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頻譜分析儀是怎樣工作的
信號的頻譜分布實際上就是測量結果在頻域上的反映，頻域和時域的關系如圖1所示。示波器在時域測得近似方波的信號，經(jīng)過傅里葉變換被分解為基波和高達11次奇次諧波。當用頻譜分析儀從頻域觀察時，能夠識別出所有頻率組成。以圖1為例，基波、3次諧波、5次諧波和11次諧波可以被區(qū)分出來。由此可以看出，時域和頻域是從不同角度對同一個信號的描述。
簡單介紹下頻譜分析儀的工作原理：以帶寬接收機開始，然后逐漸涉及頻譜分析儀的其他部分。在了解這些內(nèi)容和頻譜結構的基本概念后，讀者應該對RBW和VBW功能有所了解。
帶寬接收機
頻譜分析儀的工作原理就像一個帶寬接收機，帶寬范圍從幾十KHz或幾十MHz開始。接收機的功能是將輸入信號的頻率轉(zhuǎn)換為檢測回路能處理的頻段，正如我們所知的外差法。圖2位帶寬接收機的基本結構，包括一個混頻器、一個本機振蕩器（LO）和一個帶通濾波器。本機振蕩器產(chǎn)生一個混頻振蕩信號。混頻器將輸入信號與本機振蕩器產(chǎn)生的信號混合在一起，總信號就包括兩種信號的和與差。量信號之差成為中頻（IF），它是檢測回路使用的部分信號。帶通濾波器濾掉信號中不需要的成分，然后將僅留下的IF傳到檢測和顯示單元。頻譜分析儀本質(zhì)上是一個帶寬接收機，因此需要不只一次的頻率轉(zhuǎn)換。次數(shù)由頻率范圍、頻率分辨率和RBW濾波器決定。
衰減器
將衰減器置于射頻輸入路徑，擴寬了輸入信號準位的動態(tài)范圍或?qū)︻l譜分析儀增添了更多的輸入保護。參考圖3，衰減器將來自混頻器（RF中部）的信號準位限制在一定范圍內(nèi)，如果輸入信號超過參考準位，將會引起測量誤差或偽噪聲，這就是為什么某些頻譜分析儀會在特定信號條件下列出儀器規(guī)格，包括混頻器中具體的信號準位。
分辨率濾波器
當輸入信號頻率轉(zhuǎn)換為更低頻帶并濾入檢測和顯示單元時，為了區(qū)別頻率接近的信號，會用到RBW（分辨率帶寬）濾波器，如圖4所示。
圖5，在不同分辨率帶寬下，RBW濾波器如何區(qū)分兩種信號。將兩個等幅信號通過兩種RBW濾波器濾波，其中RBW1的分辨率優(yōu)于RBW2。從結果可以看出，當通過較窄RBW1濾波器時，能清晰分辨出兩種信號，但是通過較寬RBW2濾波器時，結果就不如RBW1。我們可以預測到，如果RBW2的分辨率帶寬更寬，我們甚至會將結果誤認為是一個信號。當兩個信號的頻率十分接近時，這種情況機會發(fā)生。另一種情況是，當兩個信號的幅值差距很大，RBW1仍能夠檢測到較小信號，但是RBW2卻不能，如圖6所示。所以這些濾波器又稱為分辨率濾波器。
檢波器
RBW濾波之后，檢波器能夠檢測能量并將其轉(zhuǎn)換成直流電壓。顯示單位利用該直流電壓描繪頻譜分布，如圖7所示。
視頻濾波器
在直流電壓進入顯示單元之前，需要將檢波器產(chǎn)生的噪聲壓縮，這個濾波器成為視頻濾波器，它的帶寬成為VBW，系統(tǒng)如圖8所示，視頻來自電視廣播系統(tǒng)。視頻濾波器也作為后置濾波器，圖9呈現(xiàn)出VBW對顯示輸出的影響。如果待測信號通過兩個VBW濾波器，其中VBW1小于VBW2，結果顯示VBW2的底噪要比VBW1大。換句話說，視頻濾波器將底噪平均了。但要注意的是，底噪準位并沒有改變，VBW濾波器僅平均噪聲準位，并不影響信號底噪的總體幅值。
掃描時間
上述內(nèi)容介紹了頻譜分析儀的基本機構，而且對RBW和VBW也作了詳細解釋。一般來說，掃描時間與頻譜分析儀的頻率分辨率成反比。掃描時間越快，解析度越低（RBW、VBW越寬）；掃描時間越慢，解析度越高（RBW、VBW越窄）。因此如果選擇較窄的RBW或VBW，顯示信號的時間就會變長。這就意味著RBW和VBW越窄，掃描時間越長。對于RBW/VBW/掃描時間，絕大多數(shù)頻譜分析儀都具有自動和手動選擇模式。自動模式權衡了頻寬、RBW、VBW和掃描時間，通常能獲得很好的結合。