频谱分析仪：概述与应用

频谱分析仪和示波器一样，都是用于信号观察的基本工具，是无线通信系统测试中使用量最大的仪表之一。频谱分析仪通常被用于进行频域信号的检测，其频率覆盖范围可达40 GHz甚至更高，频谱分析仪用于几乎所有的无线通信测试中，包括研发、生产、安装和维护。随着通信系统的发展和对频谱分析仪测量性能要求的提高，目前新型的频谱分析仪在显示平均噪声电平、动态范围、测试速度等方面有了很大提高，除了进行频域测量之外，新型的频谱分析仪也可以进行时域测量，一些型号的频谱分析仪还可以和测试软件配合，完成矢量信号的分析。

在时域中，电信号的振幅是相对时间来定的，通常用示波器来观察。为清楚地说明这些波形，通常用时间作为横轴，振幅作为纵轴，将波形的振幅随时间变化绘制成曲线。而在频域中，电信号的振幅是相对频率来定的，通常用频谱分析仪来观察。进行频谱测量时，横轴代表频率，纵轴代表有效功率，频谱分析则是观察信号的频率与功率集合，并以图形形式表示。

频谱分析能获得信号时域测量不能获得的信息，如谐波分量、寄生、边带响应等，可以清楚地表达信号的细微特征。

1）频谱的测量发展

频谱分析仪通常测量信号的频率、电压（或者功率），并在显示器上显示出来，一般分为两种类型。

第一种是FFT分析仪（又称动态信号分析仪）。借助于傅里叶变换，可将信号的时域与频域联系起来。建立在这个基础上，人们通过对信号的离散采集，利用傅里叶变换（FFT）设计出FFT分析仪，它能获得频率、幅度和相位信息，能够分析周期和非周期信号。用FFT分析法，若要达到精确计算输入信号的频谱，就需要无限期的观察，这种情况在实际中不可实现。同时，由于A/D器件的采集速度受限，利用FFT方法提高信号的测量频率也变得非常有限。因此，FFT分析仪只适合从直流到几百千赫兹的较低频率的频谱分析。

第二种是超外差式分析仪（又称扫频调谐分析仪）。随着现代通信业的不断发展，信号频率的测量已扩展到60 GHz，部分领域已达到110 GHz，采用FFT分析法不能满足频率测量的要求。超外差分析法利用频谱搬移的原理，通过变频形式把信号变换到中频上进行分析，频率范围可达30 Hz～60 GHz（外扩频到110 GHz）。当人们对测量频率范围、灵敏度等指标提出更高要求时，超外差式频谱分析仪以其较高的频率分辨率、较快的测量速度、相对较低的成本而得到广泛应用，已经成为频谱分析仪设计的主流。(www.xing528.com)

数字通信技术的发展，时分复用、数字调制、频率捷变等信号的频谱分析，迫使频谱分析技术不断提高，一种将超外差法和FFT法相结合的频谱分析仪将是未来频谱分析仪的发展趋势。

2）频谱分析仪的发展

超外差法的应用带动了器件的发展，而器件技术的提高又推动了频谱分析仪设计技术的发展。最初，频谱分析仪仅是一个粗略扫描中频的频谱监视器，最大的扫频宽度只有80～100 MHz。后来的频谱分析仪大范围地扫描第一本振，称为全景频谱分析仪。1967年，具有幅度校准、前端预选频谱分析仪的问世，标志着频谱分析仪进入定量测试的时代。之后，数字存储功能的运用解决了慢扫描的闪烁问题。1978年，第一台带微处理器的频谱分析仪问世，它采用合成本振，频率范围100 Hz～22 GHz，分辨率带宽10 Hz。1984年，模块化频谱分析仪推出，它采用MMS总线结构，提供了各种灵活的测试。1986年，便携式频谱分析仪推向市场。21世纪初，数字中频技术的应用使频谱分析仪的设计又进入了一个新的时代。

图4-5　是德实时频谱分析仪

随着人们不断地对测量范围、频率读出准确度、分辨率提出更高的要求，频谱分析仪在设计上不断提高本振的稳定度。从开环本振控制设计过渡到闭环锁频本振及合成本振设计，闭环本振频谱分析仪的频率稳定度和频率读出准确度有很大的提高。由于本振稳定度的改善剩余调频的减小，加上谐波混频技术的运用，频谱分析仪的测量频率范围可达到30 Hz～60 GHz（外扩频到110 GHz）。图4-5为是德实时频谱分析仪。