一文解析频谱仪的原理、类型、主要功能和选购要点

频谱分析仪可以测量信号的功率谱密度，从而在分析已知信号的同时识别未知干扰。这使得该仪器在评估信号频域特性时必不可少，而这些特性在时域波形中是难以观察到的。更先进的信号分析仪甚至能把分别从两种域测量到的结果合并到一起。

购买是德科技的二手频谱仪指南

购买频谱分析仪时，为正确的应用选择正确的型号可能具有挑战性。并非所有频谱分析仪都是相同的。不同型号的频率范围、精度水平和测量类型可能存在很大差异。

了解可用的不同频谱分析仪及其功能对于确保您购买适合您需求的频谱分析仪至关重要。我们知道您不想浪费时间和金钱，因此我们创建了本指南来引导您了解频谱分析仪的基础知识。

我们将回答什么问题，我们将考虑哪些信息？

什么是频谱分析仪？频谱分析仪有什么用？频谱分析仪的类型？购买频谱分析仪需要注意哪些方面？

什么是频谱分析仪？

频谱分析仪是一种用于可视化和分析信号频谱内容的工具。它通过测量整个频率范围内输入信号的幅度及其频率来实现这一点。您可以将此视为查看信号“频率指纹”的一种方法。此指纹将帮助您确定仪器的信号功率以及该信号如何构成不同的频率分量。

频谱分析仪通常由显示器、扫描发生器和滤波器组成。

显示屏显示每个频率的信号强度。然后，您可以确定信号的内容并识别可能存在的任何问题。

扫描发生器产生扫描所需频率范围的信号。

滤波器仅允许所需范围内的信号部分通过至显示器。该过程与数字信号处理结合使用。

由于技术进步，现代频谱分析仪比以往更小、更便宜。它们也比前代产品更准确且具有更多功能。无论您是工程师还是电子实验爱好者，频谱分析仪都是一个有价值的工具。

工程师会使用频谱分析仪对手机、收音机和电视塔等电子设备进行测试，以确保它们按预期运行，不会受到其他设备的干扰。业余爱好者可能会使用频谱分析仪来检查音频信号的质量或追踪干扰源。

频谱仪与示波器有什么区别？

虽然频谱分析仪和示波器对于理解电子信号的行为都至关重要，但它们的工作方式不同。

示波器测量信号随时间变化的形状或幅度。它们最适合分析时变信号，例如晶体管和电机产生的信号。他们还观察电压电平的上升和下降以及波形的形状。

•示波器概述

示波器是用于观察电信号电压随时间变化关系的仪器，用于分析信号的时域特性。示波器直观的测试信号的周期、相位、边沿时间以及多个信号对比，也可以直观的观测信号随时间变化的幅度变化规律的等。

•示波器的基本应用

基本波形参数测量与电路异常诊断高速信号完整性分析（眼图、抖动分析）标准总线一致性分析（USB、PCle、DDR、HDMI等）串行信号解码（I2C、SPI、CAN等）宽带信号的调制分析（UWB、雷达等）

下图是数字示波器体系结构图。

这是一张数字示波器的内部结构图，整个硬件架构分为四部分：

1. 示波器的模拟前端部分，主要有衰减器和放大器组成；衰减器的作用是当调节衰减比可以测试电压幅度较大的信号，当衰减比较小或者0db衰减，通过放大器的放大作用可以测试小幅度的信号，经过模拟前端后，信号被调节到合适的幅度，就可以较为理想被ADC进行模数转换，放大器的另外两个作用是垂直偏置和提供匹配电路驱动ADC和触发电路。

2. 模数转换器先对输入信号进行采样，将输入波形转化成采样点，通过将采样点量化和编码存储在示波器的通道内存中。

3. 从模拟前端的输出另一路连接触发电路，当输入信号波形满足预设的触发事件后，时基会将触发事件发生的时刻设定为初始时刻计算接下来采样点的时间最终显示在屏幕上

A/D转换器是波形采集的关键部件。它决定了示波器的最大取样速率、存储带宽以及垂直分辨率等多项指标。目前存储示波器采用的A/D转换的形式有逐次比较型、并联比较型、串并联型以及CCD器件与A/D转换器相配合的形式等

频谱分析仪测量宽频率范围内的信号幅度。它们更适合分析包含多个频率的复杂信号。您还可以使用频谱分析仪来查找谐波和其他可能有问题的频率元素。

典型频谱分析仪的结构框图

将这两种设备结合起来可以更准确地了解信号发生的情况。因此，在许多情况下，需要频谱分析仪和示波器来充分了解信号的行为。

频谱分析仪有什么用？

频谱分析仪有很多应用。您可以将频谱分析仪用于无线电、无线通信和音频工程。他们还将帮助排除电子设备故障并优化无线系统。

频谱仪的主要功能

频谱分析仪有很多应用。您可以将频谱分析仪用于无线电、无线通信和音频工程。他们还将帮助排除电子设备故障并优化无线系统。

频谱仪的主要功能包括

1. 信号的频谱。频谱分析仪有助于识别特定频率上的干扰源。它们将显示信号幅度（y轴）与频率（x轴）的关系图。dBm（每毫瓦分贝）通常测量幅度，而MHz（兆赫）通常测量频率。

2. 语音和数据通信。频谱分析仪将识别信号干扰源或无法满足性能要求的情况。识别问题有助于缓解问题、优化系统性能并确保符合监管标准。

3. 视频播出。频谱分析仪确保传输的信号足够强以到达预定目的地。信号分成组成频率，随后测量每个频率。这些测量的结果将有助于评估信号的整体强度。如果信号太弱，可能会导致图像质量差或连接中断。频谱分析仪对于确保视频广播信号的最高质量至关重要。

4. 雷达。频谱分析仪发出电磁能脉冲并测量反射能量。这有助于确定跟踪对象或导航时的范围、速度和方向。分析反射能量的光谱还可以获取识别目标的成分或性质的信息。

5. 无线技术。Wi-Fi测试时，频谱分析仪将识别无线路由器或接入点的最佳信道。测量每个通道上的信号强度将有助于识别任何干扰。 此外，频谱分析仪还将诊断无线连接问题，确定问题是出在路由器还是客户端设备上。

频谱分析仪的类型

1.超外差频谱分析仪/扫描调谐接收机

超外差频谱分析仪也称为扫描调谐频谱分析仪。外差意味着混频，在这个系统中，射频输入信号与本振信号混频，将输入信号从较高频率转换为较低频率，即中频（IF）。信号幅度通过包络检测器检测并显示为垂直点。

所谓"超外差"，"超"表示将信号变换为超音頻，就是通过本振信号和输入信号进行混頻，产生特定频率的一个信号。

上面这张图显示了一个简化的扫频式频谱分析仪方框图。

衰减器

输入信号，首先会经过一个前置输入衰减器。他能够起到两个作用，一个是防止仪表过载。主要是因为混频器是频谱仪的一个非常重要的模块，它起的作用是把一个高频信号，变到一个相对低频的中频信号。

看一下频谱仪的指标书，我们就会知道，它的输入范围是+20dBm到+30dBm。

而混频器工作的线性范围不会这么高，通常是-20dbm到0dbm不等，根据频谱仪的性能不同有所区别。那么我们设想一下，当一个最大+20dBm的信号直接输入到混频器的话，毫无疑问会造成非常大的过载。而且会有非常大的线性失真产物，甚至于幅度，测量精度受到影响。必然我们在混频器之前需要一个衰减器，去衰减我们输入的信号。我们知道频谱仪是一个测量仪器，前面有多大的衰减，后面我们就要有多大的放大去补偿它。这样我们后面才需要有一个中频放大器去补偿它。

第二个作用是，减少信号失真。

频谱仪上显示的信号，是外部失真与内部失真的叠加。失真信号的幅度，与混频器的工作电平，呈线性的关系。也就是说混频器的工作电平越高，内部的失真相对也就越大。混频器的工作电平，就是输入信号减去衰减器的设值。所以为了减小频谱分析仪的内部失真，混频器应尽量工作在低电平，应加大衰减器的设值。但是增加频谱分析仪的衰减，会使频谱分析仪的底噪抬高，降低频谱分析仪的灵敏度。所以设值内部衰减器时，要折中考虑噪声电平和仪表内部失真。

第二个重要模块是混频器。前面我们讲过它起的作用是把一个高频信号，变到一个相对低频的中频信号。

实际上是通过本振的扫动，让一个窄带滤波器（带宽通过RBW设置）扫过一系列频率（也就是整个SPAN），

按顺序测量每个频点的功率大小，然后画出频率与功率的对应关系。对于稳定或重复信号，这种扫描输入的方法是可行的，但是同一个时间，本振只能扫描一个对应频率，其他频点的功率变化情况，我们就观测不到了。

也就是说，如果测试信号的变化速度，快于扫频式频谱仪的扫频周期，就会遗漏部分信号，扫描结果就不能精确地代表信号了。

这种扫描-调谐分析仪的工作原理正象调频收音机，只不过你是用手动在旋钮或按键在调频，而仪表是自动控制本振不停的快速扫频。采用扫频式频谱分析方式，可提供宽频带（也就是整个SPAN）的信号幅度和频率信息。十分适合分析稳定和周期变化信号，提供宽的频率覆盖范围和高灵敏度。

第三个重要模块是中频滤波器。

中频滤波器与频谱分析仪的分辨率带宽RBW是密切相关的。分辨率带宽就是中频滤波器的3dB带宽。（3dB带宽指，比信号峰值功率，下降3dB处的频率宽度）中频滤波器存在的原因是，他要去滤除混频器产生的，我们不需要分析的高频镜像功率。如果我们输入的是两个相邻的信号。他的频率间隔是小于中频滤波器带宽的。那么这两个信号是不能够分辨出来的。你只能看到一个信号的峰值，只有在中频滤波器减小的过程中，你才能清晰地分辨出这两个相邻的信号。

那么RBW是不是设的越小越好？

在相同SPAN的情况下，减小RBW的结果，会使扫描时间成比例增加。（ST=K(Span)/RBW）

第四个模块是检波器，包络检波器取出中频信号的峰值，丢失信号的相位信息。频谱分析仪内部的采样点数会远大于扫描点数。每一个扫描点对应着10个或者20个的采样点。这些采样点的幅度都会有一些微小的差别。

我们选择哪一个幅度显示到我们的屏幕上，取决于我们给检波器的设置。

通常说的检波器，有正峰值检波器。在20个采样点中选择最大值显示。负峰值检波器。在20个采样点中选择最小值显示。还有sample抽样检波器，就是在这20个采样点中随机抽样，它能够充分的反应噪声信号的离散特性。还有一类检波器叫做平均值检波器，就是对这20个采样点进行数字平均，然后再显示在屏幕上面。

第五个模块是视频滤波器，视频滤波器位于检波器之后，视频滤波器对检波器输出视频信号进行低通滤波处理，减小视频带宽VBW可以提高测量精度，进而对频谱显示中的噪声抖动进行平滑。这样有利频谱仪发现淹没在噪声中的小功率信号，但不会改变噪声的平均功率。自动状态下，频谱仪的VBW设值与RBW关联，在[BW]菜单下，可确定VBW和RBW的比值关系。默认设置下，VBW为RBW的十分之一。

为了控制水平/频率轴的显示，我们使用斜坡/扫描发生器来控制运动，它还可以将本振调谐到预期频率。通过设置扫描时间和频率扫宽，可以控制本振调谐速率。频谱分析仪的前端配有信号调理电路，包括衰减器和预选器（低通滤波器）。这些电路的作用是确保输入信号在到达混频器之前处于最佳电平。前端预选器有助于阻止带外噪声，从而改善接收机的动态范围和灵敏度。调谐本振为接收机提供更好的选择性。它可以很容易地阻止不需要的带外信号，这就是超外差接收机具有出色动态范围的原因。

由于斜坡发生器以固定速率进行扫描，因此可以在频率扫宽上精确控制扫描时间。通过控制扫描速率，接收机能够以超过快速傅里叶变换（FFT）分析仪的扫描速度扫描超大扫宽。

超外差接收机的最大缺点是它可能错过间歇信号内容，尤其是宽带数字调制信号。另一个问题是，在窄分辨率带宽（RBW）下扫描时间会明显变长。

2.FFT频谱仪/接收机

上面这张图显示了一个简化的FFT频谱仪的方框图。

输入信号进入VSA后，首先经过混频器被转化为了中频信号和一个我们不需要的高频分量，（本振在整个测试过程中会固定在测试频点不动）。接下来中频滤波器会滤除混频后的高频分量，保留下来的中频信号经过ADC采样后，被转化为了数字中频信号。

数字中频信号，被分为两路进入正交检波器，一路与同频本振载波混合，分离出同相分量信号，即I路信号。另一路与经过90度相移的同频本振载波混合，分离出正交分量信号，即Q路信号。有了I路和Q路信号，我们就能计算出信号的完整信息。例如它的功率，相位，频率。

根据时间与功率的关系，就可以进行时域分析，画出PVT曲线。

经过快速傅里叶变换后，就可以进行频域分析，画出频域频谱图。

经过数字解调器后，就可以画出星座图，计算出EVM，FE，PE。

经过解码器后，就可以显示出信号的码域分布。

而这一切都可以在同时并行完成！

FFT频谱仪/接收机专门用于处理宽带信号。它的前端有一个数据块转换，数据块转换的大小由中频带宽和ADC采样率决定。本地振荡器（LO）不是连续进行调谐，而是在频率扫宽内步进调谐。在本振调谐到正确的频率后，接收机通过模数转换器（ADC）对数据进行采样，再将采样结果转换为I/Q对（同相正交），并放入适当的FFT时间帧内，然后将时域帧转换为FFT频谱数据，最后将频谱结果发送给显示器，如此周而复始地执行这一过程。这是一个串行操作，因此在两次屏幕更新之间会间隔一段时间，输入端在此期间内不会捕获信号。这段时间称为静寂时间，持续时间的长度不可预计。

由于它是数据块转换，因此数据块或信息带宽内的信号（例如数字解调信号）将被完整捕获以供进一步分析。FFT频谱仪是分析宽带数字信号的理想选择；它可以基于信号技术指标重现数字接收机特性，如LTE信号测试。

由于FFT频谱仪引擎无法在特定时间帧内完成其操作，因此无法精确控制FFT接收机的扫描时间。如果信号带宽大于接收机的信息带宽，则需要对信号进行拼接，这样可能导致丢失部分宽带信号内容。

扫频式频谱仪和FFT频谱仪相比，
在小RBW时，由于FFT采集到的数据量小，同时扫频需要测试的频点很多，所以FFT分析更快。
在大RBW时，由于FFT采集到的数据量大，同时扫频需要测试的频点减少，所以扫频分析更快。

3.实时频谱分析仪（RTSA）

实时频谱分析仪（RTSA）是一种没有静寂时间的FFT分析仪。接收机停留在感兴趣的频率扫宽内，该扫宽受到实时频率带宽的限制，没有调谐或步进。它具有足够大的信号缓冲区、FFT计算工具和显示工具，可在后续数据帧进入之前处理完上一个数据帧并清空存储器。

实时频谱分析仪（RTSA）其捕获带宽内，它可以检测各种瞬态信号、动态信号和射频脉冲。

但是，实时频谱分析仪（RTSA)受到带宽的限制。如果接收机试图测量超出其实时带宽的信号，则必须调谐本振，此时它不再是实时或无间隙的。由于RTSA没有调谐，要检测的信号可能不会位于中心频率，并且它检测到的信号电平可能不像使用传统频谱分析仪时那么准确，因此我们不建议采用RTSA来进行准确的功率测量。

购买频谱分析仪需要注意哪些方面？

购买频谱分析仪时，您需要考虑不同的方面；从分辨率带宽到相位噪声性能和幅度范围。让我们来看看其中七个主要方面。

频率范围Frequency Range

频率范围是一个需要考虑的重要因素，因为不同的频谱分析仪测量不同的频率范围。

例如，一些频谱分析仪测量音频频率(20 Hz – 20 kHz)，而其他频谱分析仪则测量无线电频率(10 MHz – 10 GHz)。在购买频谱分析仪之前，弄清楚您需要测量的频率范围非常重要。了解这一点后，您就可以将搜索范围缩小到适合您需求的频谱分析仪。

分辨率带宽Resolution Bandwidth

分辨率带宽决定了频谱分析仪可以解析的信号的最小宽度，通常以赫兹 (Hz) 表示。

高分辨率带宽测量可以更准确地读取窄信号，而低分辨率带宽测量则适合读取宽信号。选择分辨率带宽时，考虑频谱分析仪的应用至关重要。例如，如果您的目标是测量非常窄的信号（例如由射频晶体管生成的信号），则需要高分辨率带宽。如果您的目标只是测量信号的整体功率，那么较低分辨率的带宽就足够了。

视频带宽 Video Bandwidth

视频带宽是分析仪可以处理的频率范围的宽度。带宽越宽，分析仪可以接收的信息就越多。这在处理复杂信号（例如数字设备生成的信号）时至关重要。数字设备通常会生成具有非常尖锐边缘的信号，称为瞬态信号。更宽的视频带宽使频谱分析仪能够更多地考虑这些瞬态，从而实现更准确的测量并最大限度地减少信号失真。如果您计划使用频谱分析仪来测量数字信号，请确保它具有足够宽的视频带宽来容纳它们。

许多频谱分析仪型号提供不同的带宽，因此您一定能找到一款最适合您的需求的频谱分析仪。

扫描宽度 Span

Span就指的是扫频宽度，是指分析仪可以测量的频率范围。比如你设置起始频率是1MHz，终止频率是10MHz，那么SPAN就是9MHz；也可以根据中心频率来设置，比如你设置中心频率为100MHZ，然后设置SPAN为2MHZ，那么起始频率就是99MHz，终止频率是101MHz。

更宽的扫描宽度意味着分析仪可以测量更大的频率范围，这有助于排除故障或测量宽频率范围的信号。一个好的经验法则是选择扫描宽度至少是要测量的信号带宽两倍的分析仪。扫描宽度对信号扫描时间的影响也很大。扫描时间是指微米光束穿过被测样品一次所需的时间。跨度直接影响信号的带宽和每次扫描捕获的信息量。

选择频谱分析仪时，您应该考虑需要捕获的数据量和所需的扫描时间。

相位噪声 Phase Noise

在选择合適的频谱分析仪时，必须牢记相位噪声。相位噪声是对信号随时间的稳定性的测量。频谱分析仪使用的振荡器类型会影响相位噪声，因为它们是信号不稳定的主要来源。

稳定的信号对于以下方面至关重要：

在医学成像中捕捉清晰准确的图像；
保持电信的牢固连接；
使用雷达系统跟踪移动目标；

幅度测量精度 Amplitude Range

幅度范围是频谱分析仪可以测量的最大和最小信号之间的差异。更大的幅度范围意味着分析仪可以测量更广泛的信号强度和频率。这一点至关重要，因为它可以精确测量不同频率下非常弱或很强的信号。

有两个与幅度测量相关的关键规格：绝对幅度精度和相对幅度精度。

绝对幅度精度指定进行幅度测量的精度。它描述了测量值与测量信号的实际值的接近程度。绝对幅度精度是满量程信号的指标，它受输入衰减，IF增益，分辨率带宽，比例保真度，频率响应和校准信号本身精度的影响。

与频谱分析仪进行的实际测量一样，总是存在一些与幅度范围相关的固有测量误差。通过了解这两种关键规格类型，您可以选择最适合的频谱分析仪。

绝对幅度精度和相对幅度精度由许多因素决定。仪器必须在制造前进行校准。各种错误已单独记录并用于校正测量数据。显示的幅度精度得到了改善。

与频谱分析仪进行的实际测量一样，总是存在一些与幅度范围相关的固有测量误差。通过了解这两种关键规格类型，您可以选择最适合的频谱分析仪。

输入功率 Input Power

输入功率是频谱分析仪在不损坏内部组件的情况下可以接受的功率量。然而，如果输入功率太低，信号就会太弱而无法产生准确的结果。相反，如果输入功率过高，则会损坏设备。为了防止这种情况，大多数频谱分析仪都具有输入功率保护功能，可以限制进入设备的功率量。

值得注意的是，频谱分析仪的输入功率规格与输出功率规格不同。输出功率是设备可以产生的电量。选择频谱分析仪时，您需要为要测量的信号选择具有适当输入和输出功率的频谱分析仪。

本应用指南介绍了频谱分析的基本原理和频谱仪的主要功能以及最新进展。内容包括基本原理、谐波混频、预选、相位噪声和信号辨识等信息，此外还附有术语表。