UTS3000B系列 频谱/信号分析仪

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频谱分析仪主要针对信号的频域分析，展示信号的能量分布随频率的变化情况。频谱分析仪擅长于检测信号的杂散, 失真, 干扰源定位以及符合特定频谱 mask 的合规性验证，广泛应用于无线通信测试, 电磁兼容(EMC)分析, 射频系统调试等领域。
信号分析仪则提供更为全面和深入的信号分析能力，它不仅限于频谱分析，还能进行复杂的时域分析, 调制分析, 数字信号处理分析等。在数字通信, 雷达系统分析等领域，是不可或缺的工具。
频谱分析仪是“看频谱”的专家，而信号分析仪则是“解码复杂信号”的高手。

频谱分析仪是测量频率范围内幅度随频率变化的仪器, 它主要是用来测量已知信号和未知信号的频率与功率。在无线通讯, 移动通信, 射频工程，电子产品制造等领域不可或缺，可用于观察信号, 诊断排查, 干扰跟踪，评估电路及射频组件特性和系统性能等测试任务。

频谱分析仪的动态范围是指仪器能够同时测量的最强信号与最弱信号之间的功率差值(单位dB)
最大可测信号：受限于输入混频器的1 dB压缩点（P1dB）或三阶交调失真（TOI）
最小可测信号：由显示平均噪声电平决定（DANL, Displayed Average Noise Level）
动态范围≈2/3（P1dB-DANL)

示波器捕获电信号的电压随时间变化显示波形的幅度, 周期, 等参数，而频谱分析仪将时域信号转换为幅度随频率的分布，显示信号的频率成分, 谐波, 杂散等参数
举栗子：假设你有一个 1 kHz 正弦波 + 10 kHz 噪声干扰 的信号
示波器：显示一条带“抖动”的 1 kHz 波形，难以分辨 10 kHz 成分
频谱仪：两个清晰的波峰：一个在 1 kHz（主信号），一个在 10 kHz（干扰），并标出各自幅度（如 -10 dBm）。

频谱分析仪主要分为两大类：扫频调谐分析仪和实时分析仪。这两种类型的频谱分析仪都采用了数字信号处理技术，从而提供了丰富的测量功能，使得测量结果的解读更加便捷。扫频调谐分析仪会按照顺序逐一显示测量结果，而非实时显示，而实时频谱分析仪则能够同步展示所有频率分量的能量。

频谱仪通常提供Sweep和FFT两种扫描模式。在较窄的RBW设置下，FFT模式相较于Sweep模式在速度上更具优势。然而，当扫宽小于频谱分析仪的FFT分析带宽时，FFT模式才能有效测量瞬态信号。若扫宽超出FFT分析带宽，采用FFT扫描模式可能导致信号采样间隙中的有用信号丢失，从而造成频谱失真，特别是对于脉冲信号和FSK调制信号等类型。

频谱分析仪的性能评估涉及多个关键技术指标，包括频率范围、分辨率带宽、分析带宽、SSB相位噪声、分析时间、扫频速度、动态范围、灵敏度、显示方式和假响应等。这些指标共同决定了频谱分析仪的测量准确性和性能表现。其中，分辨率带宽是频谱分析仪的核心指标之一，它反映了仪器区分最邻近谱线的能力，直接影响着测量的精细度。
【假响应】是指在频谱分析仪的显示器上出现的不应有的谱线。这种现象在超外差系统中是难以完全避免的，但可以通过技术手段尽量抑制到最低程度。

分辨率带宽（RBW）越小，频谱分析仪的灵敏度会相应提高，但扫描速度会变慢。因此，在实际测试中，应根据需求合理设置RBW，以在灵敏度和扫描速度之间找到平衡点，既确保准确测量信号，又获得快速的测量速度。

跟踪源是频谱分析仪的一个重要选件。当其输出信号经过被测件的输入端口，同时该被测件的输出又连接到频谱仪的输入时，这样，频谱仪与跟踪源便构成了一个完整的自适应扫频测量系统。在这个系统中，跟踪源输出的信号频率能够精准地跟随频谱分析仪的调谐变化。利用跟踪源选件，频谱仪能够简易地执行标量网络分析，从而观测到被测件的激励响应特性，例如器件的频率响应、插入损耗等关键指标。

1.基础参数设置：依据被测小信号的强度，设置中心频率、扫宽（SPAN）和参考电平。
2.衰减值调整：在频谱分析仪未出现过载提示时，逐步降低衰减值。
3.RBW 优化：若被测小信号的信噪比小于 15dB，逐步减小 RBW。RBW 越小，频谱分析仪的底噪越低，灵敏度也就越高。
此外，如果频谱分析仪配有预放，记得打开它。预放能够改善频谱分析仪的噪声系数，进而提升灵敏度。对于信噪比欠佳的小信号，还可以通过减少 VBW 或采用轨迹平均的方法，平滑噪声，降低波动。
需注意，频谱分析仪的测量结果是外部输入信号与内部噪声之和。为确保测量结果准确，通常要求信噪比大于 20dB。

Peak 检波方式：选取每个 bucket 中的最大值作为测量值，适用于连续波信号及信号搜索测试。
Sample 检波方式：通常用于噪声和 “类噪声” 信号的测试。
Neg Peak 检波方式：适合小信号测试，如 EMC 测试。
Normal 检波方式：适合同时观察信号和噪声。

Log power对数功率平均：也叫Video Averaging，这种平均方式底噪最低，适用于低电平连续波信号测试。不过，对于 “类噪声” 信号，如宽带调制信号 W - CDMA 等，会存在一定误差。
功率平均：即 RMS 平均，适用于 “类噪声” 信号（如 CDMA）的总功率测量。
电压平均：适合观测调幅信号或脉冲调制信号的上升和下降时间。

现代频谱仪一般都具备 Sweep 模式和 FFT 模式。通常，在 RBW 设置较窄时，FFT 模式比 sweep 模式速度更快；而在 RBW 较宽时，sweep 模式更具速度优势。
当扫宽小于 FFT 的分析带宽时，FFT 模式可用于测量瞬态信号。但当扫宽超出频谱分析仪的 FFT 分析带宽时，若采用 FFT 扫描模式，信号会被分段处理，段与段之间在时间上不连续，可能导致在信号采样间隙丢失有用信号，造成频谱分析失真。这类信号包括脉冲信号、TDMA 信号、FSK 调制信号。

是的，有2 种方法可将频谱分析仪当作网络分析仪使用，但是都只能进行标量测量。
方法1：使用频谱分析仪内置的跟踪信号源。大部分安捷伦频谱仪可以加装这个选件。如果要测量反射系数，则还需要一个定向耦合器去采集反射功率。
方法2：使用独立的源。如需要可配上耦合器。前提是频谱仪的扫描速度要快过信号源的扫描速度。但这种方式通常不被推荐，因为它的准确性较低。
对于校准，可用到的方法是归一化的方法。这种方法把接收机和源的频率响应移除。然而，矢量网络分析仪采用更强大的误差校准技术，还可以消除不匹配和交调带来的的影响。这就意味着，一般来讲，和频谱分析仪方法相比较，网络分析仪可以进行更准确的测量。

尽管FFT结果中包含了信号的相位信息，但频谱仪的测试结果主要展示幅度特性，不直接提供相位信息。这是因为IF滤波器后的包络检波器仅保留了信号的幅度，而相位特性在处理过程中被丢失。

在测试正弦信号时，视频滤波器（video filter）定义了视频带宽（VBW），其作用是滤除信号中的噪声，使显示更加稳定。由于正弦信号的包络恒定，经过包络检波器后得到的是直流分量，因此视频滤波器的带宽变化不会对信号幅度造成影响。

扫描时间与滤波器的瞬态响应密切相关。若扫描时间设置过短，中频滤波器或视频滤波器可能无法达到稳定状态，从而导致幅度损失和信号显示失真。为了避免这种测量误差，频谱仪在正常工作时，会将分辨率带宽、视频带宽、扫描时间和Span进行联动调整。

在DC-Coupled模式的频谱分析仪中，该值表示混频器能够承受的最大直流电源，通常为0V。而在AC-Coupled模式中，它则对应于频谱分析仪输入处的耦合电容器的介电强度，一般为50V。

RMS检波器能够测量输入信号的实际功率，不受其时间特性的影响。但需注意，使用RMS检波器时，VBW至少应该是RBW的3倍，以避免视频电压平均导致的信号权重不足和信道功率过低的问题。对于数字调制信号这类类似于噪声的信号，进行信道功率测量时首选RMS检波器。若选择Sample检波器，则需要进行额外的换算。

Sample检波器从分配给pixel的样本中选择一个值进行显示，与RMS检波器不同。当要显示的Span远大于分辨率带宽时，可能出现信号无法正确显示的情况。此外，在测量高斯噪声时，使用Sample检波器显示的迹线会围绕噪声引起的IF信号包络的平均值变化，该平均值比RMS值低5 dB。
何时应使用频谱仪的Average功能？
当需要长时间观察信号的变化或减少随机噪声的影响时，可以使用频谱仪的Average功能。
频谱仪的Average功能，通过对多次测量（扫描）进行平均，可以平滑显示的迹线。用户可输入要平均的扫描数。但需注意，这种平均方法有时可能导致结果与使用窄带视频滤波器时的结果有所差异。
在使用sample检波器时，若处于对数电平显示模式，显示的平均值将比实际值低45 dB。然而，在线性电平显示模式以及大视频带宽（VBW≥RBW）的情况下，可以获得更为真实的平均值。
此外，RMS检测器在线性模式或对数电平模式下均不适用于轨迹平均。

现代频谱分析仪采用LCD显示器来呈现记录的光谱，其电平和频率显示的分辨率受到像素限制。因此，频谱仪利用Marker Function突破这一限制，实现高分辨率的结果确定。

频谱仪的最大允许扫描速度受限于IF滤波器和视频滤波器的瞬态响应。当VBW大于RBW时，随着RBW降低N倍，所需的最小扫描时间将增加N的平方倍。而当VBW小于RBW时，扫描时间则主要受视频滤波器瞬态响应影响，视频带宽减小N倍会导致扫描时间延长N倍。

参考电平是频谱仪要显示的最大信号电平，即屏幕顶格所代表的电平。RF衰减值和IF增益会根据参考电平进行自动调整。为了避免大信号输入导致混频器及后续电路的非线性，需要合理设置RF衰减器的值。同时，为了充分利用对数放大器和包络检波器（或A/D转换器）的总动态范围，需要适当调整IF放大器的增益。

这是由于频谱仪的自动设置机制所致。即使参考电平设置得很小，为了确保测量精度和避免电路非线性，频谱仪仍然会自动将衰减器的值设置为10dB或其他合适值。这种设置是基于仪器内部算法和校准数据进行的，旨在为用户提供准确可靠的测量结果。
频谱仪在设置参考电平和衰减器时，会遵循一定的标准，即确保混频器的输入电平等于参考电平减去RF衰减器的值。这一标准旨在保护混频器并实现良好的输入匹配，从而减少因不匹配而导致的测量误差。
在测试不同频率和电平的信号时，这一标准同样适用。例如，如果要测试一个30MHz的信号，同时频谱仪附近有一个较大的1GHz信号干扰，那么只要频谱仪具有预选滤波器（如YIG滤波器），就可以有效地滤除干扰信号，从而准确测试出30MHz信号的性能。
此外，要获得频谱仪的最大灵敏度，通常需要将RF衰减器设置为0dB。如果仅凭频谱仪自身的性能无法满足测试要求，可以考虑外接低噪声放大器（LNA）来增加信号增益，但需注意将LNA的增益纳入测量考虑范围。
当大小信号（如间距100kHz）同时进入频谱仪时，除了受到频谱仪动态范围的影响外，还会受到本振相噪的干扰。这是因为频谱仪本质上是一个接收机，其小信号检测能力与接收机的干扰信号抑制指标和本振相噪密切相关。
另外，关于频谱仪中的本振环路带宽是否可调的问题，不同型号的频谱仪可能有所不同。在实际使用时，可以根据需要和设备手册进行详细了解。
频谱仪的本振环路带宽可分为三种：Wide PLL Bandwidth、Medium PLL Bandwidth和Narrow PLL Bandwidth。这三种带宽在相位表现上有所不同，具体来说，在环路带宽内，Wide BW的相位噪声最小，而Narrow BW的相位噪声最大；而在环路带宽外，则恰好相反。频谱仪会根据不同的测试场景自动调节环路带宽，以确保最佳的测量性能。
例如，在测试范围较宽的情况下，环路带宽外的相噪影响更为显著，因此频谱仪会自动选择Narrow PLL Bandwidth以减小相噪。
此外，频谱仪在低频端（如9kHz）的底噪表现较差，这主要是由于输入频率较低时，LO频率和IF频率接近，导致中频电路对LO频率的抑制减小，本振信号进入检波电路并显示在屏幕上，即所谓的LO Feedthrough现象。为减小此现象，可以尝试减小RBW或采取仪器厂家的相关措施。
当使用频谱仪测量数字调制信号时，若信号信噪比较低，直接读数可能不够准确。此时，建议使用RMS检波器进行测量，并按照相关步骤计算S值（信号功率）。同时，对于手动操作和远程操作频谱仪的情况，由于操作方式不同，完成一次测量的时间也可能会有所差异。
对于手动操作，频谱仪完成一次测量所需的时间包括Sweep Time、Data Processing、Display三个部分。而对于远程操作，由于需要额外的时间进行数据输出，因此时间会增加。
在远程操作时，为了提高测试效率，可以考虑关闭屏幕显示，以节省时间。
当使用频谱仪测量相噪时，为确保测量准确性，需要先测量输入信号的相噪，并记录下相噪曲线。随后，保持频谱仪设置不变，但不给频谱仪输入，测出其底噪。只有当底噪在相噪曲线的下方且低于10dB时，才可以认为相噪测量基本不受频谱仪底噪的影响。
在进行ACPR（adjacent channel power ratio）测试时，应将RBW设置为信道带宽的1%~3%，VBW设置为大于3倍RBW的值，并选择RMS检波器进行测量。同时，应避免使用trace Averaging功能。
此外，频谱仪在杂散或相邻信道功率测量方面具有优势，但与功率计相比，其功率测量精度稍差。为了解频谱仪测量的误差范围，可以参考相关文献中介绍的总测量不确定度计算方法进行评估。