频谱分析仪基础知识-性能指标及实用技巧

频谱分析仪基础知识性能指标及实用技巧

频谱分析仪是用来显示频域信号幅度的仪器，在射频领域有“射频万用表”的美称。在射频领域，传统的万用表已经不能有效测量信号的幅度，示波器测量频率很高的信号也比较困难，而这正是频谱分析仪的强项。本讲从频谱分析仪的种类与应用入手，介绍频谱分析仪的基本性能指标、操作要点和使用方法，供初级工程师入门学习；同时深入总结频谱分析仪的实用技巧，对频谱分析仪的常见问题以Q/A的形式进行归纳，帮助高级射频的工程师和爱好者

进一步提高。

频谱分析仪的种类与应用

频谱分析仪主要用于显示频域输入信号的频谱特性，依据信号处理方式的差异分为即时频谱分析仪和扫描调谐频谱分析仪两种。完成频谱分析有扫频式和FFT两种方式：FFT适合于窄分析带宽，快速测量场合；扫频方式适合于宽频带分析场合。

即时频谱分析仪可在同一时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设置相对应的滤波器与检知器，并经由同步多工扫瞄器将信号输出至萤幕，优点在于能够显示周期性杂散波的瞬时反应，但缺点是价格昂贵，且频宽范围、滤波器的数目与最大多工交换时间都将对其性能表现造成限制。

扫瞄调谐频谱分析仪是最常用的频谱分析仪类型，它的基本结构与超外差式接收器类似，主要工作原理是输入信号透过衰减器直接加入混波器中，可调变的本地振荡器经由与CRT

萤幕同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，再将混波器与输入信号混波降频后的中频信号放大后、滤波与检波传送至CRT萤幕，因此CRT萤幕的纵轴将显示信号振幅与频率的相对关系。

基于快速傅立叶转换（FFT）的频谱分析仪透过傅立叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，进而达到与传统频谱分析仪同样的结果。新型的频谱分析仪采用数位方式，直接由类比/数位转换器（ADC）对输入信号取样，再经傅立叶运算处理后而得到频谱分布图。

频谱分析仪透过频域对信号进行分析，广泛应用于监测电磁环境、无线电频谱监测、电子产品电磁兼容测量、无线电发射机发射特性、信号源输出信号品质、反无线窃听器等领域，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。另外，由于频谱仪具有图示化射频信号的能力，频谱图可以帮助我们了解信号的特性和类型，有助于最终了解信号的调制方式和发射机的类型。在军事领域，频谱仪在电子对抗和频谱监

测中被广泛应用。频谱仪可以测量射频信号的多种特征参数，包括频率、选频功率、带宽、噪声电平、邻道功率、调制波形、场强等。

频谱分析仪常被用来放大器增益、频率响应与被动元件特性量测、失真度测量、通讯监测、

有线电视影像资讯的量测，以及天线特性的量测。

关于频谱分析仪分类与应用的详细介绍请查看：

频谱分析仪的种类与应用

应用频谱分析仪进行信号分析，首先需要了解频谱分析仪的相关性能指标。

频谱分析仪的性能指标与操作要点

频谱分析仪的基本性能指标如下图所示，包括频率、幅度以及测试精度和测试速度。

其中，影响频谱分析仪频率分辨率性能的因素包括RBW、本振寄生调频、中频滤波器矩形系数，以及本振相位噪声。其中RBW是中频滤波器3dB带宽。RBW设置会影响频谱仪测试速度，当滤波器带宽小时，其响应时间会相应变长。

以下是扫频式频率分析仪基本性能指标的影响因素及相应的操作要点：

频率测量范围

扫频式频率分析仪分析频率范围由本振范围决定；

频率分辨率

扫频式频率分析仪频率分辨率与中频率滤波器和本振有关；

测试中可通过减小RBW来提高频率分析分辨率

频率分析仪灵敏度

扫频式频率分析仪分析灵敏度与中频率滤波器、衰减器设值、视频滤波器和本振有关。其中频谱仪内部混频器及各级放大器会产生噪声，通过检波器会反映为显示白噪声电平（DANL）。而频谱仪噪声会影响被测信号功率测试：频谱仪显示信号=输入信号+内部噪声。衰减器设值大，噪声电平高。噪声电平随RBW按10?规律变化。测试中可通过减小RBW;VBW,衰减器设值和前置放大来提高分析灵敏度

频率分析仪内部失真

扫频式频率分析仪分析内部失真与混频器工作电平，中频放大器性能有关。各阶非线性失真变化规律为高阶失真信号幅度比基波信号变化速度快。由于混频器工作电平= 输入信号电平- 衰减器设值，为减小频谱分析仪内部失真，混频器应工作在尽量低电平，应加大衰减器设值。衰减器设值小时，频谱仪内部失真大、噪声电平低；衰减器设值大时，频谱仪内部失真小、噪声电平高。

频率分析仪衰减器

扫频式频率分析仪衰减器设置在灵敏度指标和内部失真指标间折。通过改变衰减器设置可判断频谱分析仪测试结果的真实性。

频谱仪对信号功率的测量

扫频式频谱仪测量功率结果与其检波方式和平均方式有关。频谱仪检波方式有Peak、Negative Peak、Sample、Averaging Detectors.

Peak检波方式：适合CW 信号及信号搜索测试

Sample检波方式：适合于噪声信号测试

Neg Peak检波方式：适合于小信号测试

Averaging Detectors:适合于ACPR及通道功率指标测试

RMS检波方式：适合于对类噪声信号（CDMA）总功率测量

其中Averaging Detectors功率测量显示由多个包络电平值的平均得到，Averaging Detectors可减少显示信号的抖动，扫描速度越高，平均效果越明显。

平均方式包括Log,、Lin、Power.Log平均（窄VBW、trace平均）适合于低电平CW信号测试；电压平均适合于脉冲信号上升下降时间测量；功率平均适合于信号平均功率测量。

根据频谱分析仪的各项性能指标，可对模拟调制信号和数字调制信号进行分析。下面是频谱分析仪的相关使用指导。

频谱分析仪的使用

对于测量的可测与不可测与否，完全取决于频谱分析仪的设定。这包括了对衰减器、频率范围与解析度频宽的设置。频谱分析仪的设定包括频率范围、解析度和动态范围，动态范围又涉及最大输入功率即烧毁功率，增益压缩使小于1W的输入信号一旦超过线性工作区域便会出现误差。此外灵敏度也是考虑频谱分析仪对输入信号可测与否的关键。

参数频率范围要从两个方面观察，一是频率范围的设定是否够窄，以具有足够的频率分辨能力，也就是够窄的扫频宽度。二是频率范围是否有足够的宽度，是否可以测到第二次、第三次谐波。当用频谱分析仪测量一个放大器谐波失真的时候，若放大器为1GHz,则它的三次谐波就是3GHz,这就是要考虑频率范围的最大可测宽度。如果频谱仪是1.8GHz,就不能进行量测，如果频谱分析仪是26.5GHz,就可以测到它的第三，第四次谐波。

解析度也是频谱分析仪中非常重要的参数设定。解析度表示当要测量两个频率的功率不一样时，必须将它们区分开来。将中频频宽设置成三种不同的宽度，下面所对应的就是在这一频宽设置时所看到的曲线。中频频宽越窄则解析度越高，中频频宽越宽则解析度越低。解析度频宽直接影响到微小信号的识别能力和测量的结果。

关于频谱分析仪使用的详细介绍请查看：

频谱分析仪测量场强方法

频谱分析仪的基本使用方法

频谱分析仪使用攻略

在频谱分析仪的使用中应注意什么问题呢？以下是对频谱分析仪注意要点的经验归纳。

频谱分析仪实用技巧

1）频谱分析仪的校准：频谱分析仪一般都有固定幅度和频率的校准器，使用频谱分析仪测量信号特别绝对信号电平测量时，需要对频谱分析仪进行校准，以保证信号测量精度；另外，通过校准信号的测量，可以检查频谱分析仪是否有问题。

2）射频输入信号电平小于频谱分析仪允许的安全电平：在频谱分析仪输入端接入射频信号之间，一定要对输入信号电平进行正确估算，避免频谱分析仪射频输入大于频谱分析仪