浅析频谱分析仪的相位噪声和扫描时间

　　没有一种振荡器是绝对稳定的。虽然我们看不到频谱分析仪本振系统的实际频率抖动，但仍能观察到本振频率或相位不稳定性的明显表征，这就是相位噪声（有时也叫噪声边带）。

　　它们都在某种程度上受到随机噪声的频率或相位调制的影响。本振的任何不稳定性都会传递给由本振和输入信号所形成的混频分量，因此本振相位噪声的调制边带会出现在幅度远大于系统宽带底噪的那些频谱分量周围。

　　显示的频谱分量和相位噪声之间的幅度差随本振稳定度而变化，本振越稳定，相位噪声越小。它也随分辨率带宽而变，若将分辨率带宽缩小10倍，显示相位噪声电平将减小 10 dB。

　　相位噪声频谱的形状与分析仪的设计，尤其是用来稳定本振的锁相环结构有关。在某些分析仪中，相位噪声在稳定环路的带宽中相对平坦，而在另一些分析仪中，相位噪声会随着信号的频偏而下降。相位噪声采用 dBc（相对于载波的 dB 数）为单位，并归一化至 1 Hz 噪声功率带宽。有时在特定的频偏上指定，或者用一条曲线来表示一个频偏范围内的相位噪声特性。

　　通常，我们只能在分辨率带宽较窄时观察到频谱仪的相位噪声，此时相位噪声使这些滤波器的响应曲线边缘变得模糊。对于分辨率带宽较宽的滤波器，相位噪声被掩埋在滤波器响应曲线的边带之下。

　　在任何情况下，相位噪声都是频谱仪分辨不等幅信号能力的最终限制因素。根据 3 dB 带宽和选择性理论，我们应该能够分辨出这两个信号，但结果是相位噪声掩盖了较小的信号。

　　如果把分辨率作为评价频谱仪的唯一标准，似乎将频谱仪的分辨率（IF）滤波器设计得尽可能窄就可以了。然而，分辨率会影响扫描时间，而我们又非常注重扫描时间。因为它直接影响完成一次测量所需的时间。

　　考虑分辨率的原因是由于中频滤波器是带限电路，需要有限的时间来充电和放电。如果混频分量扫过滤波器的速度过快，便会造成下图所示的显示幅度的丢失。

　　如果我们考虑混频分量停留在中频滤波器通带内的时间，则这个时间与带宽成正比，与单位时间内的扫描（Hz）成反比，即通带内的时间等于：

　　分辨率的变化对扫描时间有重大影响，当分辨率每改变一档，扫描时间会受到约 10 倍的影响。频谱分析仪一般会根据扫宽和分辨率带宽的设置自动调整扫描时间，通过调节扫描时间来维持一个被校准的显示。必要时，我们可以不使用自动调节而采用手动方式设定扫描时间。如果所要求的扫描时间比提供的最大可用扫描时间还短，频谱仪会在网格线右上方显示“Meas Uncal”以表示显示结果未经校准。

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　　平均是减小测量系统固有不确定度的一个最常用的方法。进行多次测量，对其结果求平均，可以减小测量随机性的影响。如今大部分测量仪器都具有平均功能，仪器通常不是直接输出含有噪声的结果，而是测量上百次，计算出平均值，把平均值作为结果输出。但是下文会描述：频谱分析仪中的功率平均有时会导致不正确的结果。本文的试验会引用两家不同厂商的频谱分析仪的功率测量结果。但是本文的结论对任何使用“后处理平均方法”的频谱分析仪都适用。第一个错误观点：对均方根功率求平均，可以得出跨度为零的轨迹（或其一部分）的平均功率。为了更好的驳斥这个观点，有必要先了解一下平均的数学定义。如公式1所示：MAVE是某个试验N次测量的平均值，其中Mi是每一次测量的结果。在这个例子中

　　以及滤波处理。1 系统整体设计方案本设计的虚拟频谱分析仪即可以对虚拟信号发生器所产生的信号进行频谱分析。也可以对通过信号调理器，基于PCI总线的DAQ卡组成的采集系统所采集到的外部信号进行频谱分析。其中，在对外部信号进行频谱分析时，外界被测信号首先传送到信号调理电路，且由信号调理电路对它进行放大、滤波、隔离等处理后，再经数据采集卡进行A／D转换，以将模拟信号转换为数字信号，然后由软件对被测试信号进行频谱分析和处理，最后得到测试结果，并按要求将它们显示或储存起来。本文所设计的虚拟频谱分析仪的前面板图如图1所示。这一种虚拟频谱分析仪能够提供一个高精度的频谱分析功能，并且可以同时观察输入信号的频域显示。但该虚拟频谱分析仪

　　频谱分析仪工作原理目前信号的分析主要从时域、频域和调制域三个方面进行，频谱分析仪分析的是信号的频域特性，它主要由预选器、扫频本振、混频、滤波、检波、放大等部分组成。频谱分析仪的基本工作原理是输入信号经衰减器加到混波器，与可调变的扫频本振电路提供的本振信号混频后，得到中频信号再放大，滤波与检波，把交流信号及各种调制信号变成一定规律变化的直流信号，在显示器上显示。输入衰减器是以10 dB为步进的衰减器，主要用途是扩大频谱仪的幅度测量范围，保证第一混频器对被测信号来说处于线性工作区，使输入信号与频谱仪达到良好的匹配。滤波器的作用是抑制镜像干扰以及其他噪声干扰，保证测量的稳定准确。混频器也称变频器，它能将微波信号变换成所需要的中频信号

　　频谱分析仪是用于测量射频信号幅度与频率之间关系的测量仪器，通常用于频域测量。而用于时域测量通常使用的仪器是示波器。频谱分析仪可以用于测量频率、功率幅度、谐波、带宽以及其他射频信号相关的参数。我在ARRL实验室经常进行的一个重要测试项目是对发射机或功放进行带外辐射指标的测试。在该指标的测试过程中，会测量发射信号的所有谐波和杂散相对基波（载波）信号的电平幅度差。通常我们采用经过计量的Agilent/HP 8563E频谱分析仪进行测试，这台频谱分析仪的频率覆盖范围为9kHz～26.5GHz。HP 8563E是一台非常精确的，实验室级别的专业仪器，但它的价格会让绝大多数火腿和电子爱好者望而生畏。即便是一台二手的HP 8563E

　　AT5010频谱分析仪功能介绍聚焦旋钮（FOCJS）：用于光斑锐度调节。亮度调节旋钮（1NTENS）：用于亮暗调节。电源开关（POWER）：按下后，频谱分析仪开始工作。轨迹旋钮（TR）：即使采用磁屏蔽（铍膜合金），地球磁场对水平扫描线的影响仍然是不可避免的。 通过安装在轨迹旋钮中的电位计调节轨迹，并且水平扫描线基本上与水平刻度线kHz带宽下选择时，噪声电平降低，选择性提高，频率更高的频谱线可以分离。此时，如果扫描宽度太宽，则需要较长的扫描时间，这将降低信号转换过程中的信号幅度并使测量不正确。此时，“校准失败”LED亮起这一点。视频滤波器选择（VIDEOFILTER）：可用于降低

　　相位噪声的含义相位噪声是对信号时序变化的另一种测量方式，其结果在频率域内显示。用一个振荡器信号来解释相位噪声。如果没有相位噪声，那么振荡器的整个功率都应集中在频率f=fo处。但相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率中去，产生了边带(sideband)。从下图中可以看出，在离中心频率一定合理距离的偏移频率处，边带功率滚降到1/fm，fm是该频率偏离中心频率的差值。相位噪声通常定义为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处

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