現(xiàn)代頻譜分析儀已經(jīng)得到許多綜合利用，從研究開發(fā)到生產(chǎn)制造，到現(xiàn)場維護(hù)。新型頻譜分析儀已經(jīng)改名叫信號分析儀，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觀察信號細(xì)節(jié)已受到工程師的高度重視。在制造領(lǐng)域，測量速度結(jié)合通過計(jì)算機(jī)來存取數(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)雜的測量。

有兩種技術(shù)方法可完成信號頻域測量（統(tǒng)稱為頻譜分析）。

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，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。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。

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

圖1 信號的頻域分析技術(shù)

快速傅立葉變換頻譜分析儀

快速傅立葉變換可用來確定時(shí)域信號的頻譜。信號必須在時(shí)域中被數(shù)字化，然后執(zhí)行FFT算法來求出頻譜。一般FFT分析儀的結(jié)構(gòu)是：輸入信號首先通過一個(gè)可變衰減器，以提供不同的測量范圍，然后信號經(jīng)過低通濾波器，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，但無需使用許多帶通濾波器，它使用數(shù)字信號處理來實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立濾波器相當(dāng)?shù)墓δ堋母拍钌现v，F(xiàn)FT方法是簡單明確的：對信號進(jìn)行數(shù)字化，再計(jì)算頻譜。實(shí)際上，為了使測量具有意義，還需要考慮很多因素。

FFT的實(shí)質(zhì)是基帶變換，換句話說，F(xiàn)FT的頻率范圍總是從0Hz開始并延伸到某個(gè)最高頻率處。這對需要分析較窄頻帶（不是從直流開始）的測量情況可能是一個(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，問題在于，這會增加FFT所要處理的數(shù)組長度，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的長度往往是可取的。

另一種方法是使用數(shù)字下變頻器，對于帶限信號，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)字濾波器通過利用適當(dāng)?shù)某檫x因子來形成適當(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完成信號的頻域測試。

頻譜分析儀的功能是要分辨輸入信號中各個(gè)頻率成份并測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)信號送到檢波器，檢波器輸出視頻信號通過放大、采樣、數(shù)字化后決定CRT顯示信號的垂直電平。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，檢波器測量信號功率，依靠本振和顯示橫坐標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系得到信號頻率值。

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化框圖

基于掃描式工作原理，當(dāng)輸入信號為單點(diǎn)頻信號時(shí)，該信號需和掃描本振信號進(jìn)行混頻，這樣中頻信號也為頻率變化的掃頻信號，該掃頻信號通過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量過程

輸入衰減器

輸入衰減器是信號在頻譜儀中的第一級處理，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)，信號電平會受到影響。如衰減值由10dB變?yōu)?0dB，信號幅度人為被減小10dB，相應(yīng)檢波輸出也會降低，為補(bǔ)償該變化，頻譜儀內(nèi)部會利用放大器補(bǔ)償衰減影響。所以當(dāng)在改變衰減器設(shè)置時(shí)，輸入信號在頻譜儀上的顯示并不發(fā)生變化。

儀表自動設(shè)置衰減器件的原則是保證：

輸入信號電平－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發(fā)生變化。中頻放大器決定信號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)值連動工作，當(dāng)改變輸入衰減器設(shè)置時(shí)，輸入信號顯示電平并不會發(fā)生變化。

混頻器

混頻器完成信號的頻譜搬移，將不同頻率輸入信號變換到相應(yīng)頻率。在混頻過程中會存在鏡相干擾問題。

鏡相干擾舉例：

1. 輸入信號頻率：800MHz; 本振信號頻率：780MHz;

2. 中頻信號頻率：800-780=20MHz;

3. 則鏡相干擾信號頻率：780-20=760MHz,

4. 760MHz信號是800MHz信號的鏡相干擾。

這樣帶來的測量問題就是頻譜儀的一個(gè)中頻信號顯示不能判斷是760MHz信號還是800MHz信號的響應(yīng)。

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

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分辯不同頻率信號，頻譜儀許多關(guān)鍵指標(biāo)（測量分辨率、測量靈敏度、測量速度、測量精度等）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型是說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)的大信號附件分辨小1百萬倍（-60dB）的信號。這類濾波器對頻譜分析儀的性能有重大影響，雖然某些濾波器類型如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緊靠在一起的信號提供較好的分辨率。較好的時(shí)域性能（無過沖）提供了更快的掃描速度和良好的幅度精度。

對數(shù)放大器

對數(shù)放大器以對數(shù)方式處理輸入信號，允許有大的待測量和小的待測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)建增益隨信號幅度而變化的放大器。在低電平信號下，增益可能為10dB，而在較大的幅度下，增益下降到0。為了獲得所需的對數(shù)范圍，必須將若干這類放大器進(jìn)行級聯(lián)。對數(shù)放大器通常具有約70dB到超過100dB的范圍。除對數(shù)范圍外，逼真度（對數(shù)壓縮與對數(shù)曲線相符的接近程度）是應(yīng)考慮的重要因素，這個(gè)誤差將直接反映測量的幅度誤差。

檢波器

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

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

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)確測量各種被測信號的功率參數(shù)。

視頻濾波器

視頻濾波器對檢波器輸出視頻信號進(jìn)行低通濾波處理，減小視頻帶寬可對頻譜顯示中的噪聲抖動進(jìn)行平滑，從而減小顯示噪聲的抖動范圍。這樣有利頻譜儀發(fā)現(xiàn)淹沒在噪聲中的小功率CW信號，還可提高測量的可重復(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，這稱之為相位噪聲或相位噪聲邊帶。相位噪聲影響對