中心議題：
- 頻譜分析儀的種類與應(yīng)用
- 頻譜分析儀的性能指標(biāo)與操作要點(diǎn)
- 頻譜分析儀的使用方法
- 頻譜分析儀的實(shí)用技巧
- 頻譜分析儀常見問題Q/A
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頻譜分析儀是用來顯示頻域信號(hào)幅度的儀器，在射頻領(lǐng)域有“射頻萬用表”的美稱。在射頻領(lǐng)域，傳統(tǒng)的萬用表已經(jīng)不能有效測量信號(hào)的幅度，示波器測量頻率很高的信號(hào)也比較困難，而這正是頻譜分析儀的強(qiáng)項(xiàng)。本講從頻譜分析儀的種類與應(yīng)用入手，介紹頻譜分析儀的基本性能指標(biāo)、操作要點(diǎn)和使用方法，供初級(jí)工程師入門學(xué)習(xí)；同時(shí)深入總結(jié)頻譜分析儀的實(shí)用技巧，對頻譜分析儀的常見問題以Q/A的形式進(jìn)行歸納，幫助高級(jí)射頻的工程師和愛好者進(jìn)一步提高。
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頻譜分析儀是用來顯示頻域信號(hào)幅度的儀器，在射頻領(lǐng)域有“射頻萬用表”的美稱。在射頻領(lǐng)域，傳統(tǒng)的萬用表已經(jīng)不能有效測量信號(hào)的幅度，示波器測量頻率很高的信號(hào)也比較困難，而這正是頻譜分析儀的強(qiáng)項(xiàng)。本講從頻譜分析儀的種類與應(yīng)用入手，介紹頻譜分析儀的基本性能指標(biāo)、操作要點(diǎn)和使用方法，供初級(jí)工程師入門學(xué)習(xí)；同時(shí)深入總結(jié)頻譜分析儀的實(shí)用技巧，對頻譜分析儀的常見問題以Q/A的形式進(jìn)行歸納，幫助高級(jí)射頻的工程師和愛好者進(jìn)一步提高。
頻譜分析儀的種類與應(yīng)用
頻譜分析儀主要用于顯示頻域輸入信號(hào)的頻譜特性，依據(jù)信號(hào)處理方式的差異分為即時(shí)頻譜分析儀和掃描調(diào)諧頻譜分析儀兩種。完成頻譜分析有掃頻式和FFT兩種方式：FFT適合于窄分析帶寬，快速測量場合；掃頻方式適合于寬頻帶分析場合。
頻譜分析儀主要用于顯示頻域輸入信號(hào)的頻譜特性，依據(jù)信號(hào)處理方式的差異分為即時(shí)頻譜分析儀和掃描調(diào)諧頻譜分析儀兩種。完成頻譜分析有掃頻式和FFT兩種方式：FFT適合于窄分析帶寬，快速測量場合；掃頻方式適合于寬頻帶分析場合。
即時(shí)頻譜分析儀可在同一時(shí)間顯示頻域的信號(hào)振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號(hào)設(shè)置相對應(yīng)的濾波器與檢知器，并經(jīng)由同步多工掃瞄器將信號(hào)輸出至螢?zāi)唬瑑?yōu)點(diǎn)在于能夠顯示周期性雜散波的瞬時(shí)反應(yīng)，但缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，且頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與最大多工交換時(shí)間都將對其性能表現(xiàn)造成限制。
掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀是最常用的頻譜分析儀類型，它的基本結(jié)構(gòu)與超外差式接收器類似，主要工作原理是輸入信號(hào)透過衰減器直接加入混波器中，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)由與CRT螢?zāi)煌降膾呙楫a(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線性變化的振蕩頻率，再將混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)放大后、濾波與檢波傳送至CRT螢?zāi)唬虼薈RT螢?zāi)坏目v軸將顯示信號(hào)振幅與頻率的相對關(guān)系。
基于快速傅立葉轉(zhuǎn)換（FFT）的頻譜分析儀透過傅立葉運(yùn)算將被測信號(hào)分解成分立的頻率分量，進(jìn)而達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。新型的頻譜分析儀采用數(shù)位方式，直接由類比/數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）對輸入信號(hào)取樣，再經(jīng)傅立葉運(yùn)算處理后而得到頻譜分布圖。
頻譜分析儀透過頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析，廣泛應(yīng)用于監(jiān)測電磁環(huán)境、無線電頻譜監(jiān)測、電子產(chǎn)品電磁兼容測量、無線電發(fā)射機(jī)發(fā)射特性、信號(hào)源輸出信號(hào)品質(zhì)等領(lǐng)域，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的常用工具，特別針對無線通訊信號(hào)的測量更是必要工具。另外，由于頻譜儀具有圖示化射頻信號(hào)的能力，頻譜圖可以幫助我們了解信號(hào)的特性和類型，有助于最終了解信號(hào)的調(diào)制方式和發(fā)射機(jī)的類型。在軍事領(lǐng)域，頻譜儀在電子對抗和頻譜監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用。頻譜儀可以測量射頻信號(hào)的多種特征參數(shù)，包括頻率、選頻功率、帶寬、噪聲電平、鄰道功率、調(diào)制波形、場強(qiáng)等。
頻譜分析儀常被用來放大器增益、頻率響應(yīng)與被動(dòng)元件特性量測、失真度測量、通訊監(jiān)測、
有線電視影像資訊的量測，以及天線特性的量測。
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關(guān)于頻譜分析儀分類與應(yīng)用的詳細(xì)介紹請查看：
應(yīng)用頻譜分析儀進(jìn)行信號(hào)分析，首先需要了解頻譜分析儀的相關(guān)性能指標(biāo)。
頻譜分析儀的性能指標(biāo)與操作要點(diǎn)
頻譜分析儀的基本性能指標(biāo)如下圖所示，包括頻率、幅度以及測試精度和測試速度。
其中，影響頻譜分析儀頻率分辨率性能的因素包括RBW、本振寄生調(diào)頻、中頻濾波器矩形系數(shù)，以及本振相位噪聲。其中RBW是中頻濾波器3dB帶寬。RBW設(shè)置會(huì)影響頻譜儀測試速度，當(dāng)濾波器帶寬小時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間會(huì)相應(yīng)變長。
以下是掃頻式頻率分析儀基本性能指標(biāo)的影響因素及相應(yīng)的操作要點(diǎn)：
頻率測量范圍
掃頻式頻率分析儀分析頻率范圍由本振范圍決定；
頻率分辨率
掃頻式頻率分析儀頻率分辨率與中頻率濾波器和本振有關(guān)；
測試中可通過減小RBW來提高頻率分析分辨率
頻率分析儀靈敏度
掃頻式頻率分析儀分析靈敏度與中頻率濾波器、衰減器設(shè)值、視頻濾波器和本振有關(guān)。其中頻譜儀內(nèi)部混頻器及各級(jí)放大器會(huì)產(chǎn)生噪聲，通過檢波器會(huì)反映為顯示白噪聲電平(DANL)。而頻譜儀噪聲會(huì)影響被測信號(hào)功率測試：頻譜儀顯示信號(hào)=輸入信號(hào)+內(nèi)部噪聲。衰減器設(shè)值大，噪聲電平高。噪聲電平隨RBW按10㏒規(guī)律變化。測試中可通過減小RBW；VBW，衰減器設(shè)值和前置放大來提高分析靈敏度
頻率分析儀內(nèi)部失真
掃頻式頻率分析儀分析內(nèi)部失真與混頻器工作電平，中頻放大器性能有關(guān)。各階非線性失真變化規(guī)律為高階失真信號(hào)幅度比基波信號(hào)變化速度快。由于混頻器工作電平= 輸入信號(hào)電平- 衰減器設(shè)值，為減小頻譜分析儀內(nèi)部失真，混頻器應(yīng)工作在盡量低電平，應(yīng)加大衰減器設(shè)值。衰減器設(shè)值小時(shí)，頻譜儀內(nèi)部失真大、噪聲電平低；衰減器設(shè)值大時(shí)，頻譜儀內(nèi)部失真小、噪聲電平高。
頻率分析儀衰減器
掃頻式頻率分析儀衰減器設(shè)置在靈敏度指標(biāo)和內(nèi)部失真指標(biāo)間折。通過改變衰減器設(shè)置可判斷頻譜分析儀測試結(jié)果的真實(shí)性。
頻譜儀對信號(hào)功率的測量
掃頻式頻譜儀測量功率結(jié)果與其檢波方式和平均方式有關(guān)。頻譜儀檢波方式有Peak、Negative Peak、Sample、Averaging Detectors。
Peak檢波方式： 適合CW 信號(hào)及信號(hào)搜索測試
Sample檢波方式：適合于噪聲信號(hào)測試
Neg Peak檢波方式：適合于小信號(hào)測試
Averaging Detectors：適合于ACPR及通道功率指標(biāo)測試
RMS檢波方式：適合于對類噪聲信號(hào)（CDMA）總功率測量
其中Averaging Detectors功率測量顯示由多個(gè)包絡(luò)電平值的平均得到，Averaging Detectors可減少顯示信號(hào)的抖動(dòng)，掃描速度越高，平均效果越明顯。
平均方式包括Log,、Lin、Power。Log平均（窄VBW、trace平均）適合于低電平CW信號(hào)測試；電壓平均適合于脈沖信號(hào)上升下降時(shí)間測量；功率平均適合于信號(hào)平均功率測量。
根據(jù)頻譜分析儀的各項(xiàng)性能指標(biāo)，可對模擬調(diào)制信號(hào)和數(shù)字調(diào)制信號(hào)進(jìn)行分析。下面是頻譜分析儀的相關(guān)使用指導(dǎo)。
頻譜分析儀的使用
對于測量的可測與不可測與否，完全取決于頻譜分析儀的設(shè)定。這包括了對衰減器、頻率范圍與解析度頻寬的設(shè)置。頻譜分析儀的設(shè)定包括頻率范圍、解析度和動(dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)范圍又涉及最大輸入功率即燒毀功率，增益壓縮使小于1W的輸入信號(hào)一旦超過線性工作區(qū)域便會(huì)出現(xiàn)誤差。此外靈敏度也是考慮頻譜分析儀對輸入信號(hào)可測與否的關(guān)鍵。
參數(shù)頻率范圍要從兩個(gè)方面觀察，一是頻率范圍的設(shè)定是否夠窄，以具有足夠的頻率分辨能力，也就是夠窄的掃頻寬度。二是頻率范圍是否有足夠的寬度，是否可以測到第二次、第三次諧波。當(dāng)用頻譜分析儀測量一個(gè)放大器諧波失真的時(shí)候，若放大器為1GHz，則它的三次諧波就是3GHz，這就是要考慮頻率范圍的最大可測寬度。如果頻譜儀是1.8GHz，就不能進(jìn)行量測，如果頻譜分析儀是 26.5GHz，就可以測到它的第三，第四次諧波。
解析度也是頻譜分析儀中非常重要的參數(shù)設(shè)定。解析度表示當(dāng)要測量兩個(gè)頻率的功率不一樣時(shí)，必須將它們區(qū)分開來。將中頻頻寬設(shè)置成三種不同的寬度，下面所對應(yīng)的就是在這一頻寬設(shè)置時(shí)所看到的曲線。中頻頻寬越窄則解析度越高，中頻頻寬越寬則解析度越低。解析度頻寬直接影響到微小信號(hào)的識(shí)別能力和測量的結(jié)果。
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解析度也是頻譜分析儀中非常重要的參數(shù)設(shè)定。解析度表示當(dāng)要測量兩個(gè)頻率的功率不一樣時(shí)，必須將它們區(qū)分開來。將中頻頻寬設(shè)置成三種不同的寬度，下面所對應(yīng)的就是在這一頻寬設(shè)置時(shí)所看到的曲線。中頻頻寬越窄則解析度越高，中頻頻寬越寬則解析度越低。解析度頻寬直接影響到微小信號(hào)的識(shí)別能力和測量的結(jié)果。
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在頻譜分析儀的使用中應(yīng)注意什么問題呢？以下是對頻譜分析儀注意要點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)歸納。
頻譜分析儀實(shí)用技巧
1) 頻譜分析儀的校準(zhǔn)：頻譜分析儀一般都有固定幅度和頻率的校準(zhǔn)器，使用頻譜分析儀測量信號(hào)特別絕對信號(hào)電平測量時(shí)，需要對頻譜分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證信號(hào)測量精度；另外，通過校準(zhǔn)信號(hào)的測量，可以檢查頻譜分析儀是否有問題。
2) 射頻輸入信號(hào)電平小于頻譜分析儀允許的安全電平：在頻譜分析儀輸入端接入射頻信號(hào)之間，一定要對輸入信號(hào)電平進(jìn)行正確估算，避免頻譜分析儀射頻輸入大于頻譜分析儀允許的安全電平，否則將會(huì)燒毀頻譜分析儀輸入衰減器和混頻器。特別是在高功率信號(hào)測量中，要格外小心謹(jǐn)慎。例如用頻譜分析儀測量1W以上高功率放大器時(shí)，注意在頻譜分析儀輸入端接衰減器，以使頻譜分析儀的射頻輸入信號(hào)小于頻譜分析儀允許的安全電平。
3) 確定頻譜分析儀是否允許直流信號(hào)輸入：某些頻譜分析儀不允許直流信號(hào)輸入，因此注意測量信號(hào)是否包含直接成分。特別是在某些系統(tǒng)中，射頻信號(hào)和直流信號(hào)用同一根電纜傳輸，此時(shí)要特別小心，信號(hào)接入頻譜分析儀射頻輸入端口之前，一定在頻譜分析儀輸入端接隔直流器，以免損壞儀器。例如在很多衛(wèi)星通信系統(tǒng)，低噪聲放大器的直流加電線和射頻信號(hào)傳輸采用同一根電纜，測量這樣射頻信號(hào)時(shí)，特別注意在頻譜分析儀射頻輸入接隔直流器，保護(hù)頻譜分析儀的射頻輸入電路。
4) 低電平信號(hào)測量：頻譜分析儀的靈敏度是指在特定帶寬下，頻譜分析儀測量小信號(hào)的能力。因此，在測量低電平信號(hào)時(shí)，特別是測量信號(hào)接近頻譜分析儀本底噪聲時(shí)，應(yīng)減小頻譜分析儀的射頻衰減和分辨帶寬，提高頻譜分析儀的靈敏度，提高低電平信號(hào)的測量精度。另外減少視頻帶寬和采用視頻平均技術(shù)，雖然不影響頻譜分析儀的靈敏度，但可以改善小信號(hào)測量精度。
5) 合理設(shè)置頻譜分析儀參數(shù)：在測試射頻信號(hào)時(shí)，合理設(shè)置頻譜分析儀的分辨帶寬、掃頻帶寬、視頻帶寬和掃描時(shí)間等，確保頻譜分析儀CRT不出現(xiàn)測量不準(zhǔn)的信號(hào)提示。當(dāng)頻譜分析儀CRT出現(xiàn)測量不準(zhǔn)信息，此時(shí)測量無法保證測量精度。
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在頻譜分析儀的實(shí)際操作中往往會(huì)產(chǎn)生一些疑問，在這里附上頻譜分析儀的常見問題解答。
頻譜分析儀常見問題Q/A
1 頻譜分析儀在零掃寬能夠測得的最快脈沖上升時(shí)間是多少？
答：測得的上升時(shí)間一般不會(huì)超過頻譜分析儀的最佳上升時(shí)間。分析儀的上升時(shí)間由下面這個(gè)公式來確定：
Tr = 0.66/max RBW，
其中RBW為分辨率帶寬。
例如，在 PSA中，RBW最大值為8 MHz。因此，最快的上升時(shí)間為：
0.66/8 E6 = 82.5 nS。
然而，RBW過濾器帶寬誤差為± 15%，額定值（中心頻率= 3 GHz），因此上升時(shí)間范圍在71.7 nS到97 nS之間。
參見具體頻譜分析儀的技術(shù)資料或規(guī)范指南。
2 是否可以將頻譜分析儀當(dāng)做網(wǎng)絡(luò)分析儀使用？
答：是的，有2種方法可將頻譜分析儀當(dāng)作網(wǎng)絡(luò)分析儀使用，但是都只能進(jìn)行標(biāo)量測量
方法1：使用頻譜分析儀內(nèi)置的跟蹤信號(hào)源。如果要測量反射系數(shù)，則還需要一個(gè)定向耦合器去采集反射功率。
方法2：使用獨(dú)立的源。如需要可配上耦合器。前提是頻譜儀的掃描速度要快過信號(hào)源的掃描速度。但這種方式通常不被推薦，因?yàn)樗臏?zhǔn)確性較低。
對于校準(zhǔn)，可用到的方法是歸一化的方法。這種方法把接收機(jī)和源的頻率響應(yīng)移除。然而，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用更強(qiáng)大的誤差校準(zhǔn)技術(shù)，還可以消除不匹配和交調(diào)帶來的的影響。這就意味著，一般來講，和頻譜分析儀方法相比較，網(wǎng)絡(luò)分析儀可以進(jìn)行更準(zhǔn)確的測量。
3 當(dāng)清晰信號(hào)應(yīng)用到射頻輸出端時(shí)，為什么頻譜分析儀間距中發(fā)現(xiàn)了雜散信號(hào)？
答：過度激勵(lì)分析儀的輸入混頻器可能會(huì)導(dǎo)致雜散信號(hào)。大多數(shù)頻譜分析儀（尤其是使用諧波混頻擴(kuò)展調(diào)諧范圍的分析儀）都擁有二極管混頻器。將用于創(chuàng)建中頻信號(hào)的LO與該二極管混頻器中的輸入信號(hào)相結(jié)合時(shí)，創(chuàng)建內(nèi)部失真。為多種混頻器輸入電平規(guī)定第2個(gè)和第3個(gè)失真產(chǎn)品。針對不同的頻譜分析儀，可參閱校準(zhǔn)指南或規(guī)范指南中的動(dòng)態(tài)范圍曲線。無雜散動(dòng)態(tài)范圍取決于混頻器中的輸入電平。
深入了解動(dòng)態(tài)范圍圖表非常重要，但簡單測試可以確定顯示的雜散信號(hào)是否是一個(gè)內(nèi)部生成的混合產(chǎn)品還是輸入信號(hào)的一部分：修改輸入衰減。衰減器是射頻輸入和第一個(gè)混頻器間的唯一一個(gè)硬件。在雜散信號(hào)上做出標(biāo)記并提高輸入衰減。如果標(biāo)記值沒有改變，那么雜散信號(hào)就屬于外部信號(hào)。而如果標(biāo)記值改變，信號(hào)就是內(nèi)部信號(hào)或者是內(nèi)外部信號(hào)的總和。繼續(xù)增加衰減，直到標(biāo)記值不再改變，再開始測量。這一點(diǎn)就是優(yōu)化第一個(gè)混頻器輸入電平的最佳值，因?yàn)榇藭r(shí)所做的測量內(nèi)部失真最低。一般來說，需要測量的動(dòng)態(tài)范圍越廣，第一個(gè)混頻器的輸入電平就應(yīng)該越低。
屏幕圖像下端的黃色跡線表示在輸入混頻器被過度激勵(lì)時(shí)的內(nèi)部失真。衰減為零。藍(lán)色跡線表示當(dāng)衰減設(shè)置為10dB時(shí)，雜散信號(hào)所減少的電平。
4 怎樣使用頻譜分析儀、前置放大器和信號(hào)發(fā)生器測量噪聲系數(shù)?
答：只用頻譜分析儀和前置放大器，就能作許多噪聲系數(shù)測量。只需用頻譜分析儀、前置放大器和信號(hào)發(fā)生器，就能覆蓋被測器件的頻率。這種方法的精度低于需要經(jīng)校準(zhǔn)噪聲源的Y因素技術(shù)，與所關(guān)注頻率的分析儀幅度精度相當(dāng)。具體測量步驟為：
1）把信號(hào)發(fā)生器和頻譜分析儀設(shè)置為所測噪聲系數(shù)的頻率，測量器件的增益。把該值標(biāo)為Gain(D)。
2）同樣方法測量前置放大器增益。把該值標(biāo)為Gain(P)。
3）.斷開頻譜分析儀的任何輸入，把輸入衰減器設(shè)置為0dB。前置放大器輸入沒有任何連接。把它的輸出接到頻譜分析儀輸入。在作這一連接時(shí)，您會(huì)看到分析儀顯示的平均噪聲級(jí)的增加。
4）.把被測器件的輸入接至其特性阻抗，把輸出接到前置放大器輸入。此時(shí)分析儀顯示的噪聲級(jí)應(yīng)增加。
5）.把頻譜分析儀視頻帶寬（VBW）設(shè)置為分辨率帶寬的1%或更低。按標(biāo)記功能（MKR FCTN）鍵，然后按Noise Marker On軟鍵。把標(biāo)記放置在所要測噪聲系數(shù)的頻率上。讀以dBm/Hz為單位的標(biāo)記噪聲功率密度讀數(shù)，把它標(biāo)為Noise(O)。
6）.然后計(jì)算被測器件的噪聲系數(shù)NFig：NFig = Noise(O) - Gain(D) - Gain(P) + 174 dBm/Hz
5 分辨率帶寬(RBW)和視頻帶寬有什么區(qū)別?
答：RBW是您能隔離兩個(gè)信號(hào)，并還能看到它們的最小帶寬。RBW也會(huì)影響KTB噪聲系數(shù)功率，因?yàn)镽BW每改變10 倍，KTB功率改變10dB。
視頻帶寬濾波器噪聲。視頻帶寬用于平均，它等效一個(gè)低通濾波器。為過濾噪聲，視頻帶寬通常設(shè)置得較窄，但又不過窄，因?yàn)檫@會(huì)減慢掃描時(shí)間。
在特定情況下視頻帶寬可設(shè)置得較寬。一個(gè)例子是不需要，或不要求平均。另一個(gè)例子是在零跨距時(shí)測量AM。為測量AM，視頻帶寬需要足夠?qū)挕?/div>
