摘要：当下，频谱分析仪在各个行业的使用日渐广泛，比如对频谱的监测，对仪器物件的分析等等。它之所以能够被广泛使用，是因为在处理以及分析信号时，它可以起到测量的作用。
关键词：频谱仪；射频信号；相位噪声；测量；不确定
1.原理分析
1.1频谱仪结构
由图1可以看出，输入信号经过输入衰减器和预选滤波器后，在混频器中，与本地振荡器的本振信号作中频变换，变换后产生一个固定的中频信号，经过中频增益器放大、输入到分辨率带宽滤波器该滤波器决定了分辨率带宽RBW，中频信号在对数放大器中进行压缩，然后通过包络检波器进行包络检波，所得信号称为视频信号。再经视频滤波器来平均化，从而不受噪声影响并且可平滑显示（视频滤波器决定了视频带宽VBW）。滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，在屏幕上绘出坐标图，就得出输入信号的频谱图。
考虑到在频谱仪中使用了混频器器件，待测信号的谐波也会与混频器混频产生低频分量。这些低频分量是否会影响真实信号指标的测量，我们需要通过对混频器的交调特性进行分析。
图1 典型的扫频式频谱仪结构图
1.2混频器交调特性分析
对于任何非线性器件，其输入信号和输出信号的关系为：
U0=k0+k1Ui+k2U2i+k3U3i+k4U4i+……（1）
其中，Ui为输入信号幅度；U0为输出信号幅度；k0、k1、k2、k3、k4为常数。
对于混频器的输入信号，一般都具有谐波分量，为方便计算，我们假设其只具有一个谐波分量，这样我们可以按输入双音信号进行分析计算。
设混频器的输入信号为：
Ui=A1cosωR1t+A2cosωR2t+BcosωLt
其中，A1和A2为输入信号幅度，B为本振信号幅度；ωR1和ωR2为输入信号角频率，ωL为本振信号角频率。
假设ωR1是待测信号的输入频率，ωR2是待测信号的谐波分量，即ωR2=NωR1。
由此可知，当输入信号存在谐波信号时，通过混频器后，一些四阶交调分量可能会演变成所需中频信号的二阶分量。
实际使用中，我们一般采用双平衡混频器、镜像抑制混频器等，这类混频器在所有三个端口之间提供良好的隔离度，并对所有RF和LO信号的偶次谐波频率进行抑制，所以主要是信号的奇次谐波产生的组合频率会演变成所需的中频信号。
1.3相位噪声分析
通过1.2节分析得知，当待测信号存在谐波分量时，尤其是奇次谐波分量，待测信号通过频谱分析仪中混频器后会在真实的中频信号上叠加一个虚假分量。
假设待测信号存在三次谐波，P1和P3为基波和三次谐波的功率值，n1，f0和n3，f0分别为基波和三次谐波在偏离f0处的相位噪声值，通过混频器后，中频叠加了三次谐波分量的频谱信息（k1、k3分别为基波和三次谐波的变频系数），如图2所示。因此，基波相位噪声测试结果的不确定性就来自谐波分量与基波相位的相对关系。
图2：基波与三次谐波混频的相位噪声谱
2.实验过程
（1）设置被测信号发生器的载波频率为l0GHz，幅度为0dBm，且处于载波工作状态；（2）将频谱分析仪复位并恢复出厂设置，中心频率设置为10GHz，扫宽10MHz，幅度衰减设置为10dB；（3）按频谱分析仪上峰值搜索，打开信号跟踪，再将扫宽调整50kHz（调整信号清楚）。将分辨率带宽设置为1kHz，视频带宽没置为3kHz，关闭信号跟踪。将扫描时间设置为5S。依照单次扫描，在扫描成功后，接着查找最高值；（4）依照以下规律建立频谱分析仪用作衡量20kHZ噪声边带的电平值。打开Delta标尺功能，用标尺功能巾的噪声标尺的功能.将频谱分析仪参考电平设置为一10dBm，设置中心频率步进为20kHz，然后设置载波频率为10GHz+20kHz。将扫宽设置为零，按下单次扫描；（5）记录测量的结果；（6）反复几次分别测量偏离载波频率20kHz、30kHz、50kHZ和100kHZ的相位噪声；（7）记录测量结果值。
3.测量结果的分析
本文仪对频偏在20kHz时的相位噪声的不确定度进行分析。误差的来源
（1）实验共测量6次，每次测量结果都会不同，这会带来多次测量的误差。
（2）频谱分析仪测试误差引入的测量不确定度。根据频谱分析仪的工作原理及内部组成机构来考虑，以下几个部分可能带来测量误差：①参考电平的允许误差频谱分析仪都是选用显示屏最顶部一格作为参考电平，它和输入衰减器及中频增益有关，改变参考电平，输入衰减器和中频增益都会作相应改变，以保证?混频器和显示电路工作在最佳状态，一般都以校准电平为参考，增加或者减小参考电平都会引入误差。②刻度保真度的允许误差刻度保真度就是在显示屏的垂直方向显示信号幅度的线性程度，它取决于检波器的线性度，数字化电路的线性度，垂直放大器的线性度以及显示器将电信号转换成显示信号的线性度。③分辨带宽转换偏差分辨带宽是由带通滤波器决定的，不同的带通滤波器插入损耗特性不一致，在不同的分辨带宽下测量同一信号或同一对信号在不同的分辨带宽下测量，都会引起测量幅度值的不同。④频率响应也可解释为频率特性，它是在一定的频带范围内，增益的稳定性以及相位的误差性的判定标准。所以在载波频率l0GHz和偏离载波一定频率的幅度两点可能存在一定的误差。⑤噪声边带引入误差（频谱分析仪的本底噪声）频谱分析仪显示的任何一个幅度值都是某级中放通频带内所有能量的总和，也就是信号电平再加噪声电平，噪声电平要小信号电平很多，就是信噪比大的时候，噪声邻接引进误差就能够不计算，如果信噪比小于l0dB，就需要引起注意。⑥分辨带宽对测量结果的影响2个信号频率相差小时，而分辨带宽又大于这2个频率的差时，会使两信号的幅度值测量受影响而不准确，减少分辨带宽可以提高测试结果的准确度。⑦阻抗不匹配可能带来误差。
4.结语
相位噪声并不是理想脉冲信号，本身就具有不确定性。频谱仪的测量也是有一定范围的，即它所能测量的最大信号电平与最小信号电平的差值。比如国睿安泰信的频谱仪GA4063的测量范围是+30dBm～-160dBm.。由于频谱分析不断的发展与进步，这种仪器的功能也在不断扩大，进而可以应用于多个领域，使得它在面临新的问题的时候，会给出相应的解决方案。
参考文献：
[1]相位噪声比对方法和分析[J].杜福鹏，赵广春，毕鹏.国外电子测量技术.2013（04）
作者简介：
刘伟 性别：男；籍贯：长丰；民族：汉；学历：本科；职称：工程师；职务：机电工程师；研究方向：射频测试和测量；单位：华东电子工程研究所
论文作者:刘伟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/24
标签：信号论文; 混频器论文; 谐波论文; 测量论文; 噪声论文; 电平论文; 相位论文; 《电力设备》2017年第16期论文;