频率特性及频谱分析仪的基本参数

1）频率范围

频率范围是频谱分析仪的基本特性之一。频谱分析仪的频率范围是指频谱分析仪能够调谐的最小频率和最大频率。频谱分析仪的低频限由本振边带噪声确定，即使当频谱分析仪没有信号输入时，本振也会发生馈通，即产生零频。另外，在现代频谱分析仪中，我们还可以设置零扫频跨度模式，在此模式下，频谱分析仪变成了固定调谐接收机，频域测量变成了时域测量。

由超外差频谱分析仪的工作原理可知，测量的频率范围由中频滤波器的中心频率和本振频率范围确定。输入信号频率等于本振信号频率减去中频滤波器的频率。假定频谱分析仪的本振频率范围为fLOmin～fLOmax，而中频滤波器的中心频率为fIF，则频谱分析仪的工作频率范围为fLOmin-fIF～fLOmax-fIF。

在现代无线电测量中，有很多不同型号和厂家的频谱分析仪获得了广泛的应用。表4-1给出了常用频谱分析仪的型号和工作频率范围。

表4-1　常用频谱分析仪的频率范围

2）频率分辨率

频谱分析仪的频率分辨率或称为分辨带宽是指频谱分析仪分离和测量两个相邻信号的最小频率间隔。影响频谱分析仪的频率分辨率的因素有：中频滤波器的分辨带宽、频谱分析仪的形状因子、滤波器类型（模拟滤波器或数字滤波器）、剩余调频和噪声边带等。其中，中频滤波器的带宽、形状因子和边带噪声是确定频谱分析仪分辨带宽的三个主要因素。

中频带宽通常定义为频谱分析仪中频滤波器的3 dB带宽，一般用RBW表示。如图4-22所示为频谱分析仪分辨带宽定义示意图。

由图4-22可知，频谱分析仪的中频带宽越窄，其频率分辨率越大，但是减小频谱分析仪的中频带宽，增加了频谱分析仪的扫描时间。如果频谱分析仪的中频带宽太宽，两个频率相近的信号在频谱分析仪的CRT上就显示成一个信号了。表征频谱分析仪频率分辨率的另一个参数是频谱分析仪的形状因子，或称为频谱分析仪的选择性。频谱分析仪的形状因子定义为频谱分析仪中频滤波器的60 dB带宽与3 dB带宽之比，用SF表示。如图4-23所示为形状因子定义示意图。

图4-22　频谱分析仪分辨带宽定义示意图

图4-23　频谱分析仪形状因子定义示意图

由频谱分析仪的形状因子的定义可得，形状因子SF用公式表示为：

式中：SF——频谱分析仪的形状因子；

RBW60dB——中频滤波器的60 dB带宽；

RBW3dB——中频滤波器的3 dB带宽。

图4-24　典型频谱分析仪的形状因子

频谱分析仪的形状因子与频谱分析仪滤波器的形式有关。频谱分析仪的滤波器一般有模拟滤波器和数字滤波器两种。频谱分析仪采用模拟滤波器，其典型的形状因子在11∶1和15∶1之间。现代很多新型频谱分析仪采用数字化技术，分辨滤波器采用数字滤波器。在数字方式下，一般采用快速傅里叶变换对信号进行处理或者利用数字滤波器对信号进行处理。数字滤波器的优点是频谱分析仪的选择性可以做到很小，并且在最窄的滤波器上也能实现，一般采用这种滤波器可以区分频率非常接近的信号。采用数字滤波器的高性能频谱分析仪，其分辨带宽可达到100 Hz，甚至10 Hz、1 Hz，频谱分析仪的形状因子典型值是5∶1。如图4-24所示为典型频谱分析仪的形状因子。

利用频谱分析仪的分辨带宽可以实现频率相近的两个信号的测量。如何选择频谱分析仪的分辨带宽实现频率相近的两个信号的频谱测量，下面将分等幅信号和不等幅信号两种情况进行讨论。

等幅信号情况：如果两个等幅信号的频率间隔大于或等于频谱分析仪所选用的分辨带宽，则两个等幅信号就可以被分辨出来。用公式表示为：

式中：RBW——频谱分析仪的分辨带宽；

fsig1——信号1的频率；

fsig2——信号2的频率。

例如，两个等幅信号的频率间隔是10 kHz，如果选择频谱分析仪的分辨带宽大于10 kHz，则频谱分析仪分辨不出这两个等幅信号；如果选择频谱分析仪的分辨带宽小于或等于10 kHz，则两个等幅信号被分离，如图4-25所示。

图4-25　两个等幅信号的测量

不等幅信号情况：如果用10 kHz的分辨带宽，那么频率间隔为10 kHz、幅度下降50 dB的交调失真产物将被淹没在大信号滤波器的裙边下而观察不到失真信号。如果减小频谱分析仪的分辨带宽，直到频谱分析仪的分辨带宽低于某一数值，就可以观察到交调失真产物。用公式表示为：(www.xing528.com)

式中，SF称为频谱分析仪的形状因子或选择性。不同型号的频谱分析仪，其形状因子不同，一般由频谱分析仪的技术指标给出。例如，上述频率间隔为10kHz的交调失真信号测量，若频谱分析仪的形状因子为15∶1，则由式（4-26）计算出频谱分析仪的分辨带宽RBW为：

当频谱分析仪的分辨带宽小于或等于1.33 kHz时，就可以测量出交调失真信号。如图4-26所示为RBW=1 kHz时测量的频率间隔为10 kHz的交调失真信号。

图4-26　两个不等幅信号的测量

频谱分析仪的频率分辨率不仅与中频滤波器的分辨带宽和选择性有关，而且与剩余调频和边带噪声有关。频谱分析仪本振的剩余调频决定了频谱分析仪可允许的最小分辨带宽。若分辨带宽太窄，剩余调频就会使频谱分析仪显示的信号模糊不清，以致在规定的剩余调频之内的两个信号不能被分辨出来。频谱分析仪的最小分辨带宽在一定程度上是由频谱分析仪的本振稳定性决定的。在低成本的频谱分析仪中，由于没有采取改善YIG振荡器固有剩余调频的措施，其最小分辨带宽一般为1 kHz；中等性能的频谱分析仪，第一本振有稳定措施，其最小的分辨带宽可以做到100 Hz；在现代高性能频谱分析仪中，采用频率合成技术来稳定所有的本振频率，因此频谱分析仪的分辨带宽可以做到10 Hz，甚至1 Hz。

频谱分析仪的本振频率或相位不稳定的表现是可以观察到的，这就是相位噪声，也称为边带噪声。本振的边带噪声在频谱分析仪测量信号频谱的两边出现，如图4-27所示。这些边带噪声电平高于频谱分析仪系统带宽的噪声门限。频谱分析仪的本振越稳定，边带噪声越低。频谱分析仪的边带噪声还和分辨带宽有关，如果分辨带宽缩小到原来的1/10，则边带噪声电平减少10 dB，如图4-28所示。

图4-27　频谱分析仪的边带噪声

图4-28　频谱分析仪边带噪声与分辨带宽的关系

边带噪声不仅是限制频谱分析仪灵敏度的因素之一，而且也是限制频谱分析仪分辨不等幅信号的因素之一。前面已经说明了频谱分析仪的分辨带宽和形状因子是分辨两个频率接近信号的主要因素，但前提条件是：频谱分析仪的边带噪声不能掩盖小信号，否则边带噪声将使不等幅信号无法区分，通俗地说，若信号被边带噪声淹没，则无法进行测量和分辨。

3）频率精度

频率精度是频谱分析仪的重要参数之一，它表征了频谱分析仪测量频率的准确度。频谱分析仪测量频率的方式有：绝对频率测量和相对频率测量两种。绝对频率测量就是频谱分析仪测量信号的频率值，例如地球站电磁干扰信号的频率测量，信号源输出信号的频率测量等；相对频率测量就是测量多个信号之间的频率差，例如失真信号测量，相对载波的频偏测量等。因此频谱分析仪测量频率的精度亦分为绝对频率测量精度和相对频率测量精度，或者称为绝对频率测量的不定性或相对频率测量的不定性。

频率精度主要由频谱分析仪的参考源或本振源精度决定。频谱分析仪的本振源有两种形式，即频率综合本振源和频率非综合本振源。早期频谱分析仪的本振源不是综合源，本振频率精度不高，绝对频率测量精度达到兆赫兹量级；现代高性能频谱分析仪采用锁相高稳定本振源，大大提高了频谱分析仪的绝对频率测量精度。

一般地，频谱分析仪的绝对频率测量精度与频谱分析仪的码刻测量频率、本振频率参考误差、频谱分析仪的扫频宽度和分辨带宽等因素有关。频谱分析仪的绝对频率测量精度可表示为：

式中：Δf——频谱分析仪绝对频率测量误差（Hz）；

fmax——频谱分析仪测量的频率（Hz）；

δfref——频谱分析仪参考频率或本振频率精度；

A%——频谱分析仪扫频宽度的相对精度；

B%——频谱分析仪分辨宽度的相对精度；

SPAN——频谱分析仪扫频宽度（Hz）；

RBW——频谱分析仪分辨宽度（Hz）；

C——剩余误差常数（Hz）。

由式（4-27）可知，只有知道频谱分析仪的参考频率精度、扫频宽度和分辨带宽的相对精度，方可计算频率测量精度。在大多数情况下，频谱分析仪的技术手册给出了每年或每天的频率稳定性和频率剩余误差常数，从而可计算频率测量精度。Agileng 8560EC系列频谱分析仪的频率精度特性如下：

频率基准精度（参考频率精度）：

温度稳定性：±1×10-8

老化率/年：±1×10-7

稳定性：±1×10-8

频谱分析仪的码刻Δ功能可以测量相对频率，显然相对频率的测量精度主要由频谱分析仪的扫频宽度SPAN的精度决定。对于Agilent频谱分析仪，测量任意两个信号的频率差，频谱分析仪的扫频宽度精度就是相对频率测量精度。例如，Agilent 8563EC频谱分析仪的扫频宽度精度为1%，当用SPAN=100 kHz来测量两个分离信号的相对频率时，其相对频率测量误差为1 kHz。