頻譜分析儀是一種用于研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的多用途電子測(cè)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于無(wú)線電技術(shù)、電子測(cè)量、電力測(cè)量和通信測(cè)量等領(lǐng)域。它能夠測(cè)量信號(hào)的頻率分布、幅度特性、失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定性和交調(diào)失真等參數(shù)。
頻譜分析儀的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括電子對(duì)抗、衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、雷達(dá)、射電天文、航空航天和頻譜監(jiān)測(cè)等。它不僅可以用于測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，還可以用于研發(fā)診斷以及雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。
此外，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代頻譜分析儀集成了許多新功能，如接收器、儀表、頻率計(jì)和網(wǎng)絡(luò)分析儀等，從而拓寬了其測(cè)量功能和應(yīng)用范圍?？傊?，頻譜分析儀作為“工程師的射頻萬(wàn)用表”，在無(wú)線電信號(hào)測(cè)量和電子產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)中具有至關(guān)重要的作用。
01 頻域?qū)r(shí)域
頻譜分析儀和示波器一樣，都是用于信號(hào)觀察的基本工具，是無(wú)線通信系統(tǒng)測(cè)試中使用量最大的儀表之一。傅立葉理論告訴我們，時(shí)域中的任何電信號(hào)都可以由一個(gè)或多個(gè)具有適當(dāng)頻率、幅度和相位的正弦波疊加而成。換句話說(shuō)，任何時(shí)域信號(hào)都可以變換成相應(yīng)的頻域信號(hào)，通過(guò)頻域測(cè)量可以得到信號(hào)在某個(gè)特定頻率上的能量值。通過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波，我們能將圖1中的波形分解成若干個(gè)獨(dú)立的正弦波或頻譜分量，然后就可以對(duì)它們進(jìn)行單獨(dú)分析。每個(gè)正弦波都用幅度和相位加以表征。如果要分析的信號(hào)是周期信號(hào)，傅立葉理論指出，所包含的正弦波的頻域間隔是 1/T，其中 T 是信號(hào)的周期。
圖1 復(fù)合時(shí)域信號(hào)
傅里葉變換：頻譜是一組正弦波，經(jīng)適當(dāng)組合后，形成被考察的時(shí)域信號(hào)是一個(gè)時(shí)域信號(hào)，通過(guò)傅里葉變換可以將其轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)。傅里葉變換的公式為：
其中，?(ω)是頻域信號(hào)，f(t)是時(shí)域信號(hào)，ω是角頻率，t是時(shí)間。
02 什么是頻譜
頻譜是一組正弦波，經(jīng)適當(dāng)組合后，形成被考察的時(shí)域信號(hào)。圖1顯示了一個(gè)復(fù)合信號(hào)的波形。假定我們希望看到的是正弦波，但顯然圖示信號(hào)并不是純粹的正弦形，而僅靠觀察又很難確定其中的原因。圖2同時(shí)在時(shí)域和頻域顯示了這個(gè)復(fù)合信號(hào)。頻域圖形描繪了頻譜中每個(gè)正弦波的幅度隨頻率的變化情況。如圖所示，在這種情況下，信號(hào)頻譜正好由兩個(gè)正弦波組成?，F(xiàn)在我們便知道了為何原始信號(hào)不是純正弦波，因?yàn)樗€包含第二個(gè)正弦量，在這種情況下是二次諧波。
既然如此，時(shí)域測(cè)量是否過(guò)時(shí)了呢? 答案是否定的。時(shí)域測(cè)量能夠更好的適用于某些測(cè)量場(chǎng)合，而且有些測(cè)量也只能在時(shí)域中進(jìn)行。例如純時(shí)域測(cè)量中所包括的脈沖上升和下降時(shí)間、過(guò)沖和振鈴等。
圖 2 信號(hào)的時(shí)域和頻域關(guān)系
03 為什么要測(cè)量頻譜
頻域測(cè)量同樣也有它的長(zhǎng)處。如我們已經(jīng)在圖 1和2 看到的，頻域測(cè)量更適于確定信號(hào)的諧波分量。在無(wú)線通信領(lǐng)域，人們非常關(guān)心帶外輻射和雜散輻射。例如在蜂窩通信系統(tǒng)中，必須檢查載波信號(hào)的諧波成分，以防止對(duì)其它有著相同工作頻率與諧波的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。工程師和技術(shù)人員對(duì)調(diào)制到載波上的信息的失真也非常關(guān)心。三階交調(diào) (復(fù)合信號(hào)的兩個(gè)不同頻譜分量互相調(diào)制) 產(chǎn)生的干擾相當(dāng)嚴(yán)重，因?yàn)槠涫д娣至靠赡苤苯勇淙敕治鰩捴畠?nèi)而無(wú)法濾除。
從圖形來(lái)看，頻譜可分為兩種基本類(lèi)型。①離散頻譜：又稱(chēng)線狀頻譜，圖形呈線狀，各條譜線(代表某頻率分量幅度的線)之間有一定間隔。周期信號(hào)的頻譜都是離散頻譜，各條譜線之間的間隔相等，等于周期信號(hào)的基頻或整數(shù)倍。②連續(xù)頻譜：各條譜線之間的間隔為無(wú)窮小，譜線連成一片。非周期信號(hào)和各種無(wú)規(guī)則噪聲的頻譜都是連續(xù)頻譜，即在所觀測(cè)的頻率范圍內(nèi)的全部頻率上都有信號(hào)譜線存在。實(shí)際的信號(hào)頻譜往往都是混合頻譜，被測(cè)量的連續(xù)信號(hào)或周期信號(hào)，除了它的基頻、各次諧波和寄生信號(hào)所呈現(xiàn)的離散頻外，往往不可避免地伴有隨機(jī)熱噪聲所呈現(xiàn)的連續(xù)頻譜作為基底。
頻譜測(cè)量的基礎(chǔ)是傅里葉變換。它可以將一個(gè)隨時(shí)間變化的信號(hào)變換成與該信號(hào)相關(guān)連的頻率的函數(shù)。因此任意一個(gè)時(shí)變信號(hào)可以分解成不同頻率、不同相位、不同幅值的正弦波。
頻譜測(cè)量有掃頻式和實(shí)時(shí)式兩種方法。
①掃頻式：利用掃頻超外差接收的原理，通過(guò)多次變頻過(guò)程完成重復(fù)信號(hào)的頻譜測(cè)量。這種方法的特點(diǎn)是本振在寬頻段內(nèi)掃頻而接收機(jī)是窄帶的，所以在任一瞬間信號(hào)中只有一個(gè)頻率分量被測(cè)量(接收機(jī)濾波器有一定帶寬,電路需要有一定的響應(yīng)時(shí)間,所以每條譜線實(shí)際上占有一定頻帶)，其余頻率分量被抑止。隨著本振的掃頻，按順序測(cè)量信號(hào)中的其余頻率分量。這種方法只適用于連續(xù)信號(hào)和周期信號(hào)的頻譜測(cè)量，測(cè)不出信號(hào)的相位。
②實(shí)時(shí)式：能在被測(cè)信號(hào)發(fā)生的實(shí)際時(shí)間內(nèi)取得所需要的全部頻譜信息，并顯示測(cè)量結(jié)果。這種方法的特點(diǎn)是利用現(xiàn)代數(shù)字電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速取樣和模數(shù)變換，然后與產(chǎn)生正弦、余弦信號(hào)的正交本振在數(shù)字濾波器中作相關(guān)處理，經(jīng)積分運(yùn)算后存儲(chǔ)并顯示測(cè)量結(jié)果。這種方法特別適用于非重復(fù)性信號(hào)和持續(xù)時(shí)間很短的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程及瞬態(tài)過(guò)程的頻譜測(cè)量，也可用于周期信號(hào)的頻譜測(cè)量，并能測(cè)量信號(hào)的相位。
04 頻譜純度（相位噪聲）
傳統(tǒng)的相位噪聲是如下定義的：以載波的幅度為參考，在偏移一定的頻率下的單邊帶相對(duì)噪聲功率。這個(gè)數(shù)值是指在1Hz的帶寬下的相對(duì)噪聲電平，其單位為dBc/Hz。我們可以稱(chēng)之為相位噪聲的頻譜定義。
一個(gè)理想的振蕩器有一個(gè)無(wú)限狹窄的頻譜。由于噪聲不同的物理效應(yīng)，信號(hào)相角微小的變化都會(huì)導(dǎo)致頻譜變寬，這就是相位噪聲，如圖3示。為了測(cè)量相位噪聲，必須通過(guò)一個(gè)帶寬為B的窄帶接收機(jī)或者頻譜分析儀來(lái)得到振蕩器在一個(gè)載波頻率偏移(就是偏移頻率foffset)下的噪聲功率PR，然后把測(cè)量帶寬B減小到1Hz，接著用PR比上載波功率PC得到一個(gè)用dBc表示的結(jié)果(1Hz帶寬)。dBc中的c代表載波。
圖3 振蕩器的相位噪聲
這樣就得到了相位噪聲，更確切地說(shuō)是單邊帶(SSB)相位噪聲：
dBc雖然不符合標(biāo)準(zhǔn)的寫(xiě)法，但是普遍使用。也可以把它轉(zhuǎn)化為線性功率，但是使用更多的是dBc。
相位噪聲的測(cè)量，主要有下列4種方法：
1）直接頻譜分析法?：使用頻譜分析儀直接測(cè)量載波附近的噪聲邊帶。設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率為振蕩器的輸出頻率，并調(diào)整分辨率帶寬以清晰地顯示噪聲邊帶。讀取特定頻率偏移處的相位噪聲水平，并將其轉(zhuǎn)換為dBc/Hz。
2）相位檢測(cè)器法?：使用相位檢測(cè)器和頻譜分析儀組合來(lái)測(cè)量相位噪聲。相位檢測(cè)器將振蕩器的輸出與一個(gè)參考信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生與相位噪聲成正比的電壓信號(hào)。將這個(gè)電壓信號(hào)輸入到頻譜分析儀中，分析其頻譜成分以獲得相位噪聲的信息。
3）延遲線法?：使用延遲線和混頻器來(lái)測(cè)量相位噪聲。將振蕩器的輸出信號(hào)通過(guò)一個(gè)延遲線，然后與原始信號(hào)一起輸入到混頻器中?；祛l器輸出的差頻信號(hào)包含了相位噪聲信息，通過(guò)分析這個(gè)信號(hào)可以計(jì)算出相位噪聲。
4）零拍法?：這是一種利用頻譜分析儀的特殊測(cè)量技術(shù)，適用于測(cè)量非常接近載波的相位噪聲。將頻譜分析儀的中心頻率設(shè)置為振蕩器的輸出頻率，并將分辨率帶寬調(diào)至最小。通過(guò)觀察載波兩側(cè)的噪聲峰值，可以獲得相位噪聲的估計(jì)值。
05 雜散（含諧波和雜波）分量
雜散和諧波都是非線性產(chǎn)物。諧波?是指對(duì)周期性交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解后，頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量。諧波是輸入頻率的整數(shù)倍頻上產(chǎn)生的假頻率，通常被認(rèn)為是?射頻干擾的潛在原因。?雜散?則是非整數(shù)倍頻的產(chǎn)物，通常是由于?失真、?互調(diào)、?電磁干擾或?頻率轉(zhuǎn)換等原因產(chǎn)生的非期望頻率。
雜散分量的測(cè)量主要有下列幾種方法：
1）基于?瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)方法?：這種方法利用瞬時(shí)無(wú)功功率理論，通過(guò)坐標(biāo)變換和濾波處理來(lái)檢測(cè)諧波分量。其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，但檢測(cè)精度受濾波器影響較大。
2）基于?傅里葉變換的諧波檢測(cè)方法?：這種方法包括離散傅里葉變換(DFT)和快速傅里葉變換(FFT)，通過(guò)頻域分析來(lái)計(jì)算各次諧波的幅值和相位。
3）基于?小波包分析的諧波檢測(cè)方法?：這種方法利用小波包變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行多分辨率分析，能夠同時(shí)分解信號(hào)的低頻和高頻部分，提高檢測(cè)精度。
4）頻域測(cè)量方法?：在頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行諧波分析，使用模擬濾波器將輸入信號(hào)的各次諧波分量分離出來(lái)。
5）時(shí)域測(cè)量方法?：在時(shí)域?qū)π盘?hào)進(jìn)行離散化處理，然后通過(guò)DFT或FFT計(jì)算各次諧波的幅值和相位等參數(shù)。
06 示例
Part.1
信號(hào)諧波與雜散測(cè)量
1. 用波形發(fā)生模塊產(chǎn)生一個(gè)中心頻率100MHz，幅度5dBm的信號(hào)。
2. 首先，用傳統(tǒng)的頻譜模式進(jìn)行信號(hào)諧波雜散測(cè)量：
進(jìn)入頻譜分析儀模式：
Freq：起始頻率：50MHz；截止頻率：1GHz
Amptd：參考電平：10dBm；
Marker：設(shè)置→標(biāo)記列表：開(kāi)；峰值搜索→峰值搜索；選擇標(biāo)記2→峰值搜索→右側(cè)下一峰值；同樣操作，設(shè)置標(biāo)記3~9。
具體測(cè)量結(jié)果如下圖所示。如圖所示，測(cè)量了100MHz信號(hào)的2~9次諧波，同時(shí)底部的標(biāo)記表格，也列出了對(duì)應(yīng)諧波的頻率以及功率。
圖4 頻譜儀模式下測(cè)量雜諧波
同樣的操作方法，對(duì)于非諧波類(lèi)的雜散信號(hào)，一般來(lái)說(shuō)幅度會(huì)較小，這就會(huì)要求調(diào)小參考電平和分辨率帶寬RBW，這樣就可以觀察幅度更小的信號(hào)。
3. 普尚的SP900系列頻譜分析儀還支持一鍵測(cè)量諧波雜散信號(hào)。
進(jìn)入頻譜分析儀模式，點(diǎn)擊Mode/Meas：選擇頻譜分析儀→測(cè)量：諧波→確認(rèn)
頻率→基礎(chǔ)諧波：100MHz
幅度→參考值：10dBm
具體測(cè)量結(jié)果如下圖所示。如圖所示，測(cè)量了100MHz信號(hào)的2~10次諧波；相對(duì)于頻譜模式，這里直接給出了諧波與基波信號(hào)的幅度差。
圖5 頻譜儀諧波模式下一鍵式測(cè)量雜諧波
Part.2
信號(hào)相位噪聲測(cè)量
1. 同上，用波形發(fā)生模塊產(chǎn)生一個(gè)中心頻率100MHz，幅度5dBm的信號(hào)。
2. 首先，用傳統(tǒng)的頻譜模式進(jìn)行信號(hào)相位噪聲測(cè)量：
進(jìn)入頻譜分析儀模式：
Freq：中心頻率：100MHz；掃寬：1MHz
Amptd：參考電平：10dBm；
帶寬：分辨率帶寬：10KHz
跡線：跡線控制：跡線平均
標(biāo)記：峰值搜索：峰值搜索；設(shè)置→標(biāo)記模式→差量Δ→標(biāo)記Δ頻率：100KHz，記錄此時(shí)的標(biāo)記值。
測(cè)量結(jié)果如下圖所示，計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的相位噪聲結(jié)果為：
Phase Noise=-79.458dB-10×log10(RBW)=-79.458-40=-119.458dBc
圖6 傳統(tǒng)的頻譜模式下測(cè)量相位噪聲
3. 普尚的SP900系列頻譜分析儀還支持一鍵測(cè)量信號(hào)相位噪聲。
進(jìn)入頻譜分析儀模式，點(diǎn)擊Mode/Meas：選擇相位噪聲→測(cè)量：對(duì)數(shù)導(dǎo)頻→常態(tài)→確認(rèn)；
頻率→基載波頻率：100MHz；點(diǎn)擊：自動(dòng)調(diào)諧
標(biāo)記→分別設(shè)置多個(gè)標(biāo)記對(duì)應(yīng)的標(biāo)記頻率：標(biāo)記1：1KHz；標(biāo)記2：10KHz；
具體測(cè)量結(jié)果如下圖所示。如圖所示，測(cè)量了100MHz信號(hào)的多個(gè)頻偏位置的相位噪聲，比如1KHz，10KHz，100KHz。對(duì)比頻譜模式下測(cè)量得到的100kHz頻偏的相位噪聲結(jié)果：-119.458dBc/Hz；使用普尚的相位噪聲測(cè)量選件，得到的結(jié)果為：118.41dBc/Hz。
考慮到測(cè)量的誤差，可以認(rèn)為這兩個(gè)結(jié)果保持了很好的一致。
圖7 相位噪聲模式下一鍵式測(cè)量相位噪聲
