頻譜分析儀是無線通信系統的研發、測試和維護中常用的測試測量儀器，它不僅可以進行頻域測量，還可以進行時域測量，甚至還可以進行矢量信号分析。如果你從事的是無線通信相關的工作，那麼掌握頻譜分析儀的使用是一項基本必備技能。為了更好的使用頻譜分析儀，我們勢必需要對頻譜分析儀的原理要有一定的了解。

　　如果将頻譜分析儀進行分類，我們最常看到的分類有兩種類型，FFT分析儀和超外差式分析儀。實際上，現在廣泛使用的頻譜分析儀其實是這兩種頻譜分析儀原理的綜合應用。

　　FFT分析儀很好理解，其原理就是直接對時域進行傅立葉變換，這需要對信号進行采樣得到一組離散數據，并對其進行算法分析處理。我們知道采樣定理需要采樣頻率大于2倍的信号頻率，對于高頻信号這将會對ADC提出了重要的挑戰，而且在早期半導體技術限制，ADC的位數受限，其采樣能力有限，因此，FFT分析儀一般常用于低頻的信号分析。

　　為了滿足高頻信号的測量，超外差式分析儀成為了應用較為廣泛的頻譜分析儀。

　　所謂超外差，就是通過本振信号和輸入信号進行混頻，産生特定頻率的一個信号。超表示将信号變換為超音頻，它最早是由阿姆斯特朗提出，可以利用超外差原理制成超外差接收機。這裡的阿姆斯特朗可不是那位登月的兄弟哈。他是一位無線電早期的專家，發明了無線電調頻的方法，對無線電的發展産生了深遠的影響。

　　阿姆斯特朗

　　這種變頻接收方式的性能優于高頻直接接收方式，所以至今仍廣泛應用于高頻信号接收機中。在我們身邊也常見到很多接收機的例子，比如，收音機、GPS、衛星電視接收機等等這些都屬于接收機。收音機的工作原理和頻譜分析儀類似，我們可以通過收音機來初步的認識頻譜分析儀，收音機作用是通過将接收到廣播電台發射的電磁波轉化成我們人耳可以聽到的聲音。實際上，這裡并不是直接将接收到的電磁波直接轉成電磁波，而是通過載波放大，混頻，中頻放大，檢波，音頻放大，功放，揚聲器發出聲音等一系列過程。與收音機類似，頻譜分析儀也有一系列複雜的過程。

　　接下來，我們可以通過下面的框架圖來學習現代常用的頻譜分析儀的工作原理。

　　頻譜分析儀結構框圖

　　從上面的圖我們可以看到，射頻信号先通過衰減器，将載波和本振混頻，中頻放大，中頻濾波，檢波，視頻濾波，模數轉換，數據存儲，數據計算，圖形顯示等一系列過程，下面我們依次來學習這些過程。

　　衰減器

　　基本上頻譜分析儀的信号接收端都會設計一個衰減器，這樣将有效的防止信号過大而損壞儀器内的器件。這個衰減器一般都是可調的，在測量時我們可以根據需要選擇一個合适衰減值，不過，這裡的衰減作頻譜分析儀内部的衰減，我們不需要再進行單獨的換算，屏幕顯示的測量值已經對這裡的衰減做了換算處理。當然，這個衰減器并不是萬能的，因為，它并不是無限的衰減，當然，也沒有無限大小的衰減器，通常如果測試的信号過大，我們還需要外接一個衰減器，對于外接的衰減器，我們需要進行一定的換算處理。比如，頻譜分析儀的屏幕顯示的值加上這裡的外接衰減值就是實際的測量值。當然我們大可不必這樣自己去換算，實際上我們可以通過設置頻譜分析儀的Ref level offset參數将這個衰減值補償進頻譜分析儀裡，這個參數我們可以理解為外部的校準值。這時屏幕的顯示值就是我們的測量值了。這種方法在測試測量中極為方便，也是最為廣泛使用的一種方法。

　　雖然衰減器可以有效的保護儀器的安全，但是，這也帶來了一個弊端，設置衰減之後輸入信号的減小而降低了信噪比，這将會對測試靈敏度産生一定的影響。

　　切記，在使用頻譜分析儀的時候，一定要預估一下所測信号是否在頻譜分析儀的安全範圍内，一般都會在輸入端口标記最大功率的大小。

　　混頻和混頻器（Mixer）

　　與收音機的原理類似，超外差式的頻譜分析儀實際測量的并不是原始的載頻信号，也是需要經過混頻，将測量信号降頻後生成中頻信号，再進行測量。那麼，問題來了，什麼是混頻？和誰進行混頻？

　　混頻是指将相信号從一個頻率變換到另外一個頻率的過程，它是頻譜線性搬移的過程。

　　在射頻裡用來混頻的射頻器件我們稱做混頻器，它需要一個射頻輸入信号和一個本振信号，通過将兩個信号相乘産生新的混頻信号，也就是我們這裡所說的中頻信号。

　　混頻器

　　通信裡的一切都是建立在數學的基礎上的，這裡我們可以通過三角函數的積化和差來理解混頻。我們可以我們假設Y是射頻輸入信号，L是本振信号：

　　我們将兩個信号相乘，也就是混頻：

　　通過上面的公式我們可以看出，兩個信号經過混頻器混頻後會生成兩信号頻率之和、差的信号，也就是信号發生了頻譜搬移。

　　混頻器示意圖

　　雖然上面是通過實信号進行推導，但是對于複信号也是同樣的道理，這裡先不做展開。

　　回到本文正題，對于頻譜分析儀的混頻功能，就需要兩個關鍵器件來實現，混頻器和本地振蕩器，頻譜分析儀将接受到射頻信号和本地振蕩器生成的本振信号經過混頻器進行混頻産生中頻信号，以便于下一級信号處理。

　　中頻濾波器（IF Filter）

　　射頻信号經過混頻之後，生成的中頻信号才是我們想要的信号，混頻前的信号是我們不想看到的，那麼是不是加上一個低通濾波器就可以了呢？然而，對于混頻器而言，其内部結構中是由非線性器件組成，因此，射頻信号經過混頻後也有交調和幹擾信号的産生。因此，為了準确分辨出中頻信号，通常需要一個帶寬足夠窄的濾波器來分離頻率間隔很近的信号，這就是中頻濾波器，它可以抑制帶寬之外的其他信号。

　　我們在使用頻譜分析儀進行測試時，經常會調整一個重要的參數RBW（分辨率帶寬），它實際上就是對應這裡的中頻濾波器的帶寬（一般它代表的是中頻濾波器的3dB帶寬）。

　　調整RBW的大小往往會對頻譜有一定的影響，RBW的值越小，頻譜圖形越細緻，同時低噪也越低。

　　RBW

　　RBW

　　不過，測試時間也會相應變長。一般根據實際情況選擇一個合适值進行設置即可。

　　掃描器（Sweep Generator）

　　上面了解了混頻器、本地振蕩器、中頻濾波器，我們來思考這樣一個問題。如果我們測量的是帶寬信号，由于中頻濾波器是一個窄帶濾波器，要測量到每個頻率信号，我們就需要對每個頻率上都加上這麼一個窄帶濾波器。實際上，這種做法是非常不現實的。

　　如果要對帶寬信号進行測量，為了使設計更加簡單，我們可以保持中頻不動，通過改變本振頻率将中頻固定在某個頻率上，這樣中頻信号處理電路就可以完全一樣了。

　　如何改變本振頻率呢？它就是掃描器，掃描器可以用來控制本地振蕩器輸出的頻率，從而實現将不同頻率的信号轉換成相同頻率的中頻信号。掃描帶寬是可以由我們自己來設置的，它對應的就是頻譜分析儀上的參數Span，也對應着測量的頻率範圍，也就是頻譜分析儀屏幕上對應的頻率帶寬。除了帶寬之外，我們還需要明确起始頻率（Start Frequency）或終止頻率（Stop Frequency），這樣才能把測試範圍确定下來。當然，在儀器使用時，我們是不需要再根據儀器的中頻去換算本振起始頻率或終止頻率的，為了儀器的使用方便，直接以實際的測試頻譜的起止頻率進行設置，儀器自身自然會做相應的調整生成對應的本振頻率。

　　一般頻譜分析儀無外乎都有Zero Span、Full Span和自定義Span的這幾種Span形式。Zero Span對應的是信号的時域情況，因為這個時候的掃頻帶寬是0，測量結果顯示的是對應中心頻點的時域結果，也就是類似示波器的功能。Full Span也很好理解，它對應的是測量的滿帶寬測量範圍，當然，由于硬件的限制這個滿帶寬不是無限的，不同的儀器有不同的範圍，大家在使用不同型号的頻譜分析儀可以關注一下。自定義Span是我們常用的一種測試形式，為了更好的測試和觀察被測信号，我們通常需要根據測試信号和測試需求來确定測試的頻率範圍，這時我們就可以通過自定義的種方式進行設置，一般的我們設置好了中心頻點之後，再設置一個Span帶寬即可，頻率分析儀會自動調整起止頻率。當然，我們也可以自己手動調整起止頻率。

　　檢波器

　　在現代的頻譜分析儀屏幕一般采用的數字液晶屏，數據的顯示隻能通過離散的像素點來描述。相比高頻信号這些離散的像素點也顯得十分有限而不能完全描述一個信号。因此，這裡還需要對原始信号通過算法進行抽點，所謂抽點就是将實際信号劃分成多個片段，在将這些片段通過某種算法得出一個點來表示這個像素點對應的值，最後将這些像素值顯示到屏幕上，它們代表了信号的最終測試結果，這個過程我們稱做檢波，經過檢波之後的信号我們稱作檢波包絡信号。

　　一般頻譜分析儀都有下面這幾種檢波的方式，檢波方式差别主要體現算法上的不同。

　　最大峰值檢波：選取對應片段裡的最大值。

　　最小峰值檢波：選取其中的最小值。

　　自動峰值檢波：同時選取最大值和最小值。

　　取樣檢波：選取特定位置的值。

　　均方根檢波：将對應片段中的點，取其均方根（RMS）運算後的值。

　　平均值檢波器：将對應片段中點，取其平均值。

　　對于最大峰值檢波、最小值峰值檢波、自動峰值檢波，這些選取峰值的檢波方式，由于選取的是最大值或最小值，忽略了噪聲随機性，它們就不能很好的反映實際的噪聲情況。而取樣檢波則可以很好的反映噪聲随機性，但是其弊端是對于信号的峰值卻不能很好的反映。而平均值檢波和均方根檢波是選取片段中所有的點做運算而取出一個點，所以，相對來說它們更能很好代表這個片段中所有點的特性。

　　在平時測試測量中，我們根據測試的實際情況選擇相應的檢波方式即可。

　　視頻濾波器（Video Filter）

　　經過檢波之後，檢波包絡信号将進入視頻濾波器（Video Fileter），視頻濾波器是一個低通濾波器，其作用主要是用來平滑噪聲顯示的。在頻譜分析儀中，有個視頻帶寬(Vedio bandwidth)的設置，我們可以通過減小視頻帶寬（VBW）對頻譜顯示的噪聲進行平滑處理，這對小信号的顯示非常有幫助。

　　VBW

　　然而，VBW的設置也不是随便設置的，它跟RBW的設置有關，否則，将會影響信号測試的準确性。一般情況下，當我們改變RBW時，VBW的默認缺省值等于RBW。

　　通常，VBW和RBW的大小關系，跟下面幾種信号類型有所不同。

　　正弦信号

　　脈沖信号

　　随機信号

　　對于正弦信号，一般VBW使用默認缺省值即可，即VBW等于RBW，如果測量的信号過小，可以适當減小VBW平滑噪聲，這時VBW是小于RBW。如果是脈沖信号有些不同，為了過得更精确的測試值，往往需要設置較大的VBW，這時VBW是大于RBW的。

　　還有一些随機信号，因為随機信号具有随機變化性，頻譜每次掃描時的信号也都是随機的，所以，為了顯示更加平滑，我們需要設置一個較窄的VBW值，也就是這時VBW的是小于RBW的。比如，VBW和RBW的比值是1：100甚至1：1000。

　　模數轉換器（ADC）

　　上面我們說過現在大多數的頻譜分析儀也有一些數字化能力，在視頻濾波器之後加了ADC數模轉換器，并将轉換後的數字信号進行數字信号處理的功能，可以提高儀器的測試能力，通過算法處理可以用來測試各種複雜制式的信号，測試速度和測試動态範圍也大大提高。

　　相信大家平時使用儀器的時候經常會遇到IF Overload的報錯，它是由于待測信号高于參考電平（Reference Level）導緻，這裡的參考電平實際上就是ADC的最大電壓值。因此，當參考電平設置的不準确的時候，測量值也會不太準确。不過，為了便于理解，我們也可以将參考電平當作屏幕上能顯示的最大值。一般的我們可以将Reference Level的設置值比實際信号大10dB左右。

　　最後

　　無論什麼型号的頻譜分析儀，其原理大都如此。在了解了頻譜分析儀的工作原理之後，相信大家會更加熟悉各種型号的頻譜分析的使用，以及在測試各種環境下的信号時，隻有理解了原理才能更加準确合理的設置各項參數，便于測出我們想要測試的信号。趕快用你的頻譜分析儀，嘗試起來吧！

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