技术指南

频谱分析仪如何工作

简介

频谱分析仪是一种用于测量一定频率范围内射频信号强度的设备。信号通过一个滤波器，只允许特定范围的频率通过，然后将产生的信号通过放大器传送到屏幕上显示。

然后测量信号的振幅（屏幕上的纵轴），绘制的结果表示频率（横轴）的函数。绘制结果的整体形状就是信号的频谱密度。

频谱分析仪的另一个主要功能是测量已知和未知信号的功率。了解频率、振幅和调制参数在短时间和长时间内的表现对于理解现代射频系统的行为至关重要。

Keysight N9020A 和 N9020B MXA 信号/频谱分析仪 — MXA 信号分析仪具有强大的性能，可虚拟识别任何无线设备信号，满足不断变化的测试需求，包括现代参数或射频功能测试。 – 来源：Keysight

本文将介绍频谱分析仪的不同类型、工作原理及其用途。这些信息将帮助您了解如何可靠地检测和鉴定随时间变化的射频信号。

频谱分析仪有什么用途？

通过扫描频谱，频谱分析仪可以详细分析每个频率级别的信号功率。这些信息可确定哪些频率对信号的整体强度起作用，并排除导致信号强度下降的任何问题。此外，频谱分析仪还可以通过跟踪各种信号强度随时间的变化来监测系统的健康状况。

Keysight E4440A PSA 频谱分析仪 — Keysight E4440A 频谱分析仪一直在协助航空航天/国防和通信组织开展需要最高性能和宽带分析能力的应用 – 来源：Keysight

频谱分析仪是一种在以下领域中广泛使用的强大工具：

电信领域，用于测量蜂窝网络性能和调试无线通信。
防务行业，用于测试雷达系统和检测敌对辐射源。
卫星通信，用于评估链路质量和监控干扰。
广播领域，用于确保遵守规定并优化发射机性能。
航空航天工业，用于测试飞机航电系统和地基雷达系统。
医学研究，用于研究脑波和调查电磁辐射的影响。

对于正在学习频谱分析仪的工程师来说，通常与其一起使用的另一种测试设备是示波器。同时使用频谱分析仪和示波器可以获得信号的完整图像。

信号分析仪

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频谱分析仪测量信号幅度与频率的函数关系。频谱分析仪可以测量分布在较大频率范围内的信号，如射频发射机产生的信号。另一方面，示波器按时间（时域）测量信号的电压。它们通常用于通过观察短时间和长时间间隔内通过电路的各种信号的波形来排除电路故障。

例如，如果要优化射频发射机，可以使用分析仪测量输出功率与频率的函数关系。然后使用示波器测量发射机输出波形的形状。通过观察功率谱密度和波形，您可以更好地了解发射机的性能，并找出需要改进的地方。

这些分析仪在检测和测量噪声和杂散信号方面也非常出色。信号噪声是系统中存在的任何不需要的信号。杂散信号是系统中不应该存在的信号。这两种干扰加在一起会削弱和扭曲信号。

通过分析信号的频谱，频谱分析仪会生成一张显示信号振幅与频率关系的图表。振幅以分贝为单位，频率以赫兹为单位。通过比较这两个测量值，您可以识别可能存在的带外信号或噪声。这样就可以隔离和消除噪声和杂散信号，确保测量的准确性。

不同类型的频谱分析仪如何工作？

有两种类型的分析仪--模拟和数字。模拟频谱分析仪使用滤波器和调谐电路等各种技术来测量信号的强度和频率。数字分析仪使用快速傅立叶变换（FFT）来分析信号。FFT 是一种将信号从时域转换到频域的数学算法。这一功能可使数字频谱分析仪快速进行测量。

示波器

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让我们看一下一些不同类型的频谱分析仪及其用途。

矢量频谱分析仪

矢量频谱分析仪测量信号的频谱特性。它们在其工作范围内的每个频率上测量信号的振幅和相位。

这些测量结果会生成信号振幅与频率的函数关系图。这幅图可以提供有关信号频谱特性的宝贵信息，从而优化信号的长距离传输。频谱只是不同频率上能量的表示。

混频原理是信号处理和通信中的一个关键概念。简单地说，它表明您可以将两个频率接近的信号组合在一起，产生它们频率差的新信号。这个新信号被称为拍频，包含有关两个原始信号的信息。

矢量频谱分析仪利用混频原理来分析信号。通过将目标信号与已知参考信号混合，VSA可以创建具有原始信号特性的拍频。然后，VSA可以分析这个拍频以确定信号的幅度、相位和其他特性。这一方面使VSAs成为测量和疑难解答复杂信号的重要工具。

VSA 优点	VSA 缺点
测量信号的幅值和相位。这一点非常重要，因为现实世界中的许多信号都不是正弦信号，在不同频率下具有不同的幅度。	频率范围有限。只能测量特定频率的信号。
表征复杂信号。复杂信号可以是多个具有不同幅度、相位和频率的正弦信号的组合。	动态范围有限。它们只能精确测量一定振幅范围内的信号。加上频率范围有限，这可能会限制某些应用。
生成眼图的能力。这些图形表示电信号符合特定标准的程度。眼图通常用于数字通信系统，以评估信号质量。	学习曲线通常比传统同类产品高得多。新用户可能会发现，要熟练掌握其使用方法很有难度。

扫描频谱分析仪

扫描频谱分析仪在射频（无线电频率）频谱上扫描正弦信号，并在每个频率上测量被测系统的响应。它通过使用本地振荡器来实现这一功能。本地振荡器的输出信号与分析仪的输入信号混合，产生的信号通过滤波器。

经过放大和滤波的信号随后进入检测器，检测器以图形方式显示输入信号的振幅与频率的函数关系。图形通常使用振幅的对数刻度（y 轴）和频率的线性刻度（x 轴）来显示结果。

通过观察响应曲线的形状，可以确定系统的中心频率、带宽、增益和本底噪声。

扫频分析仪可对蜂窝通信、WiFi 网络、卫星系统和雷达系统等射频系统进行故障诊断和监控。它们还能测量滤波器、放大器和天线等射频元件的性能。

扫频分析仪优点	扫频分析仪优点
更快、更易使用。只需几秒钟即可完成测量，而传统的频谱分析仪可能需要几分钟。	灵敏度通常低于基于傅立叶变换的分析仪，因此不太适合低噪声应用。
更精确。扫频频谱分析仪结合了在不同频率上进行的多次测量，可以更精确地显示信号的功率。传统的频谱分析仪测量的是信号在其带宽内每个频率的功率。不同频率的信号强度会有很大差异，导致测量结果不准确。	由于信号在频谱中的传播方式，可能会出现失真。
成本更低。与传统分析仪相比，扫频分析仪使用的元件较少，因此如果您需要一款经济实惠、准确且易于使用的分析仪，扫频分析仪将是您的最佳选择。	需要稳定的本地振荡器。对于某些频率来说，生成这种振荡器可能具有挑战性。

FFT频谱分析仪

快速傅立叶变换 (FFT) 频谱分析仪可测量不同频率的信号强度。通过数学运算将信号分成多个频带（用于将类似信号分组以便进一步处理的频率范围），频谱分析仪显示每个频带的振幅。分析仪的分辨率由用于信号采样的点数和用于表示信号的频带数组成。

FFT 频谱分析仪还能检查时变或非周期信号的频谱。它还有助于分析由载波调制的信号。FFT 频谱分析仪还能测量功率谱密度并识别信号中的谐波。

FFT 频谱分析仪有多种应用，包括

电信
声学和音频信号
雷达
电能质量监测

快速傅立叶变换频谱分析仪流程图 — 快速傅立叶变换频谱分析仪简化流程图 – 来源：Keysight

FFT 频谱分析仪优点	FFT 频谱分析仪缺点
高度详细的测量。FFT 频谱分析仪可以提供有关信号频率成分的更详细信息。这样就能对信号进行更精确的分析。	信号类型有限。FFT 频谱分析仪只能分析周期性信号。这意味着它们不适合分析瞬态信号，如脉冲雷达或通信系统中的瞬态信号。
测量速度更快。FFT 频谱分析仪通常比其他频谱分析仪更快，因此效率更高。	频谱泄漏。在进行基于 FFT 的分析时，窗口假象可能是一个重要问题，尤其是在使用短窗口时。如果对信号应用窗口，就会产生破坏周期性的不连续性。
精确。与其他类型的频谱分析仪相比，FFT 频谱分析仪受噪声的影响较小。因此，在信号噪声较大的环境中，FFT 频谱分析仪是理想之选。	造成混叠。开窗也会造成混叠，即高频成分读作低频频谱成分，从而导致测量误差。为克服这一问题，抗混叠滤波器可去除信号中的高频成分。

实时频谱分析仪

实时频谱分析仪（RSA）测量信号的强度和频域。顾名思义，时域信号取决于时间，而频域信号取决于频率。RSA 使用快速傅立叶变换 (FFT) 将信号从一个域转换到另一个域，从而将两个域连接起来。时域和频域是有效的分析技术，可提供有关信号特性的重要信息。

RSA 通过对信号波形进行 "无间隙 "捕捉，可对信号行为进行更仔细的分析，让您在单一视图中查看信号随时间变化的行为。RSA 可捕捉单个能量脉冲，其时间门围绕每个触发事件打开和关闭。窗口大小（门）覆盖预期的脉冲宽度，外加一个小余量，以确保同时捕捉到信号的前沿和后沿。

触发电平可检测到高于本底噪声的信号能量，因此空白扫描测量（无信号触发）是最小的。但是，如果脉冲间隔时间很短，捕捉扫描之间就会出现间隙。

设置较低的触发电平可确保即使是微弱信号也能触发捕获，而较短的窗口宽度则可消除脉冲发生时打开栅极的任何延迟。因此，无间隙捕获可对脉冲信号进行更精确的域分析。

RSA 会在图表上显示域信息，这将有助于识别信号中的任何问题。例如，图形上会出现过多的噪声或失真。实时分析主要用于研发环境，因为它对鉴定信号和测试新设备至关重要。

实时频谱分析仪的优点	实时频谱分析仪的缺点
提供更准确的信号环境图像。实时频谱分析仪不依赖于在离散的时间点采集信号样本。相反，它们对信号进行连续分析，提供信号行为的 "真实 "呈现。	实时频谱分析仪的缺点
测量设置更快，信号异常识别更容易。	通常需要比传统型号更多的时间进行设置和配置。
易于配置，只显示对您重要的信息。它们具有极大的灵活性，能让您深入了解信号环境。	通常需要比传统型号更多的时间进行设置和配置。

如何使用频谱分析仪

频谱分析仪的控制和界面因型号和制造商而异，但大多数频谱分析仪都有几个标准功能。

您可以通过前面板上的刻度盘或按钮控制频率跨度、量程和分辨率。调整这些设置可改变屏幕上显示的频率范围。
屏幕上的轨迹或线条表示信号频率的强度。您可以使用垂直刻度旋钮调整轨迹的幅度。通过调整偏移量可以在屏幕上上下移动轨迹。
电平设置控制屏幕上显示的最大和最小功率电平，即垂直刻度。需要注意的是，电平设置并不影响测量信号的实际功率。您可以使用前面板上的刻度盘调整电平设置。
时基或扫描速度是频谱分析仪的另一项重要功能。它控制轨迹在屏幕上移动的时间。扫描速度越快，就越能看到短暂的信号异常。使用分析仪前面板上的刻度盘调整时基，以适应您所需的速度。大多数频谱分析仪都具有自动缩放功能，可自动调整电平和扫描速度设置。如果您不确定使用何种设置，这是一项非常方便的功能。

频谱分析仪购买指南

在选购频谱分析仪时，您需要考虑不同的方面，从分辨率带宽到相位噪声性能和振幅范围。让我们来看看购买时需要注意的一些主要因素。

频率范围。频率范围是一个必须考虑的因素，因为不同的频谱分析仪测量的频率范围不同。例如，有些频谱分析仪测量音频频率（20 Hz – 20 kHz），而有些则测量无线电频率（10 MHz – 10 GHz）。在购买频谱分析仪之前，重要的是要弄清楚您需要测量的频段。了解这一点后，您就可以缩小搜索范围，找到适合您需要的频谱分析仪。
分辨率带宽。分辨率带宽决定了频谱分析仪所能分辨的信号的最小宽度，通常以赫兹（Hz）表示。
高分辨率带宽测量可以更详细地读取窄信号，而低分辨率带宽测量则更适合读取宽信号。选择分辨率带宽时，必须考虑使用频谱分析仪的应用。
跨度。跨度是指分析仪可测量的频率范围。跨度越宽，意味着分析仪可以测量的频率范围越大，这对于排除故障或测量频率范围较宽的信号很有帮助。一个好的经验法则是选择跨度至少为所要测量信号带宽两倍的分析仪。
振幅范围。振幅范围是频谱分析仪可测量的最大和最小信号之间的差值。振幅范围越大，意味着分析仪可以测量的信号强度范围越广。这一点至关重要，因为它可以精确测量不同频率下非常微弱或强大的信号。

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