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40GHz 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。 早在20世纪40～50年代，电子技术的不断进步让人们意识到对一个电子信号的全面分析需要同时进行幅度—时间的分析（时域）及幅度—频率的分析（频域），因此技术人员发明了“示波器”来解决时域测试的问题，它是一种能精确复现作为时间函数的电压波形的仪表。对于幅度—频率的分析，HP（惠普）公司在20世纪50年代发明了第一种基于“超外差”原理的扫描频谱仪。
如图3-1所示，示波器是在时域提供一个观察窗，而频谱分析仪则是在频域提供一个观察窗。
3-1
无线通信仪表与测试应用
可视化调度系统
频谱分析仪主要有FFT 分析仪和超外差式分析仪，近年来又出现了所谓“实时频谱分析仪”，实际上也是基于快速傅里叶变换，以下分别介绍。
快速傅里叶变换（FFT ）是实施离散傅里
叶变换的一种极其迅速而有效的算法。
它的基本原理如下（如图3-2所示）。根据
采样定律，一个频带有限的信号可以对其进行
时域采样而不丢失任何信息。FFT 变换则说明
对于时间有限的信号（有限长序列），也可以对
其进行频域采样，而不丢失任何信息。因此只
要时间序列足够长，采样足够密，频域采样也
就可较好地反映信号的频谱，所以FFT 可用以
进行信号的频谱分析。
基于FFT 原理的频谱分析仪为获得良好的
线性度和高分辨率，对信号进行数据采集时
骨灰戒指
倍，亦即频率上限是100MHz 的FFT 频谱分析
仪需要ADC 有200MSample/s 的取样率。
FFT 的性能用取样点数和取样率来表征，
例如用100kSample/s 的取样率对输入信号取样1 024点，则最高输入频率是50kHz ；分辨率是50Hz 。如果取样点数为2 048点，则分辨率提
高到25Hz 。由此可知，最高输入频率取决于取样率，分辨率取决于取样点数。FFT 运算时间与取样点数成对数关系。FFT 频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时，要选用高速的FFT 硬件，或者相应的数字信号处理器（DSP ）芯片。
输入信号的带宽是被A/D 转换器前的一个模拟低通滤波器所限制的。采样值被保存在存储器中，然后用来计算频域信号，最后频谱被显示出来，如图3-3所示。
3-3
FFT
采样量化引起的量化噪声决定了动态范围的下限，A/D 转换器使用越高的分辨率（位数），量化噪声越低。
由于可以利用的高分辨率A/D 转换器带宽受限，对FFT 分析仪来说，必须在动态范围和最大输入频率之间进行折中考虑。目前，对仅到100kHz 的低频应用的FFT 分析仪，其动态范围可达约100dB ，较高带宽将不可避免地导致较低的动态范围。
飞星晒图机3-2 FFT
第3章频谱分析仪
早在20世纪70～80年代，已经有部分仪表供应商采用这种方法实现频谱分析功能。但是由于受限于半导体工艺水平，ADC的采样率无法实现高位数，因此当时的FFT频谱分析仪的频率范围均在几十兆赫兹或几百兆赫兹，这就大大限制了这种仪表的应用范围（一般主要应用在音频、振动相关的测试领域）。
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1．超外差式分析仪原理
由于A/D转换器的带宽受限，FFT分析仪仅适合测量低频信号。要测量微波等高频信号的频谱，就要使用带变频器的分析仪。在这种情况下，输入信号的频谱并不是从时间特性中计算得来的，而是由频域测量直接决定的。
图3-4所示为扫频调谐超外差频谱分析仪结构的简化框图。外差接收机通过混频器和本地振荡器（LO）将输入信号转换到中频。如图3-4所示，输入信号要通过衰减器，以限制到达混频器时的信号幅度，然后通过低通输入滤波器滤除不需要的频率。在通过输入滤波器后，该信号就与本地振荡器（LO）产生的信号混频，后者的频率由扫频发生器控制。随着LO频率的改变，混频器的输出信号（它包括两个原始信号，它们的和、差及谐波）由分辨力带宽滤波器过滤，并以对数标度放大或压缩。然后用检波器对通过IF滤波器的信号进行整流，从而得到驱动显示垂直部分的直流电压。随着扫频发生器扫过某一频率范围，屏幕上就会画出一条迹线。该迹线示出了输入信号在所显示频率范围内
的频谱成分。
3-4
由于变频器可以达到很宽的频率范围，例如30～40GHz或者更高。如果与外部混频器配合，甚至可扩展到100GHz以上，这使得扫描频谱分析仪成为频率覆盖最宽的测量仪器之一。
另外，由于半导体技术的不断发展，现代的扫描频谱分析仪做了一些“数字化”的改进，例如用数字滤波器代替了传统的模拟滤波器；在数字滤波后增加了数模转化的ADC和DSP 处理等，使仪器的各项指标有了很大提高，如分辨力带宽可以做到1Hz甚至更小，可以提供更大的动态范围和更低的本底噪声等。数字信号处理（DSP）的结构如图3-5所示，它位于虚线方框中最后一级IF滤波器的后面，可用来测量越来越复杂的信号制式。用DSP可实现更高的动态范围、更快的扫频速度和更好的精度。为更好地利用频谱分析仪进行测量，应避免输入到混频器的信号产生失真，因此在进行测试时，需要合理地设置频谱分析仪和优化测
料理机无线通信仪表与测试应用
量步骤，以达到最好的测量结果。
3-5
2．超外差式频谱分析仪的结构
超外差式频谱分析仪是目前主流的频谱分析仪，下面对超外差频谱分析仪每个模块（见图3-4）的工作原理和现代外差式频谱仪的实现作详细说明。
（1）射频输入部分（前端）
频谱仪通常采用50Ω的输入阻抗。为了能在75Ω输入阻抗的系统（如有线电视）中应用，有些频谱仪有75Ω/50Ω两种输入阻抗选择。
判定频谱仪质量的一个重要参数是输入驻波比，它与前端部件有极为密切的关系，如衰减器、输入滤波器和第一混频器。这些部件组成了频谱仪的射频输入部分，下面来一一介绍。
在测量高电平信号时，在频谱仪前端使用步进衰减器，这样进入混频器的信号可以控制在一个合适的范围内。
输入衰减器的射频衰减一般可调，步进为10dB ，但有些频谱仪提供5dB/1dB 步进的衰减器。为避免过载甚至破坏后续电路，大信号必须经过衰减。由于非线性，当输入到混频器的电平较高时，会产生许多失真产物，所以要设置衰减器使输入信号在混频器处的电平在1dB 压缩点以下。但测量小信号和大动态信号时，输入衰减器应设置得尽量小，否则输入信号的信噪比下降，动态范围因为底噪过高而降低。
在广播、电视系统中，75Ω比50Ω输入电阻应用更为广泛。在这样的系统中用频谱仪进行测试，通常需要一个75Ω—50Ω的阻抗变换器。否则，会由于不匹配造成测量误差。
外差式接收机通过混频器与本振将输入信号变到中频，如图3-6所示，这种变频可用下式表示：
LO in IF m f n f f ⨯±⨯= （3-1）
式中，m ，n =1，2，…；
f LO —本振频率；
第3章 频谱分析仪
f in —输入信号频率；
f IF —中频频率。
若m ，n 都取1，得：
LO in IF f f f ±= （3-2） 或 in LO IF =±f f f （3-3）
通过连续可调的本振可以把很宽频率的输入信号变到一个固定的中频上去。式（3-3）说明对于一定的中频和本振频率，总还有一个镜像频率，如图3-6所示。为了保证接收有用信号的质量，需在射频混频器前添加滤波器来抑制镜像频率。
3-6
图3-7表示了低中频可调谐接收机输入频率与镜像频率的范围与关系。如果输入频率范围大于2f IF ，那么输入测试频率范围将会与镜像频率重叠，通过简单滤波手段难以区分。所以对输入滤波器的要求为：在不影响主信号的情况下，应用一个可调谐带通滤波器以抑制镜像频率。一般频谱分析仪不采用此种方式，因为较宽的调谐范围（几个倍频程）使滤波器变得极为复杂，而采用高的第一级中频将使问题大大简化，如图3-8所示。
3-7
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