頻譜分析儀是觀察和測量信號幅度及信號失真的一種快速方法。其顯示結果可以直觀反映出輸入信號的傅里葉變換的幅度。傅里葉變換將時域信號作為正弦和余弦的集合映射到頻域內。信號頻譜分析的測量范圍及其寬廣，超過了140dB。這些能力使頻譜分析儀成為特別適于現代通訊領域的多用途儀器。頻譜分析實質上是考察給定信號源、天線或信號分配系統的幅度于頻率的關系。這種分析能給出有關信號的重要信息，如穩定度、失真、幅度以及調制的類型和質量。利用這種信息，可以進行電路或系統調節，以提高效率或驗證在所需的信號發射和不需要的信號發射方面是否符合不斷涌現的各種規章條例。

    現代頻譜分析儀已經得到許多綜合應用，其范圍從研發實驗室到生產制造和現場維護。頻譜分析儀已經成為具有重要價值的實驗儀器。能快速觀察大的頻譜寬度，然后迅速移近放大來仔細考察所關心的的信號已受到研發工程師們的高度重視。在制造領域，測量速度結合通過計算機來存取數據的能力，可以快速、精確和重復地完成一些極其復雜的測量。

    （1）、應用
    許多因素正影響著對信號分析儀的利用和需要，例如，高速計算機的急劇增多需要寬頻率范圍的診斷儀器。
    射頻電信的快速發展導致更多的測試，以檢驗對傳輸模式的管理要求。當今對于移動無線電話的要求是相當嚴格的，這些要求包括測量頻譜占用、功率電平、時域響應和其它雜散發射。有線電視和廣播電視也為利用信號分析儀提供了機會，調制帶寬、信噪比、載波電平和諧波便是例子。
射頻和微波應用領域持續不斷地對最終使用的設備和測試設備提出越來越高的要求。正如對每個最終用戶的設備在變化一樣，對相關信號分析儀的要求也在變化。因此，在選擇合適的頻譜分析儀之前，需要對既定應用有全面了解。隨著特殊類型的測量變得更為迫切，尋找專門適合有關應用項目的信號分析儀也成為可能。由于已設計出用于特殊應用領域的信號分析儀，故它們不僅顯示原始的頻率和幅度測量結果，而且要將那些測量變換為更全面的解決方案。目前，頻譜分析儀已經能夠幫助數字設計師診斷和改進他們的高速數字系統的射頻干擾性能。這些頻譜分析儀的設計更加面向應用，且更容易被電磁干擾設計工程師們操作和理解。許多其它領域，如移動通信和有線電視或廣播電視市場也可以舉出類似的例子。

    （2）、時域和頻域的關系
    頻譜分析儀的效用可以通過對簡單信號的時域分析和頻域分析比較作出最佳說明。

時域圖像復雜，不容易理解

在頻域中，很容易看出基波和兩個諧波的分量

時域與頻域之間的映射圖像

    時域示波器顯示幅度與時間的關系（如圖a），顯示的垂直軸代表信號的幅度，而水平軸代表時間，從左到右增大。在頻譜分析儀中，儀器顯示幅度與頻率的關系（如圖b），顯示的垂直軸也代表信號的幅度，而水平軸是頻率，從左到右增大。圖c描寫了這兩種分析技術的關系，頻譜分析儀分辨信號的頻譜組成，并在寬廣的幅度和頻率范圍內加以顯示。現代頻譜儀擁有頻率從幾Hz到遠遠超過100GHz和幅度范圍超過100dB的分析能力，這種儀器能迅速顯示并定量確定信號的完整組成。

二、頻譜分析儀的原理
    掃頻超外差式頻譜分析儀和快速傅里葉變換頻譜儀是目前射頻和微波工作中最常用的儀器。
    （1）方塊圖
    下圖示出了掃頻超外差式頻譜分析儀的方塊圖，這里，關鍵在于頻譜分析儀實質上是一臺超外差接收機。頻譜分析儀具有某些特殊之處，即頻率范圍比大多數接收機的寬，第一本振能被掃描，而主要差別在于中頻結構方面。

掃頻超外差式頻譜分析儀的簡化方塊圖

    輸入衰減器：衰減器的作用是限制輸入信號的功率，使儀器的其余部分維持在它的正常工作范圍內。大多數頻譜分析儀都能承受0～10dBm功率加到輸入混頻器上（dBm指以1mW為參考的分貝數）。輸入衰減器用于使較大的信號維持在這個閾值之下，以及使頻譜分析儀的測量動態范圍達到最佳。衰減器本身通常處在0.5～1W功率承受范圍。這就能調節儀器在不損壞的情況下可能承受的最大輸入電平。
    輸入濾波器：本單元是用于鏡像抑制或預選的濾波器。由于混頻器對和頻和差頻兩者都起響應，故必須用一輸入濾波器來抑制不希望的混頻產物或者由于鏡頻信號而可能發生不希望的響應。在典型射頻頻譜分析儀中，這是用低通濾波器來實現的。在大多數現代微波頻譜分析儀中，這需要利用跟蹤濾波器來滿足。存在著能連續調節，以對頻譜分析儀的調諧頻率進行跟蹤的電調諧濾波器。在頻率很高的毫米波段（高于50GHz），這類濾波器難以具體實現，因此，采用了非預選式混頻器。這意味著對一個輸入信號將有多個響應，因為混頻器對本振的和頻與差頻兩種信號都有響應。必須小心識別要觀察的那些產物。大多數信號分析儀都提供了使這個過程容易進行的所謂信號識別（ID）功能。標記或光標放在未知信號上，信號分析儀顯示響應的真實頻率。
    中頻（IF）級：中頻是信號分析儀中進行實際分析的地方。主要功能是提供分辨率帶寬濾波器的多種選擇。這些濾波器由它們的3dB帶寬描述（如下圖a）。

    圖a表示分辨率帶寬的主要指標；圖b表示60dB/3dB比值及其與選擇性的關系；圖c表示分辨率帶寬與帶寬類型的差別
    分辨率帶寬是儀器分辨率的測度，濾波器的分辨帶寬越窄，兩個信號越近且仍可作為獨立響應看到。分辨率帶寬濾波器通常由LC濾波器、晶體濾波器和數字濾波器的組合實現。形狀因數和濾波器類型是說明這些濾波器特性的重要因素。形狀因數為濾波器是如何選擇的一個測度，通常規定為3dB/60dB帶寬之比，圖b中可以看出它的影響。比值（3dB/60dB）表示出如何在3dB帶寬內的大信號附近分辨率小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巴特沃茲（Butterworth）濾波器或切比雪夫（Chebychev）濾波器具有優良的選擇性（信號分離的能力），以及高斯濾波器和同步調諧濾波器具有較好的時域性能（較好的掃描幅度精度），但最終應用在哪類濾波器屬最佳將其重大作用。優良的形狀因數性能對緊靠在一起的信號提供較好的分辨率。較好的時域性能（無過沖）提供了更快的掃描速度和良好的幅度精度。圖c示出不同的分辨率帶寬和不同的濾波器類型會如何影響分辨率的信號。還有另一些影響分辨率的因素，它們與本振的穩定度直接相關。帶有精確放大設置的步進增益放大器可用來精密調節頻譜分析儀的靈敏度和測量范圍，這類放大器提供儀器增益的極精密步進，通常在超過50dB的范圍可以至少以1dB或更小的步距進行調節。
    對數放大器：對數放大器以對數方式處理輸入信號，允許有大的待測量和待比較的輸入信號范圍。實現這種壓縮的一種方法是構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范圍，必須將若干級這類放大器進行級聯。對數放大器通常具有約70dB到超過100dB的范圍。除對數范圍外，逼真度（對數壓縮與對數曲線相符的接近程度）是應考慮的重要因素，這個誤差將直接反映測量的幅度誤差。
    檢波器：最基本的頻譜分析儀中的檢波器是與調幅無線電設備中所用檢波器相似的線性包絡檢波器。對于已經用對數放大器壓縮的信號，線性檢波器能給出大的范圍，而未對檢波器提出大線性范圍的要求。某些分析儀采取不同的方法。在這些儀器中，使用了像同步檢波器那樣的大范圍線性檢波器，檢波器后接直流對數放大器，仍給出80～100dB的顯示。
    視頻濾波器：這類濾波器能對檢波輸出進行某種后置濾波或取平均。除非測量需要取平均，否則，視頻濾波器一般都調到與分辨率帶寬相同的帶寬或大于分辨帶寬。在存在噪聲和信號的結合時，可能需要取平均。在此，隨機噪聲被平均過程去除，而信號被保留下來。
    模數轉換器：在理想情況下，應利用工作速度大于最大分辨率帶寬的多位（16位或更大）模-數轉換器。由于某些情況下模-數轉換器也消耗功率或者不能利用，而需要另外的電路來獲得所需信息。在許多情況下，為了記錄給定時刻或時段內的最大值，采用了模擬和數字峰值檢波器系統。為了給出實際信號或噪聲帶寬的感覺，采用了峰值和最小值檢波器的各種組合，以及采用各種算法來選擇能顯示接近實際模擬信號幅度變化的那些檢波器。一種方法是檢測在測量期間既上升又下降的信號，倘若如此，便交替顯示峰值和最小值。
    掃描本振：掃描本振是整個信號分析儀中的關鍵部分。掃描本振的穩定度和頻譜純度對許多性能指標可能是一個限制因素，殘余調頻是本振穩定度的測度，理想本振應當是完全穩定且沒有頻率調制。在分辨率帶寬很窄的信號分析儀中，幾赫茲的頻率調制可能引起如下圖所示的模糊圖像。

圖a殘余調頻或抖動的影響，引起信號的頻率模糊；圖b相位噪聲的影響和對濾波器選擇性設立的極限

    本振的穩定度可能決定了最小分辨率帶寬，這可能是有益的，由此引起的抖動并不會損害測量結果。所要求的穩定度可以用多種方法獲得：鑒頻環路、頻率鎖定環路或鎖相環。這些方法的每一種都有優越性，應在適當的分辨率帶寬內與儀器的其余部分一致。即使利用頻率很穩定的本振，仍然存在殘余的不穩定度，這稱之為相位噪聲或相位噪聲邊帶。相位噪聲的影響可能妨礙對鄰近信號的觀察，而如果我們只考慮帶寬和形狀因數，本來是不難觀察到的，參見圖b。現代信號分析儀的重要應用是直接測量其它裝置的相位噪聲，在這種情況下，相位噪聲顯然是一個重要因素。
    （2）、微處理器
    在任何現代儀器中，最重要的部分也許就是微處理器及相關指令。這種處理能力是儀器內的所有硬件和諧配合，確保測量的精確性。早期的頻譜分析儀要求用戶通過調節進行校準的分辨率帶寬、掃描時間和頻率間隔控制按鈕來維持測量的總體性能。為了保證輸入信號足夠緩慢對中頻濾波器掃描，以便獲得完整的幅度響應，要求控制旋鈕相互協調。若信號掃描太快，響應將呈現延遲、幅度降低，如下圖所示。

    本振掃描太快，濾波器沒有達到完整幅度的時間，從而造成幅度的下降。通過濾波器延時并向右移動
掃描時間、分辨率帶寬和頻率間隔三者之間的關系由下式給出：
          
式中，掃描時間為對頻率間隔掃描所需的時間；頻率間隔為掃描期間的總頻率變化；分辨率帶寬為所使用的分辨率帶寬。
    掃描時間與頻率間隔除以分辨率帶寬的平方成正比。因此，從10kHz分辨率帶寬減小到1kHz分辨率帶寬而同時維持頻率間隔恒定不變將引起掃描時間增加100倍。在此，微處理器可以跟蹤所有儀器設置并通過調節維持校準狀態。
    許多儀器也是經微處理器校準、修正或校直。校準信息可以儲存到儀器的只讀存儲器中，供隨后在實際測量中調用，以消除由硬件引起的誤差。這一功能的一個例子是修正由輸入濾波器和混頻器響應引起的頻率響應誤差。對硬件性能進行精確測量并將結果儲存到儀器的存儲器中。然后，在測量期間加上或減去對硬件響應的修正量。可以對許多組修正數據進行測量、儲存和修正，如衰減器的精度和對數放大器的精度。用這種中央微處理器還可以提供當前在基本儀器中迫切期待的圖標和其它各種功能。在使用圖標的情況下，微處理器將讀出在給定頻率上儲存的數據，并以適當的分辨率向用戶顯示這個信息。加入微處理器還提供了當前的復雜和競爭環境下所需的遠程控制功能。這就允許通過測量控制器的能力，將儀器組裝到使許多儀器協調工作的更復雜系統中。然后，將這些系統投入到研發、制造維修和現場工作的高速應用中。
    （3）動態范圍考慮
    動態范圍是選購頻譜分析儀的一個主要因素。這個關鍵技術指標一般指儀器同時測量兩個信號的能力。在這方面，靈敏度、諧波失真和三階失真是主要參數。
    噪聲電平：信號分析儀檢測某個信號的能力通常用顯示的平均噪聲電平表示。所顯示的噪聲電平由使分析儀處于高增益狀態并利用提供的最窄分辨率帶寬進行測量。由于噪聲電平隨帶寬而變，故它由下式定義
噪聲電平變化(dB)=
因此，使分辨率帶寬從10kHz分辨率帶寬減小到1kHz將引起顯示的噪聲電平降低10 dB。
噪聲電平變化(10dB)==-10dB
式中，噪聲電平變化（dB）為觀察到的測量電平變化ResBW2,ResBW1為所采用的不同分辨率帶寬。
下圖a示出這個效應。注意，為了獲得最高靈敏度，進行這些測量時應將輸入衰減調到0 dB，這個指標給出信號分析儀能測量多小信號的精確度。若信號功率電平等于噪聲電平，則兩個功率將在本底噪聲中給出3 dB響應，如圖b所示。

分辨率帶寬改變10倍，噪聲電平下降10dB，信噪比的增大是明顯的

在與噪聲相同電平上對信號進行測量的影響，兩個功率組合給出3dB噪聲曲線的突起

    利用靈敏度指標，可以對每個分辨率帶寬繪制信噪比曲線圖。由下圖可以看出，最大信噪比將伴隨著最大信號電平輸入出現。如果我們只關注這些，那么，獲得最大動態范圍將伴隨著大的輸入信號。實際上問題并不這么簡單。

兩種帶寬設置的信噪比曲線圖，由于100Hz到1kHz相差10倍，電平也相差10倍

    失真電平：在頻譜分析儀中，存在產生失真分量的非線性，例子有諧波失真和三階失真。實際上存在許多階次的分量，但通常二階和三階是最突出的。下面是信號分析儀如何起作用的例子。一個關鍵問題是確定所觀察到的失真是由被測件引起的還是由分析儀內部引起的。在進行信號分析儀測量時，常常需要確定失真或將內部（頻譜分析儀中）產生的失真同被測件內產生的失真分開。輸入衰減器在這個任務中起著重要作用。為了對過載進行測試，必須增加衰減量。若顯示的信號讀出相同的幅度，便沒有增益壓縮，而必定返回原來的衰減電平。然而，若幅度存在差別，便應重新增加衰減，直到電平讀數不變。當大信號引起測量儀器指示比應有的電平更低的電平時，便發生增益壓縮或過載。在有失真分量的情況下，增益壓縮或過載更嚴重。原因是內部產生的失真分量增加得比信號電平變化更快。為了說明問題，三階分量以3倍于信號電平的正常值改變。因此，對每1 dB信號電平變化，失真分量將增大3 dB，這在如下圖a中作了說明。檢查內部產生的分量的方法與檢查壓縮的方法相同。簡單的改變輸入衰減器并觀察失真分量改變顯示的電平，如果顯示的電平不變，則測量的結果是被測件產生的分量。
    同樣，必須對二階分量進行測試。但是，對于每1 dB的電平變化，二階分量改變2 dB。可以利用輸入衰減器來確定失真是由分析儀產生還是由被測件產生。
如同信噪比一樣，可以繪制曲線圖來表示信號失真比的范圍（見下圖b）。在這種情況下，垂直軸以dBc（相對于載波功率的dB數）為單位，而水平軸是入射到分析儀輸入混頻器上的功率（輸入電平-衰減器設置）。在三階失真的情況下，技術指標通常用于-30 dBm的混頻器電平（某些制造商規定總輸入功率，而某些制造商則規定某個電平上的各個音頻。務必檢查這個電平的潛在3 dB差別）。從規定的電平開始，可以以斜率2在任何一個方向延伸（對于產生3 dB失真下降的1 dB變化，差別將增加或減小2）。對于二階失真可以畫出相同直線，但斜率為1，并可以加到失真曲線圖上。正如我們可以從這個曲線圖上看到的那樣，最大失真差別伴隨著最低的輸入信號電平。如果失真曲線圖與靈敏度曲線相組合，便得到圖b的結果。
    現在要做出比較大的折衷，最大信噪比伴隨著最高輸入信號電平，而最大無失真范圍則伴隨著最低輸入電平。在此，問題是要了解測量并作出相應調整。例如，若測量的是三階失真，則最佳輸入電平將是顯示的噪聲與失真分量相等的那個電平。這個電平處在信噪比線與三階失真線的相交處。為了獲得最高精度和最大動態范圍，相交處是應進行測量的輸入混頻器電平。
為了調節到包括所有失真分量，直接選擇與本底噪聲線和失真線最大相交處的輸入電平。許多現代信號分析儀的電平都允許用戶將混頻器電平調到規定的電平，而微處理器將調節輸入衰減器，以獲得所需的無失真范圍。

三、輔助設備
    有幾種輔助設備能顯著增強頻譜分析儀的功能，這些輔助設備包括跟蹤發生器、預選器和高阻抗探頭。
    （1）跟蹤發生器
    跟蹤發生器可以把頻譜分析儀變成動態范圍很大的標量網絡分析儀。跟蹤發生器將掃描第一本振信號與第一中頻頻率的固定振蕩器相結合。最后結果是所產生的信號完全與頻譜分析儀的調諧頻率相一致。利用這個裝置，可以測量置于頻譜分析儀與跟蹤發生器之間的任何裝置的頻率響應。總測量范圍從跟蹤發生器的最大輸出功率到頻譜分析儀的靈敏度極限，這個范圍可能為+10dBm～-140 dBm。
    （2）跟蹤預選器
    跟蹤預選器允許將分析儀用在存在許多信號的環境中。大量信號可能產生輸入混頻器無法承受的過大總信號功率（所有各個信號功率之和）。在這種情況下，利用與分析儀的調諧頻率始終保持一致的跟蹤濾波器能濾除掉許多雜波信號，而使混頻器正常起作用。
    （3）高阻抗探頭
    掃頻頻譜分析儀的輸入阻抗通常為50～70歐姆，可以與大多數射頻和微波設備相匹配。有時候，更需要很高的輸入阻抗。例如，電路或集成電路的探測往往需要高阻抗。有一些由具有50歐姆輸出阻抗的高輸入阻抗放大器構成的有源探頭，它們有助于實現這類測量并維持高靈敏度。