反应的重要部分为滤波器频宽，滤波器之特性为高斯滤波器（Gaussian-Shaped Filter），影响的功能就是量测时常见到的解析频宽（RBW，Resolution Bandwidth）。RBW代表两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异，两个不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪的RBW，此时该两信号将重叠，难以分辨，较低的RBW固然有助于不同频率信号的分辨与量测，低的RBW将滤除较高频率的信号成分，导致信号显示时产生失真，失真值与设定的RBW密切相关，较高的RBW固然有助于宽带带信号的侦测，将增加噪声底层值（Noise Floor），降低量测灵敏度，对于侦测低强度的信号易产生阻碍，因此适当的RBW宽度是正确使用频谱分析仪重要的概念。

另外的视频频宽（VBW，Video Bandwidth）代表单一信号显示在屏幕所需的最低频宽。如前所说明，量测信号时，视频频宽过与不及均非适宜，都将造成量测的困扰，如何调整必须加以了解。通常RBW的频宽大于或等于VBW，调整RBW而信号振幅并无产生明显的变化，此时RBW频宽即可加以采用。量测RF视频载波时，信号经设备内部的混波器降频后再加以放大、滤波（RBW决定）及检波显示等流程，若扫描太快，RBW滤波器将无法完全充电到信号的振幅峰值，因此必须维持足够的扫描时间，而RBW的宽度与扫描时间呈互动关系，RBW较大，扫描时间也较快，反之亦然，RBW适当宽度的选择因而显现其重要性。较宽的RBW能充分地反映输入信号的波形与振幅，但较低的RBW将能区别不同频率的信号。例如使用于6MHz频宽视讯频道的量测，经验得知，RBW为300kHz与3MHz时，载波振幅峰值并不产生显著变化，量测6MHz的视频信号通常选用300kHz的RBW以降低噪声。天线信号量测时，频谱分析仪的展频（Span）使用100MHz，获得较宽广的信号频谱需求，RBW使用3MHz。这些的量测参数并非一成不变，将会依现场状况及过去量测的经验加以调整。

三、操作方法

1.基本操作手段

（1）三个大硬键和一个大旋钮：大旋钮的功能由三个大硬键设定。按一下【频率】硬键，则旋钮可以微调仪器显示的中心频率；按一下【扫描宽度】硬键，则旋钮可以调节仪器扫描的频率宽度；按一下【幅度】硬键，则旋钮可以调节信号幅度。旋动旋钮时，中心频率、扫描宽度（起始、终止频率）和幅度的dB数同时显示在屏幕上。

（2）软键：在屏幕右边，有一排纵向排列的没有标志的按键，它的功能随项目而变，在屏幕的右侧对应于按键处显示什么，它就是什么按键。

（3）其他硬键：仪器状态（INSTRUMNT STATE）控制区有十个硬键：【RESET】清零、【CANFIG】配置、【CAL】校准、【AUX CTRL】辅助控制、【COPY】打印、【MODE】模式、【SAVE】存储、【RECALL】调用、【MEAS/USER】测量/用户自定义、【SGLSWP】信号扫描。光标（MARKER）区有四个硬键：【MKR】光标、【MKR】光标移动、【RKRFCTN】光标功能、【PEAKSEARCH】峰值搜索。控制（CONTRL）区有六个硬键：【SWEEP】扫描、【BW】带宽、【TRIG】触发、【AUTOCOVPLE】自动耦合、【TRACE】跟踪、【DISPLAY】显示。在数字键区有一个【BKSP】回退，数字键区的右边是一纵排四个【ENTER】确认键，同时也是单位键。大旋钮上面的三个硬键是窗口键：【ON】打开、【NEXT】下一屏、【ZOOM】缩放。大旋钮下面的两个带箭头的键【STEP】配合大旋钮使用作上调、下调。

2.输入和输出接口

输入和输出接口位于面板下边一排。TVIN测视频指标的信号输入口；VOLINTEN是内外一套旋钮控制、调节内置喇叭的音量和屏幕亮度；CAL OUT仪器自检信号输出；300MHz29dBmV仪器标准信号输出口；PROBE PWR仪器探针电源；IN 75Ω1M—1.8G测试信号总输入口。

3.测试准备

（1）限制性保护：规定最高输入射频电平和造成永久性损坏的最高电压值：直流25V，交流峰峰值100V。

（2）预热：测试须等到OVER COLD消失。

（3）自校：使用三个月或重要测量前，要进行自校。

（4）系统测量配置：配置是测量之前把测量的一些参数输入进去，省去每次测量都进行一次参数输入。内容：测试项目、信号输入方式（频率还是频道）、显示单位、制式、噪声测量带宽和取样点、测CTB、CSO的频率点、测试行选通等。配置步骤：按【MODE】键→【CABLETV ANALYZER】软键→【Setup】软键，进入设置状态。细节为tune config调谐配置：包括频率、频道、制式、电平单位。Analyzer input输入配置：是否加前置放大器。Beats setup拍频设置、测CTB、CSO的频点（频率偏移CTB FRQ offset、CSO FRQ offset）。GATING YESNO是否选通测试行。C/N setup载噪比设置：频点（频率偏移C/N FRQ offset）、带宽。