頻譜分析儀架構(gòu)猶如時(shí)域用途的示波器，外觀如圖1.2 所示，面板上布建許多功能控制按鍵，作為系統(tǒng)功能之調(diào)整與控制，系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號(hào)的頻譜特性。頻譜分析儀依信號(hào)處理方式的不同，一般有兩種類型；實(shí)時(shí)頻譜分析儀(Real-Time Spectrum Analyzer)與掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)。實(shí)時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅，其工作原理是針對(duì)不同的頻率信號(hào)而有相對(duì)應(yīng)的濾波器與檢知器 (Detector)，再經(jīng)由同步的多任務(wù)掃瞄器將信號(hào)傳送到CRT 屏幕上，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波(PeriodicRandom Waves)的瞬間反應(yīng)，其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限于頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與最大的多任務(wù)交換時(shí)間(Switching Time)。
最常用的頻譜分析儀是掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀，其基本結(jié)構(gòu)類似超外差式接收器，工作原理是輸入信號(hào)經(jīng)衰減器直接外加到混波器，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與CRT 同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)（IF）再放大、濾波與檢波傳送到CRT 的垂直方向板，因此在CRT 的縱軸顯示信號(hào)振幅與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，信號(hào)流程架構(gòu)如圖1.3 所示。
影響信號(hào)反應(yīng)的重要部份為濾波器頻寬，濾波器之特性為高斯濾波器（Gaussian-Shaped Filter），影響的功能就是量測(cè)時(shí)常見到的解析頻寬(RBW， Resolution Bandwidth)。RBW 代表兩個(gè)不同頻率的信號(hào)能夠被清楚的分辨出來的最低頻寬差異，兩個(gè)不同頻率的信號(hào)頻寬如低于頻譜分析儀的RBW，此時(shí)該兩信號(hào)將重迭，難以分辨，較低的 RBW 固然有助于不同頻率信號(hào)的分辨與量測(cè)，低的RBW 將濾除較高頻率的信號(hào)成份，導(dǎo)致信號(hào)顯示時(shí)產(chǎn)生失真，失真值與設(shè)定的RBW 密切相關(guān)，較高的RBW 固然有助于寬帶帶信號(hào)的偵測(cè)，將增加噪聲底層值(Noise Floor)，降低量測(cè)靈敏度，對(duì)于偵測(cè)低強(qiáng)度的信號(hào)易產(chǎn)生阻礙，因此適當(dāng)?shù)?SPAN lang=EN-US>RBW 寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。
圖1.2：頻譜分析儀的外觀
另外的視頻頻寬（VBW，Video Bandwidth）代表單一信號(hào)顯示在屏幕所需的最低頻寬。如前所說明，量測(cè)信號(hào)時(shí)，視頻頻寬過與不及均非適宜，都將造成量測(cè)的困擾，如何調(diào)整必須加以了解。通常RBW 的頻寬大于等于VBW，調(diào)整RBW 而信號(hào)振幅并無產(chǎn)生明顯的變化，此時(shí)之RBW 頻寬即可加以采用。量測(cè)RF 視頻載波時(shí)，信號(hào)經(jīng)設(shè)備內(nèi)部的混波器降頻后再加以放大、濾波（RBW 決定）及檢波顯示等流程，若掃描太快，RBW 濾波器將無法完全充電到信號(hào)的振幅峰值，因此必須維持足夠的掃描時(shí)間，而RBW 的寬度與掃描時(shí)間呈互動(dòng)關(guān)系，RBW 較大，掃描時(shí)間也較快，反之亦然，RBW 適當(dāng)寬度的選擇因而顯現(xiàn)其重要性。較寬的RBW 較能充分地反應(yīng)輸入信號(hào)的波形與振幅，但較低的RBW 將能區(qū)別不同頻率的信號(hào)。例如使用于6MHz 頻寬視訊頻道的量測(cè)，經(jīng)驗(yàn)得知，RBW 為300kHz 與3MHz 時(shí)，載波振幅峰值并不產(chǎn)生顯著變化，量測(cè)6MHz的視頻信號(hào)通常選用300kHz 的RBW 以降低噪聲。天線信號(hào)量測(cè)時(shí)，頻譜分析儀的展頻（Span）使用100MHz，獲得較寬廣的信號(hào)頻譜需求，RBW使用3MHz。這些的量測(cè)參數(shù)并非一成不 變，將會(huì)依現(xiàn)場(chǎng)狀況及過去量測(cè)的經(jīng)驗(yàn)加以調(diào)整。
1.分析頻譜分析儀的訊息處理過程
在量測(cè)高頻信號(hào)時(shí)，外差式的頻譜分析儀混波以后的中頻因放大之故，能得到較高的靈敏度，且改變中頻濾波器的頻帶寬度，能容易地改變頻率的分辨率，但由于超外差式的頻譜分析儀是在頻帶內(nèi)掃瞄之故，因此，除非使掃瞄時(shí)間趨近于零，無法得到輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)(Real Time)反應(yīng)，故欲得到與實(shí)時(shí)分析儀的性能一樣的超外差式頻譜分析儀，其掃瞄速度要非常之快，若用比中頻濾波器之時(shí)間常數(shù)小的掃瞄時(shí)間來掃瞄的話，則無法得到信號(hào)正確的振幅，因此欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率，且要能得到準(zhǔn)確之響應(yīng)，要有適當(dāng)?shù)膾呙樗俣取Ｓ梢陨现當(dāng)⑹?，可以得知超外差式頻譜分析儀無法分 析瞬時(shí)信號(hào)(TransientSignal)或脈沖信號(hào)(Impulse Signal)的頻譜，而其主要應(yīng)用則在測(cè)試周期性的信號(hào)及其它雜散信號(hào)(Random Signal)的頻譜。頻譜分析儀系統(tǒng)內(nèi)部及面板顯示的特性，詳如附錄一的說明，對(duì)該內(nèi)容的了解將有助于頻譜分析儀的操作使用。一般本地振蕩器輸出信號(hào)的頻率均高于中頻信號(hào)的頻率，本地振蕩器輸出信號(hào)的頻率可被調(diào)整在諧波之頻率，亦即?IN=n??LO±?I F n=1, 2, 3.......(2)
由式(2)得知，頻譜分析儀的信號(hào)量測(cè)范圍，無形中己被拓寬，低于或高于本地振蕩器或其它諧波頻率的輸入信號(hào)，均能被混波產(chǎn)生中頻。延伸輸入信號(hào)頻率的混波原理如圖1.4 所示，其中縱軸代表輸入信號(hào)(?IN)，橫軸代表本地振蕩頻率(?LO)，圖中的正負(fù)整數(shù)代表公式(2)中頻放大器對(duì)應(yīng)的正負(fù)號(hào)。
圖1.3：頻譜分析儀的信號(hào)流程
由圖1.4 可體會(huì)頻譜分析儀利用本地振蕩的諧波信號(hào)延伸輸入信號(hào)頻率的工作原理。然而圖1.4 可能對(duì)應(yīng)多個(gè)輸入信號(hào)頻率，為消除此一現(xiàn)象，在衰減器前面加入頻率預(yù)選器(Preselector)，用來提升頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)使輸出的結(jié)果能去除其它不必要的頻率而真正反應(yīng)輸入信號(hào)的頻率。
圖1.4：利用本地振蕩之諧波信號(hào)拓展信號(hào)頻率的原理
由以上得知超外差或頻譜分析儀無法分析瞬時(shí)信號(hào)(TransientSignal)或脈沖信號(hào)(Impulse Signal)的頻譜，而其主要應(yīng)用則在測(cè)試周期性的信號(hào)及其它隨機(jī)信號(hào)(Random Signal)的頻譜。
2.噪聲特性
由于電阻的熱敏效應(yīng)，任何設(shè)備均具有噪聲，頻譜分析儀亦不例外，頻譜分析儀的噪聲，本質(zhì)上是熱噪聲，屬于隨機(jī)性（Random），它能被放大與衰減，由于系隨機(jī)性信號(hào)，兩噪聲的結(jié)合只有相加而無法產(chǎn)生相減的效果。在頻帶范圍內(nèi)也相當(dāng)平坦，其頻寬遠(yuǎn)大于設(shè)備內(nèi)部電路的頻寬，檢測(cè)器檢知的噪聲值與設(shè)定的分辨率頻寬（RBW）有關(guān)。由于噪聲是隨機(jī)性迭加于信號(hào)功率上，因此顯示的噪聲準(zhǔn)位與分辨率頻寬成對(duì)數(shù)的關(guān)系，改變分辨率頻寬時(shí)噪聲隨之變化，噪聲改變量相關(guān)的數(shù)學(xué)式如下所示：
例如：頻寬從100kHz（BW1）調(diào)整到10kHz（BW2），則噪聲改變量為：
亦即降低噪聲量10dB (為原來的1/10)，相對(duì)提高訊號(hào)與噪聲比10dB。由此可知，純粹要降低噪聲量，使用最窄寬度的頻寬將能達(dá)到目的。不論噪聲來之于外部或內(nèi)部產(chǎn)生，量測(cè)時(shí)均將影響信號(hào)振幅的準(zhǔn)確性，特別在低準(zhǔn)位信號(hào)時(shí)，更是如此，噪聲太大時(shí)，甚至掩蓋信號(hào)以致無法正確判斷信號(hào)的大小，影響量測(cè)質(zhì)量的兩種噪聲可概括為下 列三大項(xiàng)：
(1).產(chǎn)生于交換功能的數(shù)字電路、點(diǎn)火系統(tǒng)與DC 馬達(dá)脈沖噪聲，這類噪聲常見于EMI（Electromagnetic Interference）的討論領(lǐng)域里。
(2). 隨機(jī)性噪聲來之于自然界或電路的電子移動(dòng)，又稱之為KTBW (或稱熱敏)噪聲、Johnson 噪聲、寬帶噪聲或白氏(White)噪聲等，本書主要以熱敏噪聲為重點(diǎn)，數(shù)學(xué)式為：
Pn =kTBW ， (5)
其中： Pn =噪聲功率= 3.98*10?21 瓦/Hz 或-174dB/Hz
k=Boltzman 常數(shù)，1.38*10?23 joule/oK
T=絕對(duì)溫度表示的常溫=290 oK
BW=系統(tǒng)的噪聲功率頻寬（Hz）。
在4MHz、75 Ω 、290 oK 時(shí)的噪聲功率為-59.1dBm。由噪聲功率得知，信號(hào)頻寬降低，系統(tǒng)噪聲功率隨之降低，信號(hào)的質(zhì)量以信號(hào)噪聲比表示
(SNR；Signal-to-Noise Ratio)，信號(hào)強(qiáng)度（單位為dBm）與系統(tǒng)噪聲功率（單位為dBm）的相減值即為信號(hào)噪聲比，數(shù)學(xué)式為：
3.匹配因素
量測(cè)設(shè)備的輸入阻抗有時(shí)無法匹配待測(cè)件連接線特性阻抗，根據(jù)電磁理論，阻抗匹配時(shí)，輸出功率最大且沒有其它不良的副作用，而阻抗不匹配，將造成信號(hào)反射，影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定與造成信號(hào)功率的損失。信號(hào)在傳輸在線往返傳送將產(chǎn)生駐波及噪聲，進(jìn)而影響接收端的信號(hào)質(zhì)量與量測(cè)值的準(zhǔn)確性。量測(cè)設(shè)備輸入阻抗與待測(cè)件組抗不匹配之缺點(diǎn)可規(guī)納為：
A.信號(hào)反射，傳輸纜在線產(chǎn)生駐波。
B.噪聲增大。
C.降低信號(hào)輸出功率。
D.影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。
E.影響量測(cè)值之準(zhǔn)確度。
頻譜分析儀簡稱頻譜儀，是用來顯示頻域信號(hào)幅度的儀器，在射頻領(lǐng)域有“射頻萬用表”的美稱。在射頻領(lǐng)域，傳統(tǒng)的萬用表已經(jīng)不能有效測(cè)量信號(hào)的幅度，示波器測(cè)量頻率很高的信號(hào)也比較困難，而這正是頻譜分析儀的強(qiáng)項(xiàng)。
頻譜儀與示波器屬于兩種類型的儀器，示波器主要顯示時(shí)域信號(hào)幅度的變化，而頻譜儀顯示的是頻域信號(hào)幅度的變化。對(duì)于研究射頻的工程師和愛好者，頻譜儀是工作的好幫手，它可以形象地展示一定頻率范圍內(nèi)信號(hào)的幅度，可以據(jù)此發(fā)現(xiàn)信號(hào)的存在和不同類型信號(hào)的特征。隨著科技的發(fā)展，頻譜儀也從傳統(tǒng)的模擬線路進(jìn)化到數(shù)字化頻譜儀，被賦予更多的功能，以適應(yīng)不斷出現(xiàn)的復(fù)雜信號(hào)。
頻譜分析儀在射頻領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。頻譜儀最基本的作用就是發(fā)現(xiàn)和測(cè)量信號(hào)的幅度。頻譜儀可以以圖示化的方式顯示設(shè)定頻率范圍內(nèi)的射頻信號(hào)，信號(hào)越強(qiáng)，頻譜儀顯示的幅度也越大。通過這種特性，頻譜儀被用來搜索和發(fā)現(xiàn)一定頻段內(nèi)的射頻信號(hào)，廣泛應(yīng)用在監(jiān)測(cè)電磁環(huán)境、無線電頻譜監(jiān)測(cè)、電子產(chǎn)品電磁兼容測(cè)量、無線電發(fā)射機(jī)發(fā)射特性、信號(hào)源輸出信號(hào)品質(zhì)等領(lǐng)域。頻譜儀可以測(cè)量射頻信號(hào)的多種特征參數(shù)，包括頻率、選頻功率、帶寬、鄰道功率、調(diào)制波形、場(chǎng)強(qiáng)等。在射頻信號(hào)的頻率測(cè)量方面，雖然頻率計(jì)是專業(yè)的設(shè)備，但遇到時(shí)分多址的信號(hào)(GSM移動(dòng)電話、IDEN、TETRA的信號(hào))、跳頻的信號(hào)、寬帶的信號(hào)，普通頻率計(jì)無法準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，功率計(jì)無法及時(shí)測(cè)量，而頻譜儀由于基于高速的信號(hào)捕捉，則可以有機(jī)會(huì)測(cè)量這些信號(hào)。針對(duì)這些常見的不穩(wěn)定信號(hào)，很多中高檔頻譜儀還在測(cè)量軟件上做了優(yōu)化，提供專用的自動(dòng)測(cè)量工具。
由于頻譜儀具有圖示化射頻信號(hào)的能力，頻譜圖可以幫助我們了解信號(hào)的特性和類型，有助于最終了解信號(hào)的調(diào)制方式和發(fā)射機(jī)的類型。在軍事領(lǐng)域，頻譜儀在電子對(duì)抗和頻譜監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用，不同類型的雷達(dá)信號(hào)、通信電臺(tái)信號(hào)、應(yīng)答機(jī)信號(hào)、“敵我”識(shí)別器信號(hào)都有各自不同特征的頻譜圖。在民用無線電管理領(lǐng)域，通過頻譜圖，我們可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)非法使用的頻率，這比傳統(tǒng)掃描監(jiān)聽的效率要高得多。在不明干擾源的定位中，頻譜圖有助于判斷干擾信號(hào)的類型，并推斷出產(chǎn)生干擾信號(hào)的可能設(shè)備，以縮小排查范圍。頻譜儀還是一部很好的場(chǎng)強(qiáng)儀，具有比較大的動(dòng)態(tài)，一些具有自動(dòng)測(cè)量功能的頻譜儀可以方便地讀出目標(biāo)信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值，同時(shí)可以顯示目標(biāo)頻率周邊的情況。實(shí)際應(yīng)用中，有很多手持頻譜儀就替代了場(chǎng)強(qiáng)儀。
有的頻譜儀內(nèi)置跟蹤信號(hào)源，或者支持外接跟蹤信號(hào)源，頻譜儀與跟蹤信號(hào)源配合使用，可以顯示雙端口網(wǎng)絡(luò)的頻幅特性，擴(kuò)展了頻譜儀的用途。該功能類似掃頻儀和標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要功能，比普通老式掃頻儀的精度要高得多，可以應(yīng)用于濾波器的調(diào)校。如果頻譜儀與跟蹤源配合駐波電橋，還能直接圖示化顯示天線的匹配情況，具有天線分析儀的部分功能。
頻譜分析儀從發(fā)明以來，經(jīng)歷了模擬線路頻譜儀、單片機(jī)程控頻譜儀、電腦數(shù)字化頻譜儀的發(fā)展歷程。隨著集成電路和微處理器電路的迅猛發(fā)展以及對(duì)信號(hào)測(cè)量要求的提高，頻譜儀的工作頻率不斷提高，精度不斷提升，體積和重量不斷縮減。從早期巨大笨重的臺(tái)式頻譜儀，發(fā)展到廣泛使用的便攜式頻譜儀，以及近年來現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用越來越多的手持式頻譜儀，頻譜儀正向著數(shù)字化、高精度化、小型化發(fā)展。
老式的頻譜儀為純電路結(jié)構(gòu)，早期的產(chǎn)品采用與示波器一樣的示波管進(jìn)行顯示，通過快速掃描的接收機(jī)來形成頻譜圖。這類頻譜儀基本沒有自動(dòng)測(cè)量功能，測(cè)量信號(hào)幅度靠人工對(duì)照示波管刻度進(jìn)行數(shù)數(shù)，功能單一，只具有頻譜儀基本的頻率掃描和幅度顯示功能，且精度很低。目前在主流應(yīng)用中已基本淘汰。
單片機(jī)程控頻譜儀是通過單片機(jī)微處理器來控制的頻譜儀，雖然從外觀上看，最早期的數(shù)字頻譜儀依然采用示波管顯示，但增加了字符發(fā)生器電路，在儀器屏幕上可以看到一些設(shè)置信息，并具有了一些自動(dòng)測(cè)量功能。隨后，高性能的微處理器和頻率合成器電路相繼被引入，使得頻譜儀的工作精度、分辨率和程控化水平得到顯著提高。顯示屏由示波管發(fā)展為CRT管，顯示的頻譜圖是通過微處理器計(jì)算后形成的，并增加了很多數(shù)控和自動(dòng)測(cè)量功能，屏幕上顯示的信息一下子多了很多，頻譜儀的分辨率顯著提高到1kHz的水平，部分高端產(chǎn)品達(dá)到了1Hz級(jí)別。
現(xiàn)代的數(shù)字化頻譜儀除了射頻信號(hào)處理單元，其余部分基本都數(shù)字化了。很多附加的專項(xiàng)測(cè)量功能，如TETRA信號(hào)測(cè)量、GSM信號(hào)測(cè)量，都能以軟件開通形式添加，顯示屏改為彩色液晶顯示，并且進(jìn)一步縮減了頻譜儀的體積和重量，掃描速度進(jìn)一步提高，背景噪聲和相位噪聲也得到了進(jìn)一步控制，頻譜儀的性能提高到一個(gè)新的水平，這更有利于對(duì)微小信號(hào)的測(cè)量。
此外，新結(jié)構(gòu)體系的實(shí)時(shí)頻譜儀也全新登場(chǎng)，更有利于對(duì)遂發(fā)的信號(hào)進(jìn)行捕捉。
傳統(tǒng)的頻譜儀一貫比較笨重，比同年代的示波器重得多。很多大型臺(tái)式頻譜儀兩個(gè)人都很難抬得動(dòng)，即便是后期的HP8563E(CRT管型)之類，屬于便攜型的頻譜儀，也有
標(biāo)志頻譜分析儀性能和特性的主要指標(biāo)有工作頻率范圍、分辨率帶寬、頻率掃寬、動(dòng)態(tài)范圍、掃描速度、端口阻抗、平均噪聲電平、相位噪聲、絕對(duì)幅度精度。
頻譜分析儀的工作頻率范圍是指頻譜儀最高工作頻率和最低工作頻率，標(biāo)志著頻譜儀可以顯示頻譜的最大范圍。在射頻應(yīng)用中，用戶往往更關(guān)心頻譜儀的最高工作頻率，這使其成為用戶關(guān)心頻譜儀性能的第一指標(biāo)。
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