頻譜分析儀，簡稱頻譜儀，是在頻域上分析信號特征的工具，如信號的頻率分布、頻率、功率諧波、雜波噪聲、干擾失真等。
一、 頻譜
頻譜是一組正弦波，經過適當組合后，形成被考察的時域信號。

上圖顯示了一個復合信號的波形，假定我們希望看到的是正弦波，但顯然圖示信號不是純粹的正弦波，而僅靠觀察又很難確認其中的原因。而對應到下圖，同時在時域和頻域顯示了這個復合信號。頻域圖形描繪了頻譜中每個正弦波的幅度隨頻率的變化情況。

常見的頻譜分析測試包括頻率和功率、調制、失真和噪聲測量。
頻譜分析儀分為超外差式頻譜分析儀和非超外差式頻譜分析儀（傅里葉頻譜分析儀）。傅里葉頻譜分析儀常用于40MHz以下的基帶信號分析。
二、頻譜儀分析原理結構

圖2-1：超外差式頻譜分析儀結構
“外差”是指混頻，即對頻率進行轉換，“超”則是指超音頻頻率或高于音頻的頻率范圍。從圖中我們看到，輸入信號先經過一個衰減器，再經低通濾波器 (稍后會看到為何在此處放置濾波器) 到達混頻器，然后與來自本振 (LO) 的信號相混頻。由于混頻器是非線性器件，其輸出除了包含兩個原始信號之外，還包含它們的諧波以及原始信號與其諧波的和信號與差信號。若任何一個混頻信號落在中頻 (IF) 濾波器的通帶內，它都會被進一步處理 (被放大可能還有按對數壓縮)。重要的處理過程有包絡檢波、數字化以及顯示。斜坡發生器在屏幕上產生從左到右的水平移動，同時它還對本振進行調諧，使本振頻率的變化與斜坡電壓成正比。
2.1 射頻輸入衰減器
分析儀的第一部分是射頻輸入衰減器。它的作用是保證信號在輸入混頻器時處在合適的電平上，從而防止發生過載、增益壓縮和失真。由于衰減器是頻譜儀的一種保護電路，所以它通常是基于參考電平值而自動設置，不過也能以 10 dB、5 dB、2 dB 甚至 1 dB 的步進來手動選擇衰減值。
◆機械的或電子的
◆保護頻譜儀不受高電平信號損壞
◆改善儀器端口的匹配特性
◆提高測試的準確性
◆提高頻譜儀動態范圍
注意的是這里的衰減器衰減值加大時，儀器的本底噪聲也會被抬高。
2.2 低通濾波器或預選器
低通濾波器的作用是阻止高頻信號到達混頻器。這樣防止帶外信號與本振相混頻在中頻產生多余的頻率響應。微波頻譜分析儀用預選器代替了低通濾波器，預選器是一種可調濾波器，能夠濾掉我們所關心的頻率以外的其它頻率上的信號。
2.3 本地振蕩器與與混頻器
調諧取決于中頻濾波器的中心頻率、本振的頻率范圍和允許外界到達混頻器 (允許通過低通濾波器) 的頻率范圍。從混頻器輸出的所有信號分量中，有兩個具有最大幅度的信號是我們最想得到的，它們是由本振與輸入信號之和以及本振與輸入信號之差所產生的信號分量。如果我們能使想觀察的信號比本振頻率高或低一個中頻，則所希望的混頻分量就會落入中頻濾波器的通帶之內，隨后會被檢波并在屏幕上產生幅度響應。
為了使分析儀調諧至所需的頻譜范圍，我們需要選擇合適的本振頻率和中頻。假定要求的調諧范圍是 0 ~ 3 GHz，接下來需要選擇中頻頻率。如果選擇中頻為 1 GHz，這個頻率處在所需的調諧范圍內。我們假設有一個 1 GHz 的輸入信號，又由于混頻器的輸出包含原始輸入信號，那么來自于混頻器的 1 GHz 的輸入信號將在中頻處有恒定的輸出。所以不管本振如何調諧，1 GHz 的信號都將通過系統，并在屏幕上給出恒定的幅度響應。其結果是在頻率調諧范圍內形成一個無法進行測量的空白區域，因為在這一區域的信號幅度響應獨立于本振頻率。所以不能選擇1GHz 的中頻。也就是說，中頻頻率不能處于所考察的頻段內。

因此我們在比調諧頻段更高的頻率上選擇中頻。假設調諧至3GHz 的頻譜分析儀，所選的中頻頻率約為 3.9 GHz。現在我們想從0 Hz (由于這種結構的儀器不能觀察到 0 Hz 信號，故實際上是從某個低頻) 調諧到3 GHz。選擇本振頻率從中頻開始 (LO- IF = 0 Hz) 并向上調諧至高于中頻 3 GHz，則 LO-IF 的混頻分量就能夠覆蓋所要求的調諧范圍。運用這個原理，可以建立如下調諧方程:
$f_{sig}=f_{LO}?f_{IF}$
式中， $f_{sig}$ = 信號頻率，$f_{LO}$ = 本振頻率，$f_{IF}$= 中頻 (IF)。
如果想要確定分析儀調諧到低頻、中頻或高頻信號 (比如1kHz、1.5GHz 或 3GHz) 所需的本振頻率，首先要變換調諧方程得到
$f_{LO}=f_{sig}+f_{IF}$
然后代入信號和中頻頻率 :
$f_{LO}$=1kHz+3.9GHz=3.900001GHz
$f_{LO}$=1.5GHz+3.9GHz=5.4GHz
$f_{LO}$=3GHz+3.9GHz=6.9GHz

可以認為對于單頻段射頻頻譜分析儀，選擇的中頻頻率應高于調諧范圍的最高頻率，使本振可以從中頻調諧至調諧范圍的上限頻率，同時在混頻器前端放置低通濾波器來濾除 中頻以上頻率。
2.4 中頻增益 放大器
圖2-1 結構框圖的下一個部分是一個可變增益放大器。它用來調節信號在顯示器上的垂直位置而不會影響信號在混頻器輸入端的電平。當中頻增益改變時，參考電平值會相應的變化以保持所顯示信號指示值的正確性。通常，我們希望在調節輸入衰減時參考電平保持不變，所以射頻輸入衰減器和中頻增益是聯動的。在輸入衰減改變時中頻增益會自動調整來抵消輸入衰減變化所產生的影響，從而使信號在顯示器上的位置保持不變。
2.5 中頻濾波器
中頻增益放大器之后，就是由模擬和/或數字分辨率帶寬 (RBW) 濾波器組成的中頻部分。

2.5.1 模擬濾波器
頻率分辨率是頻譜分析儀明確分離出兩個正弦輸入信號響應的能力。傅立葉理論告訴我們正弦信號只在單點頻率處有能量，好像我們不應該有什么分辨率問題。兩個信號無論在頻率上多么接近，似乎都應在顯示器上表現為兩條線。但是超外差接收機的顯示器上所呈現的信號響應是具有一定寬度的。混頻器的輸出包括兩個原始信號 (輸入信號和本振) 以及它們的和與差。中頻由帶通濾波器決定，此帶通濾波器會選出所需的混頻分量并抑制所有其它信號。由于輸入信號是固定的，而本振是掃頻的，故混頻器的輸出也是掃頻的。若某個混頻分量恰好掃過中頻，帶通濾波器的特性曲線就會在顯示器上被描繪出來，如圖 2-6 所示。
頻率分辨率是頻譜分析儀明確分離出兩個正弦輸入信號響應的能力。傅立葉理論告訴我們正弦信號只在單點頻率處有能量，好像我們不應該有什么分辨率問題。兩個信號無論在頻率上多么接近，似乎都應在顯示器上表現為兩條線。但是超外差接收機的顯示器上所呈現的信號響應是具有一定寬度的。混頻器的輸出包括兩個原始信號 (輸入信號和本振) 以及它們的和與差。中頻由帶通濾波器決定，此帶通濾波器會選出所需的混頻分量并抑制所有其它信號。由于輸入信號是固定的，而本振是掃頻的，故混頻器的輸出也是掃頻的。若某個混頻分量恰好掃過中頻，帶通濾波器的特性曲線就會在顯示器上被描繪出來，如圖 2-6 所示。
在這里插入圖片描述

因此，兩個輸入信號頻率必須間隔足夠遠，否則它們所形成的跡線會在頂部重疊，看起來像是只有一個響應。所幸的是，頻譜分析儀中的分辨率 (IF) 濾波器可調，所以通常能找到一個帶寬足夠窄的濾波器來分離頻率間隔很近的信號。
安捷倫頻譜儀的技術指標使用可用的IF 濾波器的3dB 帶寬來描述頻譜儀分辨信號的能力。這些數據告訴我們兩個等幅正弦波相距多近時還能依然被分辨。這時由信號產生的兩個響應曲線的峰值處有3dB 的凹陷，如圖2-7 所示，兩個信號可以被分辨。當然這兩個信號還可以再近一些直到它們的跡線完全重疊，但通常以 3dB 帶寬作為分辨兩個等幅信號的經驗值。

圖2-7 間距等于所選IF濾波器3dB帶寬的兩個等幅正弦信號能夠被分辨

我們碰到更多的情況是不等幅正弦波。有可能較小的正弦波被較大信號響應曲線的邊帶所淹沒。這種現象如圖 2-8 所示。頂部的軌跡線看起來是一個信號，但實際上它包含兩個: 一個頻率為300 MHz (0 dBm)，另一個頻率為 300.005 MHz (-30 dBm)。在去除 300 MHz 的信號后，較小的信號才會顯示出來。

圖2-8 低電平信號被淹沒在較大信號響應曲線的邊帶里

分辨率濾波器的另一個技術指標是帶寬選擇性 (也稱選擇性或形狀因子)。帶寬選擇性決定了頻譜儀分辨不等幅正弦信號的能力。安捷倫頻譜分析儀的帶寬選擇性通常指定為 60dB 帶寬與 3dB 帶寬之比，如圖2-9 所示。安捷倫分析儀中的模擬濾波器具有4個極點，采用同頻調諧式設計，其特性曲線形狀類似高斯分布4。這種濾波器的帶寬選擇性約為 12.7:1。

圖 2-9 帶寬選擇性:60dB 帶寬與 3dB 帶寬之比

2.5.2 數字濾波器
一些頻譜分析儀使用數字技術實現分辨率帶寬濾波器。數字濾波器有很多優點，例如它能極大地改善濾波器的帶寬選擇性。安捷倫公司的PSA系列和 X 系列分析儀實現了分辨率帶寬濾波器的全部數字化。另外像安捷倫ESA-E系列頻譜儀，采用的是混合結構，帶寬較大時采用模擬濾波器，帶寬小于等于 300 Hz 時采用數字濾波器。
2.5.3 掃描時間
模擬分辨率濾波器
如果把分辨率作為評價頻譜儀的唯一標準，似乎將頻譜儀的分辨率 (IF) 濾波器設計得盡可能窄就可以了。然而，分辨率會影響掃描時間，而我們又非常注重掃描時間。因為它直接影響完成一次測量所需的時間。
考慮分辨率的原因是由于中頻濾波器是帶限電路，需要有限的時間來充電和放電。如果混頻分量掃過濾波器的速度過快，便會造成如圖 2-14 所示的顯示幅度的丟失 (關于處理中頻響應時間的其它方法，見本章后面所述的“包絡檢波器”)。如果我們考慮混頻分量停留在中頻濾波器通帶內的時間，則這個時間與帶寬成正比，與單位時間內的掃描 (Hz)成反比，即：
通帶內的時間=$\frac{RBW}{Span/ST}=\frac{RBW?ST}{Span}$
其中，RBW = 分辨率帶
ST = 掃描時間

圖 2-10 掃描過快引起顯示幅度的下降和所指定頻率的偏移

另一方面，濾波器的上升時間又與其帶寬成反比，如果我們引入比例常數 k，則有:
上升時間=$\frac{k}{RBW}$
若使前面討論的這兩個時間相等，并求解掃描時間，得到
$\frac{k}{RBW}=\frac{RBW?ST}{Span}$
$ST=\frac{k?Span}{RBW?RBW}$
安捷倫許多頻譜儀中所采用的同步調諧式準高斯濾波器的 k 值在 2 ~ 3 之間。我們得出的重要結論是: 分辨率的變化對掃描時間有重大影響。大多數安捷倫頻譜儀都能按 1、3、10 的規律或大致等于 10 的平方根的比率提供步進值。所以，當分辨率每改變一檔，掃描時間會受到10 倍的影響。許多安捷倫頻譜分析儀提供的帶寬間隔可達 10%，以實現掃寬、分辨率和掃描時間三者更好的折衷。
數字分辨率濾波器
安捷倫頻譜分析儀中所使用的數字分辨率濾波器對掃描時間的影響與之前所述的模擬濾波器不同。對于掃描分析，利用數字技術實現的濾波器的掃描速度提高至原來的 2 ~ 4 倍，而基于 FFT 算法的數字濾波器則表現出比這更好的性能。產生這種改進的原因是信號會在多個頻域塊上同時被處理。例如，如果頻率范圍為 1 kHz，那么當我們選擇10Hz 的分辨率帶寬時，分析儀實際上是在1kHz 單元中通過100 個相鄰的10 Hz 濾波器同時處理數據。如果數字處理的速度能達到瞬時，那么可以預期掃描時間將縮短 100 倍。實際上縮減的程度要小些，但仍然非常有意義。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的频谱仪原理简介一的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。