Company LOGO频谱分析仪概述燕文斌 张梅杰目录发展历程1应用与意义 2性能与指标 3原理简介 4一、发展历程老式的频谱仪为纯电路结构，早期的产品采用与示 波器一样的示波管进行显示，通过快速扫描的接收 机来形成频谱图。这类频谱仪基本没有自动测量功 能，测量信号幅度靠人工对照示波管刻度进行数数 ，功能单一，只具有频谱仪基本的频率扫描和幅度 显示功能，且精度很低。目前在主流应用中已基本 淘汰。 老式频谱仪频谱仪一、发展历程单片机程控频谱仪是通过单片机微处理器来控制的频谱仪，虽然从外 观上看，最早期的数字频谱仪依然采用示波管显示，但增加了字符发 生器电路，在仪器屏幕上可以看到一些设置信息，并具有了一些自动 测量功能。随后，高性能的微处理器和频率合成器电路相继被引入， 使得频谱仪的工作精度、分辨率和程控化水平得到显著提高。显示屏 由示波管发展为CRT管，显示的频谱图是通过微处理器计算后形成的 ，并增加了很多数控和自动测量功能，屏幕上显示的信息一下子多了 很多，频谱仪的分辨率显著提高到1kHz的水平，部分高端产品达到 了1Hz级别 现代的数字化频谱仪除了射频信号处理单元，其余部分基本都数字化 了。很多附加的专项测量功能，如TETRA信号测量、GSM信号测量 ，都能以软件开通形式添加，显示屏改为彩色液晶显示，并且进一步 缩减了频谱仪的体积和重量，扫描速度进一步提高，背景噪声和相位 噪声也得到了进一步控制，频谱仪的性能提高到一个新的水平，这更 有利于对微小信号的测量。 一、发展历程HP的早期频谱仪 HP经典频谱仪 8591E 二、应用与意义频谱分析仪在射频领域应用非常广泛。频谱仪最基本的作用就是发现和测量信号的 幅度。频谱仪可以以图示化的方式显示设定频率范围内的射频信号，信号越强，频 谱仪显示的幅度也越大。通过这种特性，频谱仪被用来搜索和发现一定频段内的射 频信号，广泛应用在监测电磁环境、无线电频谱监测、电子产品电磁兼容测量、无 线电发射机发射特性、信号源输出信号品质、反无线窃听器等领域。频谱仪可以测 量射频信号的多种特征参数，包括频率、选频功率、带宽、邻道功率、调制波形、 场强等。在射频信号的频率测量方面，虽然频率计是专业的设备，但遇到时分多址 的信号（GSM移动电话、IDEN、TETRA的信号）、跳频的信号、宽带的信号，普 通频率计无法准确计数，功率计无法及时测量，而频谱仪由于基于高速的信号捕捉 ，则可以有机会测量这些信号。针对这些常见的不稳定信号，很多中高档频谱仪还 在测量软件上做了优化，提供专用的自动测量工具。 二、应用与意义由于频谱仪具有图示化射频信号的能力，频谱图可以帮 助我们了解信号的特性和类型，有助于最终了解信号的 调制方式和发射机的类型。1、在军事领域，频谱仪在电子对抗和频谱监测中被广 泛应用，不同类型的雷达信号、通信电台信号、应答机 信号、“敌我”识别器信号都有各自不同特征的频谱图。2 、在民用无线电管理领域，通过频谱图，我们可以及时 发现非法使用的频率，这比传统扫描监听的效率要高得 多。在不明干扰源的定位中，频谱图有助于判断干扰信 号的类型，并推断出产生干扰信号的可能设备，以缩小 排查范围。3、频谱仪还是一部很好的场强仪，具有比较大的动态 ，一些具有自动测量功能的频谱仪可以方便地读出目标 信号的场强数值，同时可以显示目标频率周边的情况。 二、应用与意义频谱代表信号的根本性质三、应用与意义1频谱仪与示波器属 于两种类型的仪器 ，示波器主要显示 时域信号幅度的变 化，而频谱仪显示 的是频域信号幅度 的变化。3对于研究射频的工 程师，频谱仪是工 作的好帮手，它可 以形象地展示一定 频率范围内信号的 幅度，可以据此发 现信号的存在和不 同类型信号的特征2示波器测量频率 很高的信号也比 较困难，而这正 是频谱分析仪的 强项。三、性能与指标 标志频谱分析仪性能和特性 的主要指标有工作频率范围 、分辨率带宽、频率扫宽、 动态范围、扫描速度、端口 阻抗、平均噪声电平、相位 噪声、绝对幅度精度。 频谱分析仪的工作频率范围 是指频谱仪最高工作频率和 最低工作频率，标志着频谱 仪可以显示频谱的最大范围 。在射频应用中，用户往往 更关心频谱仪的最高工作频 率，这使其成为用户关心频 谱仪性能的第一指标。三、性能与指标分析谱宽分析谱宽 又称频率跨度。频谱分析仪在一次测量分 析中能显示的频率范围，可等于或小于仪 器的频率范围，通常是可调的。 分析时间分析时间 完成一次频谱分析所需的时间，它与分析 谱宽和分辨力有密切关系 显示方式显示方式频谱分析仪显示的幅度与输入信号幅度 之间的关系。通常有线性显示、平方律 显示和对数显示三种方式 三、性能与指标分辨力频谱分析仪在显示器上能够区分最邻近的两条谱 线之间频率间隔的能力，是频谱分析仪最重要的技术 指 标。分辨力与滤波器型式、波形因数、带宽、本振稳 定度、剩余调频和边带噪声等因素有关，扫频式频谱 分析仪的分辨力还与扫描速度有关。分辨带宽越窄越 好。现代频谱仪在高频段分辨力为10100赫。 频率范围频谱分析仪进行正常工作的频率区间。现代频 谱仪的频率范围能从低于1赫直至300吉赫 四、原理简介频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，面板上布建 许多功能控制按键，作为系统功能之调整与控制，系 统主要的功能是在频域里显示输入信号的频谱特性。 频谱分析仪依信号处理方式的不同，一般有两种类型 ;频谱分析仪(Real-Time Spectrum Analyzer)与扫 瞄调谐频谱分析仪(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)。实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显 示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信 号而有相对应的滤波器与检知器(Detector)，再经由 同步的多任务扫瞄器将信号传送到CRT 屏幕上，其 优点是能显示周期性杂散波(PeriodicRandom Waves)的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频 宽范围、滤波器的数目与最大的多任务交换时间 (Switching Time)。 四、原理简介最常用的频谱分析仪是扫瞄调谐频谱分析仪，其基本 结构类似超外差式接收器，工作原理是输入信号经衰 减器直接外加到混波器，可调变的本地振荡器经与 CRT 同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振 荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号 （IF）再放大、滤波与检波传送到CRT 的垂直方向 板，因此在CRT 的纵轴显示信号振幅与频率的对应 关系 四、原理简介影响信号反应的重要部份为滤波器频宽，滤波器之特 性为高斯滤波器（Gaussian-Shaped Filter），影 响的功能就是量测时常见到的解析频宽(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，两个 不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪的RBW，此 时该两信号将重叠，难以分辨，较低的RBW 固然有 助于不同频率信号的分辨与量测，低的RBW 将滤除 较高频率的信号成份，导致信号显示时产生失真，失 真值与设定的RBW 密切相关，较高的RBW 固然有 助于宽带带信号的侦测，将增加噪声底层值(Noise Floor)，降低量测灵敏度，对于侦测低强度的信号易 产生阻碍，因此适当的RBW 宽度是正确使用频谱分 析仪重要的概念。 Company LOGO燕文斌 张梅杰