概述频谱分析仪的主要功能和应用原理-北京天创科仪科技有限公司

简介

频谱分析仪(英文名为：Spectrum Analyzer)是研究电信号频谱结构的仪器，主要用于显示频域输入信号的频谱特性，它可以透过频域对信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。

主要功能

频谱分析仪可用于无线讯号收发器、信号干扰的检测、频谱监测、以及元件特性分析等，是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具，特别针对无线通讯信号的测量更是必要工具，其应用十分广泛，因此也有工程师将之称为射频量测的万用电表。其主要功能包括：频率设置、基准电平设置、跟踪发生器设置、跟踪控制设置、利用标记功能测量回波损耗，以及频宽、扫描时间及触发控制设置等功能。

应用领域

频谱分析仪主要功能在于量测信号的大小或振幅，因此其应用范围十分广泛，包括系统维护、信号量测、组件的频率增益与物料品管等，都在频谱分析仪的应用范围之中。

分类

按不同的分类方式可将频谱分析仪分为扫频式和实时分析式频谱分析仪，传统式和现代频谱分析仪，手持式和台式频谱分析仪等。

扫频式频谱分析仪：是具有显示装置的扫频外差接收机，主要用于连续信号和周期信号的频谱分析。它工作于声频直至亚毫米的波频段，只显示信号的幅度而不显示信号的相位。它的工作原理是：本地振荡器采用扫频振荡器，它的输出信号与被测信号中的各个频率分量在混频器内依次进行差频变换，所产生的中频信号通过窄带滤波器后再经放大和检波，加到视频放大器作示波管的垂直偏转信号，使屏幕上的垂直显示正比于各频率分量的幅值。本地振荡器的扫频由锯齿波扫描发生器所产生的锯齿电压控制，锯齿波电压同时还用作示波管的水平扫描，从而使屏幕上的水平显示正比于频率。

实时式频谱分析仪：在存在被测信号的有限时间内提取信号的全部频谱信息进行分析并显示其结果的仪器主要用于分析持续时间很短的非重复性平稳随机过程和暂态过程，也能分析40兆赫以下的低频和极低频连续信号，能显示幅度和相位。傅里叶分析仪是实时式频谱分析仪，其基本工作原理是把被分析的模拟信号经模数变换电路变换成数字信号后，加到数字滤波器进行傅里叶分析；由中央处理器控制的正交型数字本地振荡器产生按正弦律变化和按余弦律变化的数字本振信号，也加到数字滤波器与被测信号作傅里叶分析。正交型数字式本振是扫频振荡器，当其频率与被测信号中的频率相同时就有输出，经积分处理后得出分析结果供示波管显示频谱图形。正交型本振用正弦和余弦信号得到的分析结果是复数，可以换算成幅度和相位。分析结果也可送到打印绘图仪或通过标准接口与计算机相连。

传统的频谱分析仪：前端电路是一定带宽内可调谐的接收机输入信号经变频器变频后由低通滤器输出滤波输出作为垂直分量频率作为水平分量在示波器屏幕上绘出坐标图就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽的频率例如30Hz-30GHz与外部混频器配合可扩展到100GHz以上频谱分析仪是频率覆盖宽的测量仪器。无论测量连续信号或调制信号频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是传统的频谱分析仪也有明显的缺点它只能测量频率的幅度缺少相位信息因此属于标量仪器而不是矢量仪器。

现代频谱分析仪：基于快速傅里叶变换(FFT)的现代频谱分析仪，通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量达到与传统频谱分析仪同样的结果。这种的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器(ADC)对输入信号取样再经FFT处理后获得频谱分布图。在这种频谱分析仪中，为获得良好的仪器线性度和高分辨率对信号进行数据采集时 ADC的取样率少等于输入信号高频率的两倍亦即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/S的取样率。

图示

扫频式频谱分析仪

台湾固纬GSP-830频谱仪

实时式频谱分析仪

DSA800

北京普源DSA800系列频谱分析仪

手持式频谱分析仪

优利德UTS1020手持式频谱分析仪

工作原理

频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，面板上布建许多功能控制按键，作为系统功能之调整与控制，系统主要的功能是在频域里显示输入信号的频谱特性。频谱分析仪依信号处理方式的不同，一般有两种类型；实时频谱分析仪(Real-Time Spectrum Analyzer)与扫瞄调谐频谱分析仪(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)。实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器(Detector)，再经由同步的多任务扫瞄器将信号传送到CRT 屏幕上，其优点是能显示周期性杂散波(PeriodicRandom Waves)的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频宽范围、滤波器的数目与大的多任务交换时间(Switching Time)。