频谱分析仪
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RIGOL Confidential
VB W
Video Detector
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
Envelop e Detector
本地振荡器
VB W 载波为1GHz
1GHz 100kHz
Video Detector
接收机
RIGOL Confidential
1.2什么是频谱分析仪
Beyond Measure
总结：
示波器和功率计是宽带的接收机； 频谱仪和矢量网络分析仪是窄带的接收机； 频谱仪测试的是信号，矢量网络分析仪测试的是系统。
RIGOL Confidential
1.3频谱分析仪的用途
Beyond Measure
经混频和滤波后，仍为调幅信号，但频率已改变。 混频后的滤波器作用是抑制镜像频率，防止信号混叠
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
本地振荡器
Envelop e Detector
VB W
≈
超外差式收音机
≈
超外差式接收机
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：模拟中频 VS 数字中
频
Beyond Measure
模拟 中频
ADC 全数字中频技术
衰减器 PreAmp 低通滤波器 Mixer 滤波器
RBW
本地振荡器
Video Detector RIGOL Confidential
Video Detector
经ADC采样变为数字信号
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
本地振荡器
RBW带宽设置为10K
Envelop e Detector
VB W
Video Detector
Fn − 1 F2 − 1 F3 − 1 F4 − 1 F = F1 + + + + ... + n −1 G1 G1G2 G1G2G 3 ∏ Gi
i =1
RIGOL Confidential
1.6频谱仪指标：RBW对DANL的影响
Beyond Measure
dB
RBW为100KHz 相差10dB 相差10dB RBW为10KHz RBW为1KHz
频谱分析仪VS功率计： 1.功率计比频谱仪测功率更准确一些：0.19dB VS 0.02dB 2.频谱仪能检测到更低的功率, 而功率计则不行：-172dBm VS -70dBm 3.频谱仪测功率可以选择频带, 而功率计不行,即后者无法分辨出基波功率和谐波功 率.
RIGOL Confidential
1.2什么是频谱分析仪
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
本地振荡器
Envelop e Detector
VB W 经过包络检波之后，时域上得到正 弦信号包络。 包络检波丢失了相位信息。
Video Detector
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
频谱仪指标:扫描时间与RBW
Beyond Measure
RBW 可以分辨频率更接近的信号，以及观察到幅度更小的信号，但同时也将使 单此扫描花更长的时间。
扫描时间和RBW的关系公式：
¾T代表扫描时间 数字滤波器RBW与模拟滤波器实现比较，可以得到更小的K值 ¾K为乘数因子 ¾Span为频率扫屏宽度 ¾RBW为频率分辨率 结论：同样扫宽下，要区别两个不同幅度的信号，相同的RBW下，滤波器设计的 K值越小，滤波器的选择性越好，可以得到越小的扫描时间。
RIGOL Confidential
1.4频谱分析仪市场
Beyond Measure
根据用途以及应用领域，频谱分析仪产品可以分为 三大类：
手机
通信
பைடு நூலகம்
雷达
卫星
国防
航空
RIGOL Confidential
1.4频谱分析仪市场
Beyond Measure
Data source: World General Purpose Test & Measurement Equipment Markets Frost and Sullivan, 2005
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
本地振荡器
VBW的滤波作用
Envelop e Detector
VB W
Video Detector
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
频谱仪
1.2什么是频谱分析仪
Beyond Measure Reference Level (dBm/V/W)
什么是频谱分析仪
– 在频域里显示和分析 信号的频谱特性的仪 器。 – 频谱分析仪是一种窄 带的接收机。
(Hz)
Stop Frequency
Start Frequency
RIGOL Confidential
RIGOL Confidential
1.5频谱分析仪工作原理
Beyond Measure
按工作原理分类
– 傅立叶频谱分析仪
低通滤波器
ADC
RAM
FFT
– 扫频式频谱分析仪
衰减器 Mixer
RBW
Detector
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：收音机VS.频谱仪
Beyond Measure
VB W
Video Detector
1GHz
1.5频谱仪工作原理：检波器
Beyond Measure
A
Neg peak Neg peak
f0
f1
检波器的选择
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
DANL与当前选择的RBW的设置相关。
RIGOL Confidential
1.6频谱仪指标：衰减对DANL的影响
Beyond Measure
dB
关闭PA，衰减为20dB
关闭PA，衰减为0dB
打开PA
DANL与当前选择的衰减器以及预放的设置相关
信号时域图
信号频域图
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
Envelop e Detector
本地振荡器
VB W 载波变为25MHz
25MHz
Video Detector
100kHz
Power Frequency
RIGOL Confidential
1.4频谱分析仪市场
Beyond Measure
Os: SA: SG: MM: NA: LA: A/F: PM: EC: LCR:
示波器 频谱分析仪 信号源 万用表 矢量网络分析仪 逻辑分析仪
任意波形/函数发生器
功率计 电子计数器 阻容感表
RIGOL Confidential
1.6频谱仪指标：相位噪声
Beyond Measure
阻碍分辨近旁小信号 产生：内部本振信号稳定度
表示方法：通常用10kHz偏移处 归一化到1Hz处的相对幅度表征。
低通滤波器 Mixer 滤波器
RBW 1kHz
本地振荡器
Offset 10kHz
Phase Noise = -75dBc – 10log(1kHz/Hz) = -105dBc/Hz @ 10kHz
VBW
解析带宽(RBW， Resolution Bandwidth)。 RBW 代表两个不同频率的 信号能够被清楚的分辨出来 的最低频宽差异。
RBW
输入信号 的频谱 IF滤波器 （RBW)的形 状 频谱仪显示出 的频谱 选择不同RBW的测试结果
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
RIGOL Confidential
△ Marker -75dBc
1.6频谱仪指标：DANL
Beyond Measure
DANL：Displayed Average Noise Level
DANL的计算公式:
LDAN
BWRBW = −174dBm + 10 log + NFSA Hz
NFSA = 10 log F
• RBW将带外的频率成分 滤除
25MHz 100kHz
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理： IF滤波器
IF滤波器的作用
衰减器 PreAm p 低通滤波器 Mixe r 低通滤波器
Beyond Measure
ADC
•
本地振荡 器
Envelop e Detecto r Video Detecto r
Beyond Measure
频谱分析仪VS网络分析仪：
被测对象是信号
当关心的是信号谱线的幅度和频率， 或者谐波、失真等参数时
频谱分析仪
信号
接 收 机
被测对象是电路单元
当关心的是电路的传递函数，或者衰 减器、放大器、滤波器或其他电路的增益 （或损耗）随频率变化等参数，以及反射测 量。
网络分析仪
信号源
DUT
Beyond Measure
RBW
Phase Noise D A NL
RIGOL Confidential
1.6频谱仪指标：RBW
Beyond Measure
RIGOL Confidential
1.6频谱仪指标：RBW
Beyond Measure
滤波器矩形系数
RIGOL Confidential
信号分析的两种手段
时域分析： 时域分析：
信号周期 信号周期 相位分析 相位分析 边沿测试 边沿测试 峰值电压 峰值电压 多信号比对 多信号比对
频域分析： 频域分析：
信号频率 信号频率 谐波分量 谐波分量 信号功率 信号功率 寄生、交调 寄生、交调 信号边带 信号边带
示波器
FFT?
RIGOL Confidential
FPGA+D SP VB W
Envelop e Detector
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
本地振荡器
Envelop e Detector
输入衰减器： 避免大信号输入引起过载，调理输入信号电平到 混频器工作的理想状态，要在混频器1dB压缩点以下。 降低阻抗失配的作用。 前置放大器： 提高信噪比，从而在噪声中分辨出小信号。 低通滤波器： 抑制镜像频率； 在RF输入端减少本振向RF输入口的泄漏与中频馈入
Data source: World General Purpose Test & Measurement Equipment Markets Frost and Sullivan, 2005
RIGOL Confidential
1.4频谱分析仪市场
Beyond Measure
Data source: World General Purpose Test & Measurement Equipment Markets Frost and Sullivan, 2005
内容提纲
Beyond Measure
1: 频谱分析仪概论
2: RIGOL频谱分析仪简介
3: 频谱分析仪应用
RIGOL Confidential
内容提纲
Beyond Measure
1: 频谱分析仪概论
RIGOL Confidential
1.1频谱的基本概念
Beyond Measure
1.2什么是频谱分析仪
Beyond Measure
频谱分析仪VS示波器： 1.更高的灵敏度：1mV VS 0.01uV
2.对于信号失真更容易测试；
3.更高的动态范围（同时测试最大信号和最小信号）； 4.更宽的测量频率范围
RIGOL Confidential
1.2什么是频谱分析仪
Beyond Measure
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
本地振荡器
Video Detector
视频检波器
Envelop e Detector
•
•
•
检波器作用：得到当 前扫频点频率处的幅 度值 当显示大频跨小RBW 时，一个像素点包含 了多个取样点。 在取样过程中，我们 有多种方式可以选择
RIGOL Confidential
ADC RBW
Envelop e Detector
本振的作用：以一定的步进完成当前设置的扫 宽内频率点的扫描，从而得到当前频段的谱图。
VB W
Video Detector
RIGOL Confidential
1.6频谱仪关键指标
Beyond Measure
RIGOL Confidential
1.6频谱仪指标
VB W
Video Detector
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
Envelop e Detector
本地振荡器
VB W 载波为1GHz
1GHz 100kHz
Video Detector
接收机
RIGOL Confidential
1.2什么是频谱分析仪
Beyond Measure
总结：
示波器和功率计是宽带的接收机； 频谱仪和矢量网络分析仪是窄带的接收机； 频谱仪测试的是信号，矢量网络分析仪测试的是系统。
RIGOL Confidential
1.3频谱分析仪的用途
Beyond Measure
经混频和滤波后，仍为调幅信号，但频率已改变。 混频后的滤波器作用是抑制镜像频率，防止信号混叠
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
本地振荡器
Envelop e Detector
VB W
≈
超外差式收音机
≈
超外差式接收机
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：模拟中频 VS 数字中
频
Beyond Measure
模拟 中频
ADC 全数字中频技术
衰减器 PreAmp 低通滤波器 Mixer 滤波器
RBW
本地振荡器
Video Detector RIGOL Confidential
Video Detector
经ADC采样变为数字信号
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
本地振荡器
RBW带宽设置为10K
Envelop e Detector
VB W
Video Detector
Fn − 1 F2 − 1 F3 − 1 F4 − 1 F = F1 + + + + ... + n −1 G1 G1G2 G1G2G 3 ∏ Gi
i =1
RIGOL Confidential
1.6频谱仪指标：RBW对DANL的影响
Beyond Measure
dB
RBW为100KHz 相差10dB 相差10dB RBW为10KHz RBW为1KHz
频谱分析仪VS功率计： 1.功率计比频谱仪测功率更准确一些：0.19dB VS 0.02dB 2.频谱仪能检测到更低的功率, 而功率计则不行：-172dBm VS -70dBm 3.频谱仪测功率可以选择频带, 而功率计不行,即后者无法分辨出基波功率和谐波功 率.
RIGOL Confidential
1.2什么是频谱分析仪
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
本地振荡器
Envelop e Detector
VB W 经过包络检波之后，时域上得到正 弦信号包络。 包络检波丢失了相位信息。
Video Detector
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
频谱仪指标:扫描时间与RBW
Beyond Measure
RBW 可以分辨频率更接近的信号，以及观察到幅度更小的信号，但同时也将使 单此扫描花更长的时间。
扫描时间和RBW的关系公式：
¾T代表扫描时间 数字滤波器RBW与模拟滤波器实现比较，可以得到更小的K值 ¾K为乘数因子 ¾Span为频率扫屏宽度 ¾RBW为频率分辨率 结论：同样扫宽下，要区别两个不同幅度的信号，相同的RBW下，滤波器设计的 K值越小，滤波器的选择性越好，可以得到越小的扫描时间。
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1.4频谱分析仪市场
Beyond Measure
根据用途以及应用领域，频谱分析仪产品可以分为 三大类：
手机
通信
பைடு நூலகம்
雷达
卫星
国防
航空
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1.4频谱分析仪市场
Beyond Measure
Data source: World General Purpose Test & Measurement Equipment Markets Frost and Sullivan, 2005
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
本地振荡器
VBW的滤波作用
Envelop e Detector
VB W
Video Detector
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
频谱仪
1.2什么是频谱分析仪
Beyond Measure Reference Level (dBm/V/W)
什么是频谱分析仪
– 在频域里显示和分析 信号的频谱特性的仪 器。 – 频谱分析仪是一种窄 带的接收机。
(Hz)
Stop Frequency
Start Frequency
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RIGOL Confidential
1.5频谱分析仪工作原理
Beyond Measure
按工作原理分类
– 傅立叶频谱分析仪
低通滤波器
ADC
RAM
FFT
– 扫频式频谱分析仪
衰减器 Mixer
RBW
Detector
RIGOL Confidential
1.5频谱仪工作原理：收音机VS.频谱仪
Beyond Measure
VB W
Video Detector
1GHz
1.5频谱仪工作原理：检波器
Beyond Measure
A
Neg peak Neg peak
f0
f1
检波器的选择
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1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
DANL与当前选择的RBW的设置相关。
RIGOL Confidential
1.6频谱仪指标：衰减对DANL的影响
Beyond Measure
dB
关闭PA，衰减为20dB
关闭PA，衰减为0dB
打开PA
DANL与当前选择的衰减器以及预放的设置相关
信号时域图
信号频域图
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1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
Envelop e Detector
本地振荡器
VB W 载波变为25MHz
25MHz
Video Detector
100kHz
Power Frequency
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1.4频谱分析仪市场
Beyond Measure
Os: SA: SG: MM: NA: LA: A/F: PM: EC: LCR:
示波器 频谱分析仪 信号源 万用表 矢量网络分析仪 逻辑分析仪
任意波形/函数发生器
功率计 电子计数器 阻容感表
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1.6频谱仪指标：相位噪声
Beyond Measure
阻碍分辨近旁小信号 产生：内部本振信号稳定度
表示方法：通常用10kHz偏移处 归一化到1Hz处的相对幅度表征。
低通滤波器 Mixer 滤波器
RBW 1kHz
本地振荡器
Offset 10kHz
Phase Noise = -75dBc – 10log(1kHz/Hz) = -105dBc/Hz @ 10kHz
VBW
解析带宽(RBW， Resolution Bandwidth)。 RBW 代表两个不同频率的 信号能够被清楚的分辨出来 的最低频宽差异。
RBW
输入信号 的频谱 IF滤波器 （RBW)的形 状 频谱仪显示出 的频谱 选择不同RBW的测试结果
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1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
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△ Marker -75dBc
1.6频谱仪指标：DANL
Beyond Measure
DANL：Displayed Average Noise Level
DANL的计算公式:
LDAN
BWRBW = −174dBm + 10 log + NFSA Hz
NFSA = 10 log F
• RBW将带外的频率成分 滤除
25MHz 100kHz
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1.5频谱仪工作原理： IF滤波器
IF滤波器的作用
衰减器 PreAm p 低通滤波器 Mixe r 低通滤波器
Beyond Measure
ADC
•
本地振荡 器
Envelop e Detecto r Video Detecto r
Beyond Measure
频谱分析仪VS网络分析仪：
被测对象是信号
当关心的是信号谱线的幅度和频率， 或者谐波、失真等参数时
频谱分析仪
信号
接 收 机
被测对象是电路单元
当关心的是电路的传递函数，或者衰 减器、放大器、滤波器或其他电路的增益 （或损耗）随频率变化等参数，以及反射测 量。
网络分析仪
信号源
DUT
Beyond Measure
RBW
Phase Noise D A NL
RIGOL Confidential
1.6频谱仪指标：RBW
Beyond Measure
RIGOL Confidential
1.6频谱仪指标：RBW
Beyond Measure
滤波器矩形系数
RIGOL Confidential
信号分析的两种手段
时域分析： 时域分析：
信号周期 信号周期 相位分析 相位分析 边沿测试 边沿测试 峰值电压 峰值电压 多信号比对 多信号比对
频域分析： 频域分析：
信号频率 信号频率 谐波分量 谐波分量 信号功率 信号功率 寄生、交调 寄生、交调 信号边带 信号边带
示波器
FFT?
RIGOL Confidential
FPGA+D SP VB W
Envelop e Detector
1.5频谱仪工作原理：各模块工作演示
Beyond Measure
衰减器
PreAmp
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
本地振荡器
Envelop e Detector
输入衰减器： 避免大信号输入引起过载，调理输入信号电平到 混频器工作的理想状态，要在混频器1dB压缩点以下。 降低阻抗失配的作用。 前置放大器： 提高信噪比，从而在噪声中分辨出小信号。 低通滤波器： 抑制镜像频率； 在RF输入端减少本振向RF输入口的泄漏与中频馈入
Data source: World General Purpose Test & Measurement Equipment Markets Frost and Sullivan, 2005
RIGOL Confidential
1.4频谱分析仪市场
Beyond Measure
Data source: World General Purpose Test & Measurement Equipment Markets Frost and Sullivan, 2005
内容提纲
Beyond Measure
1: 频谱分析仪概论
2: RIGOL频谱分析仪简介
3: 频谱分析仪应用
RIGOL Confidential
内容提纲
Beyond Measure
1: 频谱分析仪概论
RIGOL Confidential
1.1频谱的基本概念
Beyond Measure
1.2什么是频谱分析仪
Beyond Measure
频谱分析仪VS示波器： 1.更高的灵敏度：1mV VS 0.01uV
2.对于信号失真更容易测试；
3.更高的动态范围（同时测试最大信号和最小信号）； 4.更宽的测量频率范围
RIGOL Confidential
1.2什么是频谱分析仪
Beyond Measure
低通滤波器
Mixer
滤波器
ADC RBW
本地振荡器
Video Detector
视频检波器
Envelop e Detector
•
•
•
检波器作用：得到当 前扫频点频率处的幅 度值 当显示大频跨小RBW 时，一个像素点包含 了多个取样点。 在取样过程中，我们 有多种方式可以选择
RIGOL Confidential
ADC RBW
Envelop e Detector
本振的作用：以一定的步进完成当前设置的扫 宽内频率点的扫描，从而得到当前频段的谱图。
VB W
Video Detector
RIGOL Confidential
1.6频谱仪关键指标
Beyond Measure
RIGOL Confidential
1.6频谱仪指标