現(xiàn)代頻譜分析儀已經(jīng)得到許多綜合利用，從研究開(kāi)發(fā)到生產(chǎn)制造，到現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。新型頻譜分析儀已經(jīng)改名叫信號(hào)分析儀，已經(jīng)成為具有重要價(jià)值的實(shí)驗(yàn)室儀器，能夠快速觀察大的頻譜寬度，然后迅速移近放大來(lái)觀察信號(hào)細(xì)節(jié)已受到工程師的高度重視。在制造領(lǐng)域，測(cè)量速度結(jié)合通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)存取數(shù)據(jù)的能力，可以快速，精確和重復(fù)地完成一些極其復(fù)雜的測(cè)量。

有兩種技術(shù)方法可完成信號(hào)頻域測(cè)量（統(tǒng)稱(chēng)為頻譜分析）。

1．FFT分析儀 用數(shù)值計(jì)算的方法處理一定時(shí)間周期的信號(hào)，可提供頻率；幅度和相位信息。這種儀器同樣能分析周期和非周期信號(hào)。FFT 的特點(diǎn)是速度快；精度高，但其分析頻率帶寬受ADC采樣速率限制，適合分析窄帶寬信號(hào)。

2．掃頻式頻譜分析儀可分析穩(wěn)定和周期變化信號(hào)，可提供信號(hào)幅度和頻率信息，適合于寬頻帶快速掃描測(cè)試。

圖1 信號(hào)的頻域分析技術(shù)

快速傅立葉變換頻譜分析儀

快速傅立葉變換可用來(lái)確定時(shí)域信號(hào)的頻譜。信號(hào)必須在時(shí)域中被數(shù)字化，然后執(zhí)行FFT算法來(lái)求出頻譜。一般FFT分析儀的結(jié)構(gòu)是：輸入信號(hào)首先通過(guò)一個(gè)可變衰減器，以提供不同的測(cè)量范圍，然后信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器，除去處于儀器頻率范圍之外的不希望的高頻分量，再對(duì)波形進(jìn)行取樣即模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式后，用微處理器（或其他數(shù)字電路如FPGA,DSP）接收取樣波形，利用FFT計(jì)算波形的頻譜，并將結(jié)果記錄和顯示在屏幕上。

FFT分析儀能夠完成多通道濾波器式同樣的功能，但無(wú)需使用許多帶通濾波器，它使用數(shù)字信號(hào)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立濾波器相當(dāng)?shù)墓δ?。從概念上講，F(xiàn)FT方法是簡(jiǎn)單明確的：對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，再計(jì)算頻譜。實(shí)際上，為了使測(cè)量具有意義，還需要考慮很多因素。

FFT的實(shí)質(zhì)是基帶變換，換句話(huà)說(shuō)，F(xiàn)FT的頻率范圍總是從0Hz開(kāi)始并延伸到某個(gè)最高頻率處。這對(duì)需要分析較窄頻帶（不是從直流開(kāi)始）的測(cè)量情況可能是一個(gè)重大限制。例如，F(xiàn)FT分析儀具有取樣頻率，F(xiàn)FT的頻率范圍是0Hz到128KHz。若N=1024，則頻率分辨力將是，故不能分辨間隔小于250Hz的譜線。

提高頻率分辨力的一種方法是增大時(shí)間記錄中的取樣點(diǎn)數(shù)N，這也增大FFT輸出的節(jié)點(diǎn)數(shù)。不過(guò)，問(wèn)題在于，這會(huì)增加FFT所要處理的數(shù)組長(zhǎng)度，從而增加計(jì)算時(shí)間。FFT算法的計(jì)算時(shí)間往往限制了儀器的性能（比如屏幕刷新速度），所以增加FFT的長(zhǎng)度往往是可取的。

另一種方法是使用數(shù)字下變頻器，對(duì)于帶限信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字下變頻，這樣等效降低了采樣速率，可以提高頻率分辨力。ADC的輸出與數(shù)字正弦波相乘，借助數(shù)字混頻使數(shù)字正弦波的頻率降低。再用數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，數(shù)字濾波器通過(guò)利用適當(dāng)?shù)某檫x因子來(lái)形成適當(dāng)?shù)念l率間隔，這個(gè)帶寬可以做得很窄，可以形成窄到1Hz的頻率間隔和頻率分辨力。

圖2 在FFT分析儀中利用數(shù)字混頻器可以為頻變分析提供頻帶選擇

掃頻式頻譜分析儀工作原理

頻譜儀就是采用掃頻式原理來(lái)完成信號(hào)的頻域測(cè)試。

頻譜分析儀的功能是要分辨輸入信號(hào)中各個(gè)頻率成份并測(cè)量各頻率成份的頻率和功率。為完成以上功能，在掃描-調(diào)諧頻譜分析中采用超外差方式，它能提供寬的頻率覆蓋范圍，同時(shí)允許在中頻（IF）進(jìn)行信號(hào)處理。圖3是超外差式掃頻頻譜分析儀的結(jié)構(gòu)框圖。

輸入信號(hào)進(jìn)入頻譜儀后與本振（LO）混頻，當(dāng)混頻產(chǎn)物等于中頻（IF）時(shí)，這個(gè)信號(hào)送到檢波器，檢波器輸出視頻信號(hào)通過(guò)放大、采樣、數(shù)字化后決定CRT顯示信號(hào)的垂直電平。掃描振蕩器控制CRT顯示的水平頻率軸和本地振蕩器調(diào)諧同步，它同時(shí)驅(qū)動(dòng)水平CRT偏轉(zhuǎn)和調(diào)諧LO。

頻譜分析儀依靠中頻濾波器分辨各頻率成份，檢波器測(cè)量信號(hào)功率，依靠本振和顯示橫坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到信號(hào)頻率值。

這種掃描- 調(diào)諧分析儀的工作原理正象你家中的調(diào)幅（AM）接收機(jī)，只是調(diào)幅接收機(jī)的本振不是掃描的，而是用刻度旋鈕人工進(jìn)行調(diào)諧；另外不是用顯示器顯示信息而是用揚(yáng)聲器。

圖3 掃頻超外差式頻譜分析儀的簡(jiǎn)化框圖

基于掃描式工作原理，當(dāng)輸入信號(hào)為單點(diǎn)頻信號(hào)時(shí)，該信號(hào)需和掃描本振信號(hào)進(jìn)行混頻，這樣中頻信號(hào)也為頻率變化的掃頻信號(hào)，該掃頻信號(hào)通過(guò)中頻濾波器和檢波器后輸出波形為中頻濾波器頻響形狀。

圖4 掃頻式頻譜分析儀的測(cè)量過(guò)程

輸入衰減器

輸入衰減器是信號(hào)在頻譜儀中的第一級(jí)處理，頻譜分析儀輸入衰減器功能包含以下方面：

1. 保證頻譜儀在寬頻范圍內(nèi)保持良好匹配特性；

2 .保護(hù)混頻及其它中頻處理電路。防止部件損壞和產(chǎn)生過(guò)大非線性失真。

一般頻譜分析儀衰減器衰減范圍為：0~65dB; 可按照5dB步進(jìn)變化。當(dāng)改變輸入衰減器設(shè)置時(shí)，信號(hào)電平會(huì)受到影響。如衰減值由10dB變?yōu)?0dB，信號(hào)幅度人為被減小10dB，相應(yīng)檢波輸出也會(huì)降低，為補(bǔ)償該變化，頻譜儀內(nèi)部會(huì)利用放大器補(bǔ)償衰減影響。所以當(dāng)在改變衰減器設(shè)置時(shí)，輸入信號(hào)在頻譜儀上的顯示并不發(fā)生變化。

儀表自動(dòng)設(shè)置衰減器件的原則是保證：

輸入信號(hào)電平－衰減器設(shè)置<=混頻器工作電平

可以注意一下儀表的這幾個(gè)參數(shù)值是否滿(mǎn)足上式的關(guān)系。

所以，當(dāng)改變儀表輸入衰減器設(shè)置時(shí)，其內(nèi)部衰減器和中頻放大器會(huì)發(fā)生變化。中頻放大器決定信號(hào)在屏幕上的顯示位置。

頻譜儀工作時(shí)，其中頻放大器增益和衰減器設(shè)值連動(dòng)工作，當(dāng)改變輸入衰減器設(shè)置時(shí)，輸入信號(hào)顯示電平并不會(huì)發(fā)生變化。

混頻器

混頻器完成信號(hào)的頻譜搬移，將不同頻率輸入信號(hào)變換到相應(yīng)頻率。在混頻過(guò)程中會(huì)存在鏡相干擾問(wèn)題。

鏡相干擾舉例：

1. 輸入信號(hào)頻率：800MHz; 本振信號(hào)頻率：780MHz;

2. 中頻信號(hào)頻率：800-780=20MHz;

3. 則鏡相干擾信號(hào)頻率：780-20=760MHz,

4. 760MHz信號(hào)是800MHz信號(hào)的鏡相干擾。

這樣帶來(lái)的測(cè)量問(wèn)題就是頻譜儀的一個(gè)中頻信號(hào)顯示不能判斷是760MHz信號(hào)還是800MHz信號(hào)的響應(yīng)。

頻譜儀需采用相應(yīng)方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。頻譜分析儀利用兩種方法解決該問(wèn)題。

1.在低頻率段(<3GHz)，利用高混頻和低通濾波器抑制干擾。

2.在高頻率段(>3GHz)，利用帶通跟蹤濾波器抑制干擾。

圖5 典型頻譜分析儀的變頻處理過(guò)程

中頻濾波器

中頻濾波器是譜分析儀中關(guān)鍵部件，頻譜分析儀主要依靠該濾波器來(lái)分辯不同頻率信號(hào)，頻譜儀許多關(guān)鍵指標(biāo)（測(cè)量分辨率、測(cè)量靈敏度、測(cè)量速度、測(cè)量精度等）都和中頻濾波器的帶寬和形狀有關(guān)。

中頻濾波器通常由LC濾波器，晶體濾波器或數(shù)字濾波器的組合實(shí)現(xiàn)。形狀因素和濾波器類(lèi)型是說(shuō)明這些濾波器特性的重要因素。形狀因素為濾波器是如何選擇的一個(gè)測(cè)度，通常規(guī)定為3dB/60Dbk寬度之比，比值表示出如何在3dB帶寬內(nèi)的大信號(hào)附件分辨小1百萬(wàn)倍（-60dB）的信號(hào)。這類(lèi)濾波器對(duì)頻譜分析儀的性能有重大影響，雖然某些濾波器類(lèi)型如Butterworth巴特沃茲濾波器或Chebychev切比雪夫?yàn)V波器具有優(yōu)良的選擇性（信號(hào)分離的能力），以及高斯濾波器和同步調(diào)諧濾波器具有較好的時(shí)域性能（較好的掃描幅度精度），但最終應(yīng)用哪種濾波器屬最佳將起重大作用。優(yōu)良的形狀因素性能對(duì)緊靠在一起的信號(hào)提供較好的分辨率。較好的時(shí)域性能（無(wú)過(guò)沖）提供了更快的掃描速度和良好的幅度精度。

對(duì)數(shù)放大器

對(duì)數(shù)放大器以對(duì)數(shù)方式處理輸入信號(hào)，允許有大的待測(cè)量和小的待測(cè)量同步易顯示和分辨。實(shí)現(xiàn)這種壓縮的一種方法是構(gòu)建增益隨信號(hào)幅度而變化的放大器。在低電平信號(hào)下，增益可能為10dB，而在較大的幅度下，增益下降到0。為了獲得所需的對(duì)數(shù)范圍，必須將若干這類(lèi)放大器進(jìn)行級(jí)聯(lián)。對(duì)數(shù)放大器通常具有約70dB到超過(guò)100dB的范圍。除對(duì)數(shù)范圍外，逼真度（對(duì)數(shù)壓縮與對(duì)數(shù)曲線相符的接近程度）是應(yīng)考慮的重要因素，這個(gè)誤差將直接反映測(cè)量的幅度誤差。

檢波器

檢波器將輸入信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為輸出視頻電壓，該電壓值對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)功率。

針對(duì)不同特性輸入信號(hào)（正弦信號(hào)、噪音信號(hào)、隨機(jī)調(diào)制信號(hào)等），需采用不同檢波方式才能準(zhǔn)確測(cè)出該信號(hào)功率。

現(xiàn)代頻譜儀一般采用數(shù)字技術(shù)，支持所有檢波方式以確保準(zhǔn)確測(cè)量各種被測(cè)信號(hào)的功率參數(shù)。

視頻濾波器

視頻濾波器對(duì)檢波器輸出視頻信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理，減小視頻帶寬可對(duì)頻譜顯示中的噪聲抖動(dòng)進(jìn)行平滑，從而減小顯示噪聲的抖動(dòng)范圍。這樣有利頻譜儀發(fā)現(xiàn)淹沒(méi)在噪聲中的小功率CW信號(hào)，還可提高測(cè)量的可重復(fù)性。

掃描本振

掃描本振是整個(gè)頻譜分析儀中的關(guān)鍵部分之一，掃描本振的穩(wěn)定度和頻譜純度對(duì)許多性能指標(biāo)都是一個(gè)限制因素。本振的穩(wěn)定度影響最小分辨帶寬，但是，即使利用頻率很穩(wěn)定的本振，仍然存在殘余的不穩(wěn)定度，這稱(chēng)之為相位噪聲或相位噪聲邊帶。相位噪聲影響對(duì)