中频增益
再看图2-1，结构框图的下一个部分是一个可变增益放大器。它用来调节信号在显示器上的垂直位置而不会影响信号在混频器输入端的电平。当中频增益改变时，参考电平值会相应的变化以保持所显示信号指示值的正确性。通常，我们希望在调节输入衰减时参考电平保持不变，所以射频输入衰减器和中频增益是联动的。在输入衰减改变时中频增益会自动调整来抵消输入衰减变化所产生的影响，从而使信号在显示器上的位置保持不变。
信号分辨
中频增益放大器之后，就是由模拟和/或数字分辨率带宽（RBW）滤波器组成的中频部分。
模拟滤波器
频率分辨率是频谱分析仪明确分离出两个正弦输入信号响应的能力。傅立叶理论告诉我们正弦信号只在单点频率处有能量，好像我们不应该有什么分辨率问题。两个信号无论在频率上多么接近，似乎都应在显示器上表现为两条线。但是超外差接收机的显示器上所呈现的信号响应是具有一定宽度的。混频器的输出包括两个原始信号（输入信号和本振）以及它们的和与差。中频由带通滤波器决定，此带通滤波器会选出所需的混频分量并抑制所有其它信号。由于输入信号是固定的，而本振是扫频的，故混频器的输出也是扫频的。若某个混频分量恰好扫过中频，带通滤波器的特性曲线就会在显示器上被描绘出来，如图2-6所示。该链路中最窄的滤波器带宽决定了总显示带宽。在图2-5所示结构中，该滤波器具有21.4 MHz的中频。
因此，两个输入信号频率必须间隔足够远，否则它们所形成的迹线会在顶部重叠，看起来像是只有一个响应。所幸的是，频谱分析仪中的分辨率（IF）滤波器可调，所以通常能找到一个带宽足够窄的滤波器来分离频率间隔很近的信号。
安捷伦频谱仪的技术指标使用可用的IF滤波器的3 dB带宽来描述频谱仪分辨信号的能力。这些数据告诉我们两个等幅正弦波相距多近时还能依然被分辨。这时由信号产生的两个响应曲线的峰值处有3
dB的凹陷，如图2-7所示，两个信号可以被分辨。当然这两个信号还可以再近一些直到它们的迹线完全重叠，但通常以3
dB带宽作为分辨两个等幅信号的经验值。
我们碰到更多的情况是不等幅正弦波。有可能较小的正弦波被较大信号响应曲线的边带所淹没。这种现象如图2-8所示。顶部的轨迹线看起来是一个信号，但实际上它包含两个：一个频率为300 MHz（0 dBm），另一个频率为300.005 MHz（-30 dBm）。在去除300 MHz的信号后，较小的信号才会显示出来。
分辨率滤波器的另一个技术指标是带宽选择性（也称选择性或形状因子）。带宽选择性决定了频谱仪分辨不等幅正弦信号的能力。安捷伦频谱分析仪的带宽选择性通常指定为60
dB带宽与3 dB带宽之比，如图2-9所示。安捷伦分析仪中的模拟滤波器具有4个极点，采用同频调谐式设计，其特性曲线形状类似高斯分布。这种滤波器的带宽选择性约为12.7:1。
那么，假定带宽选择性是12.7:1，若要分辨频率相差4 kHz、幅度相差30 dB的两个信号，应如何选择分辨率带宽呢？由于我们关心的是当分析仪调谐至较小信号时对较大信号的抑制情况，因此不需要考虑整个带宽，而只需考虑从滤波器中心频率到边缘的频率范围。为确定在给定频偏时滤波器边带下降了多少，使用如下方程：
http://s5/middle/8c5f60ccgaccb33de7654&690频谱分析仪原理 之二）" TITLE="频谱分析基础（第2章 频谱分析仪原理 之二）" />
在上述假设下，N = 4， = 4000。下面我们用3 kHz带宽来试一下。首先计算:
http://s3/middle/8c5f60ccg77adc10750f2&690频谱分析仪原理 之二）" TITLE="频谱分析基础（第2章 频谱分析仪原理 之二）" />
则在4
kHz偏移处，滤波器的边缘下降为：
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因而，1kHz的分辨率带宽能够分辨出这个小信号，如图2-10所示。
数字滤波器
一些频谱分析仪使用数字技术实现分辨率带宽滤波器。数字滤波器有很多优点，例如它能极大地改善滤波器的带宽选择性。安捷伦公司的PSA系列和X系列分析仪实现了分辨率带宽滤波器的全部数字化。另外像安捷伦ESA-E系列频谱仪，采用的是混合结构：带宽较大时采用模拟滤波器，带宽小于等于300 Hz时采用数字滤波器。有关数字滤波器的更多内容参考第3章。
残余调频
滤波器的分辨率带宽并不是影响频谱分析仪分辨率的唯一因素。分析仪中本振（尤其是第一本振）的稳定度也会影响分辨率。第一本振一般是YIG调谐振荡器（在3 ~ 7 GHz范围内调谐）。在早期的频谱仪设计里，这类振荡器具有1 kHz或更大的残余调频。这种不稳定性传递给由本振和输入信号所生成的混频分量，并且很难确定它的来源是输入信号还是本振。
频谱仪的最小分辨率带宽至少部分地由第一本振的稳定度决定。未采用改善YIG振荡器固有残余调频措施的频谱分析仪通常具有1 kHz的最小分辨带宽，不过现代分析仪已经极大的改善了残余调频。比如安捷伦PSA系列频谱仪具有1~4 Hz的残余调频，这使得分辨率带宽可以减小至1 Hz。因此，分析仪上出现的任何不稳定性都是由输入信号造成的。
相位噪声
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）。没有一种振荡器是绝对稳定的，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。如前所述，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底噪的那些频谱分量周围（图2-11）。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。使用前面介绍过的数字滤波器也不能改变这种效果。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，正如之前讨论过的两个非等幅正弦波的情况。
一些现代频谱仪允许用户选择不同的本振稳定度模式使得在各种不同的测量环境下都能具备最佳的相位噪声。例如，安捷伦分析仪提供的3种模式：
在此模式下，载波附近的本振相位噪声被优化，而50 kHz之外的相位噪声不具备最优特性
这种模式优化距载波频偏大于50 Hz（尤其是70~300 Hz）处的相位噪声。较近频偏处的相位噪声作折衷处理，并且测量能力下降。
当选择这种模式，本振的行为将折衷所有距载波频偏小于2 MHz范围内的相位噪声。这样在改变中心频率或扫宽时允许在最短的测量时间内保证最大的测量能力。
PSA频谱分析仪的相位噪声优化还可以设为自动模式，这时频谱仪会根据不同的测量环境来设置仪器使其具有最佳的速度和动态范围。当扫宽≥
10.5MHz或分辨率带宽（RBW）≥ 200 kHz时，PSA会选择快速调谐模式。当扫宽大于141.4 kHz、且RBW大于9.1 kHz时，自动模式在频偏大于50kHz的相位噪声最佳。 在其它情况下，频谱分析仪优化频偏小于50kHz的相位噪声。图2-12a显示了这三种不同的模式。
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。如图2-13所示，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。
扫描时间
模拟分辨率滤波器
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，而我们又非常关心扫描时间。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，便会造成如图2-14所示的显示幅度的丢失（关于处理中频响应时间的其它方法，见本章后面所述的“包络检波器”）。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 = RBW/(Span/ST
)= (RBW) (ST) /Span
其中，RBW = 分辨率带宽， ST = 扫描时间
另一方面，滤波器的上升时间又与其带宽成反比，如果我们引入比例常数k，则有：上升时间=k/RBW，
若使前面讨论的这两个时间相等，并求解扫描时间，得到
http://s3/middle/8c5f60ccgacca33db6dc2&690频谱分析仪原理 之二）" TITLE="频谱分析基础（第2章 频谱分析仪原理 之二）" />
安捷伦许多频谱仪中所采用的同步调谐式准高斯滤波器的k值在2~3之间。我们得出的重要结论是，分辨率的变化对扫描时间有重大影响。大多数安捷伦频谱仪都能按1、3、10的规律或大致等于10的平方根的比率提供步进值。所以，当分辨率每改变一档，扫描时间会受到约10倍的影响。许多安捷伦频谱分析仪提供的带宽间隔可达10%，以实现扫宽、分辨率和扫描时间三者更好的折衷。
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。如果所要求的扫描时间比提供的最大可用扫描时间还长，频谱仪会在网格线右上方显示“Meas
Uncal”以表示显示未经校准。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。
数字分辨率滤波器
安捷伦频谱分析仪中所使用的数字分辨滤波器对扫描时间的影响与之前所述的模拟滤波器不同。对于扫描分析，利用数字技术实现的滤波器的扫描速度提高至原来的2
~ 4倍，而基于FFT算法的数字滤波器则表现出比这更好的性能。产生这种改进的原因是信号会在多个频域块上同时被处理。例如，如果频率范围为1
kHz，那么当我们选择10 Hz的分辨率带宽时，分析仪实际上是在1 kHz单元中通过100个相邻的10 Hz滤波器同时处理数据。如果数字处理能的速度能达到瞬时，那么可以预期扫描时间将缩短100倍。实际上缩减的程度要小些，但仍然非常有意义。关于数字处理技术的更多优势参见第3章。
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(2011-09-13 10:08:08)