一文看透頻譜分析儀工作原理

頻譜分析儀是無(wú)線通信系統(tǒng)的研發(fā)、測(cè)試和維護(hù)中常用的測(cè)試測(cè)量儀器，它不僅可以進(jìn)行頻域測(cè)量，還可以進(jìn)行時(shí)域測(cè)量，甚至還可以進(jìn)行矢量信號(hào)分析。如果你從事的是無(wú)線通信相關(guān)的工作，那么掌握頻譜分析儀的使用是一項(xiàng)基本必備技能。為了更好的使用頻譜分析儀，我們勢(shì)必需要對(duì)頻譜分析儀的原理要有一定的了解。

如果將頻譜分析儀進(jìn)行分類，我們最?？吹降姆诸愑袃煞N類型，F(xiàn)FT分析儀和超外差式分析儀。實(shí)際上，現(xiàn)在廣泛使用的頻譜分析儀其實(shí)是這兩種頻譜分析儀原理的綜合應(yīng)用。

FFT分析儀很好理解，其原理就是直接對(duì)時(shí)域進(jìn)行傅立葉變換，這需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣得到一組離散數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行算法分析處理。我們知道采樣定理需要采樣頻率大于2倍的信號(hào)頻率，對(duì)于高頻信號(hào)這將會(huì)對(duì)ADC提出了重要的挑戰(zhàn)，而且在早期半導(dǎo)體技術(shù)限制，ADC的位數(shù)受限，其采樣能力有限，因此，F(xiàn)FT分析儀一般常用于低頻的信號(hào)分析。

為了滿足高頻信號(hào)的測(cè)量，超外差式分析儀成為了應(yīng)用較為廣泛的頻譜分析儀。

所謂"超外差"，就是通過(guò)本振信號(hào)和輸入信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生特定頻率的一個(gè)信號(hào)。超表示將信號(hào)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(jī)。這里的阿姆斯特朗可不是那位登月的兄弟哈。他是一位無(wú)線電早期的專家，發(fā)明了無(wú)線電調(diào)頻的方法，對(duì)無(wú)線電的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

這種變頻接收方式的性能優(yōu)于高頻直接接收方式，所以至今仍廣泛應(yīng)用于高頻信號(hào)接收機(jī)中。在我們身邊也常見(jiàn)到很多接收機(jī)的例子，比如，收音機(jī)、GPS、衛(wèi)星電視接收機(jī)等等這些都屬于接收機(jī)。收音機(jī)的工作原理和頻譜分析儀類似，我們可以通過(guò)收音機(jī)來(lái)初步的認(rèn)識(shí)頻譜分析儀，收音機(jī)作用是通過(guò)將接收到廣播電臺(tái)發(fā)射的電磁波轉(zhuǎn)化成我們?nèi)硕梢月?tīng)到的聲音。實(shí)際上，這里并不是直接將接收到的電磁波直接轉(zhuǎn)成電磁波，而是通過(guò)載波放大，混頻，中頻放大，檢波，音頻放大，功放，揚(yáng)聲器發(fā)出聲音等一系列過(guò)程。與收音機(jī)類似，頻譜分析儀也有一系列復(fù)雜的過(guò)程。

接下來(lái)，我們可以通過(guò)下面的框架圖來(lái)學(xué)習(xí)現(xiàn)代常用的頻譜分析儀的工作原理。

頻譜分析儀結(jié)構(gòu)框圖

從上面的圖我們可以看到，射頻信號(hào)先通過(guò)衰減器，將載波和本振混頻，中頻放大，中頻濾波，檢波，視頻濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)計(jì)算，圖形顯示等一系列過(guò)程，下面我們依次來(lái)學(xué)習(xí)這些過(guò)程。

1 衰減器

基本上頻譜分析儀的信號(hào)接收端都會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)衰減器，這樣將有效的防止信號(hào)過(guò)大而損壞儀器內(nèi)的器件。這個(gè)衰減器一般都是可調(diào)的，在測(cè)量時(shí)我們可以根據(jù)需要選擇一個(gè)合適衰減值，不過(guò)，這里的衰減作頻譜分析儀內(nèi)部的衰減，我們不需要再進(jìn)行單獨(dú)的換算，屏幕顯示的測(cè)量值已經(jīng)對(duì)這里的衰減做了換算處理。當(dāng)然，這個(gè)衰減器并不是萬(wàn)能的，因?yàn)?，它并不是無(wú)限的衰減，當(dāng)然，也沒(méi)有無(wú)限大小的衰減器，通常如果測(cè)試的信號(hào)過(guò)大，我們還需要外接一個(gè)衰減器，對(duì)于外接的衰減器，我們需要進(jìn)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里的外接衰減值就是實(shí)際的測(cè)量值。當(dāng)然我們大可不必這樣自己去換算，實(shí)際上我們可以通過(guò)設(shè)置頻譜分析儀的Ref level offset參數(shù)將這個(gè)衰減值補(bǔ)償進(jìn)頻譜分析儀里，這個(gè)參數(shù)我們可以理解為外部的校準(zhǔn)值。這時(shí)屏幕的顯示值就是我們的測(cè)量值了。這種方法在測(cè)試測(cè)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(hù)儀器的安全，但是，這也帶來(lái)了一個(gè)弊端，設(shè)置衰減之后輸入信號(hào)的減小而降低了信噪比，這將會(huì)對(duì)測(cè)試靈敏度產(chǎn)生一定的影響。

切記，在使用頻譜分析儀的時(shí)候，一定要預(yù)估一下所測(cè)信號(hào)是否在頻譜分析儀的安全范圍內(nèi)，一般都會(huì)在輸入端口標(biāo)記最大功率的大小。

2 混頻和混頻器（Mixer）

與收音機(jī)的原理類似，超外差式的頻譜分析儀實(shí)際測(cè)量的并不是原始的載頻信號(hào)，也是需要經(jīng)過(guò)混頻，將測(cè)量信號(hào)降頻后生成中頻信號(hào)，再進(jìn)行測(cè)量。那么，問(wèn)題來(lái)了，什么是混頻？和誰(shuí)進(jìn)行混頻？

混頻是指將相信號(hào)從一個(gè)頻率變換到另外一個(gè)頻率的過(guò)程，它是頻譜線性搬移的過(guò)程。

在射頻里用來(lái)混頻的射頻器件我們稱做混頻器，它需要一個(gè)射頻輸入信號(hào)和一個(gè)本振信號(hào)，通過(guò)將兩個(gè)信號(hào)相乘產(chǎn)生新的混頻信號(hào)，也就是我們這里所說(shuō)的中頻信號(hào)。

通信里的一切都是建立在數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上的，這里我們可以通過(guò)三角函數(shù)的積化和差來(lái)理解混頻。我們可以我們假設(shè)Y是射頻輸入信號(hào)，L是本振信號(hào)：

我們將兩個(gè)信號(hào)相乘，也就是混頻：

通過(guò)上面的公式我們可以看出，兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器混頻后會(huì)生成兩信號(hào)頻率之和、差的信號(hào)，也就是信號(hào)發(fā)生了頻譜搬移。

混頻器示意圖

雖然上面是通過(guò)實(shí)信號(hào)進(jìn)行推導(dǎo)，但是對(duì)于復(fù)信號(hào)也是同樣的道理，這里先不做展開(kāi)。

回到本文正題，對(duì)于頻譜分析儀的混頻功能，就需要兩個(gè)關(guān)鍵器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，混頻器和本地振蕩器，頻譜分析儀將接受到射頻信號(hào)和本地振蕩器生成的本振信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器進(jìn)行混頻產(chǎn)生中頻信號(hào)，以便于下一級(jí)信號(hào)處理。

3 中頻濾波器（IF Filter）

射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻之后，生成的中頻信號(hào)才是我們想要的信號(hào)，混頻前的信號(hào)是我們不想看到的，那么是不是加上一個(gè)低通濾波器就可以了呢？然而，對(duì)于混頻器而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中是由非線性器件組成，因此，射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻后也有交調(diào)和干擾信號(hào)的產(chǎn)生。因此，為了準(zhǔn)確分辨出中頻信號(hào)，通常需要一個(gè)帶寬足夠窄的濾波器來(lái)分離頻率間隔很近的信號(hào)，這就是中頻濾波器，它可以抑制帶寬之外的其他信號(hào)。

我們?cè)谑褂妙l譜分析儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)，經(jīng)常會(huì)調(diào)整一個(gè)重要的參數(shù)RBW（分辨率帶寬），它實(shí)際上就是對(duì)應(yīng)這里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(diào)整RBW的大小往往會(huì)對(duì)頻譜有一定的影響，RBW的值越小，頻譜圖形越細(xì)致，同時(shí)低噪也越低。

RBW

RBW

不過(guò)，測(cè)試時(shí)間也會(huì)相應(yīng)變長(zhǎng)。一般根據(jù)實(shí)際情況選擇一個(gè)合適值進(jìn)行設(shè)置即可。

4 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(lái)思考這樣一個(gè)問(wèn)題。如果我們測(cè)量的是帶寬信號(hào)，由于中頻濾波器是一個(gè)窄帶濾波器，要測(cè)量到每個(gè)頻率信號(hào)，我們就需要對(duì)每個(gè)頻率上都加上這么一個(gè)窄帶濾波器。實(shí)際上，這種做法是非常不現(xiàn)實(shí)的。

如果要對(duì)帶寬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，為了使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，我們可以保持中頻不動(dòng)，通過(guò)改變本振頻率將中頻固定在某個(gè)頻率上，這樣中頻信號(hào)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(lái)控制本地振蕩器輸出的頻率，從而實(shí)現(xiàn)將不同頻率的信號(hào)轉(zhuǎn)換成相同頻率的中頻信號(hào)。掃描帶寬是可以由我們自己來(lái)設(shè)置的，它對(duì)應(yīng)的就是頻譜分析儀上的參數(shù)Span，也對(duì)應(yīng)著測(cè)量的頻率范圍，也就是頻譜分析儀屏幕上對(duì)應(yīng)的頻率帶寬。除了帶寬之外，我們還需要明確起始頻率（Start Frequency）或終止頻率（Stop Frequency），這樣才能把測(cè)試范圍確定下來(lái)。當(dāng)然，在儀器使用時(shí)，我們是不需要再根據(jù)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(shí)際的測(cè)試頻譜的起止頻率進(jìn)行設(shè)置，儀器自身自然會(huì)做相應(yīng)的調(diào)整生成對(duì)應(yīng)的本振頻率。

一般頻譜分析儀無(wú)外乎都有Zero Span、Full Span和自定義Span的這幾種Span形式。Zero Span對(duì)應(yīng)的是信號(hào)的時(shí)域情況，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候的掃頻帶寬是0，測(cè)量結(jié)果顯示的是對(duì)應(yīng)中心頻點(diǎn)的時(shí)域結(jié)果，也就是類似示波器的功能。Full Span也很好理解，它對(duì)應(yīng)的是測(cè)量的滿帶寬測(cè)量范圍，當(dāng)然，由于硬件的限制這個(gè)滿帶寬不是無(wú)限的，不同的儀器有不同的范圍，大家在使用不同型號(hào)的頻譜分析儀可以關(guān)注一下。自定義Span是我們常用的一種測(cè)試形式，為了更好的測(cè)試和觀察被測(cè)信號(hào)，我們通常需要根據(jù)測(cè)試信號(hào)和測(cè)試需求來(lái)確定測(cè)試的頻率范圍，這時(shí)我們就可以通過(guò)自定義的種方式進(jìn)行設(shè)置，一般的我們?cè)O(shè)置好了中心頻點(diǎn)之后，再設(shè)置一個(gè)Span帶寬即可，頻率分析儀會(huì)自動(dòng)調(diào)整起止頻率。當(dāng)然，我們也可以自己手動(dòng)調(diào)整起止頻率。

5 檢波器

在現(xiàn)代的頻譜分析儀屏幕一般采用的數(shù)字液晶屏，數(shù)據(jù)的顯示只能通過(guò)離散的像素點(diǎn)來(lái)描述。相比高頻信號(hào)這些離散的像素點(diǎn)也顯得十分有限而不能完全描述一個(gè)信號(hào)。因此，這里還需要對(duì)原始信號(hào)通過(guò)算法進(jìn)行抽點(diǎn)，所謂抽點(diǎn)就是將實(shí)際信號(hào)劃分成多個(gè)片段，在將這些片段通過(guò)某種算法得出一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示這個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值，最后將這些像素值顯示到屏幕上，它們代表了信號(hào)的最終測(cè)試結(jié)果，這個(gè)過(guò)程我們稱做檢波，經(jīng)過(guò)檢波之后的信號(hào)我們稱作檢波包絡(luò)信號(hào)。

一般頻譜分析儀都有下面這幾種檢波的方式，檢波方式差別主要體現(xiàn)算法上的不同。

最大峰值檢波：選取對(duì)應(yīng)片段里的最大值。

最小峰值檢波：選取其中的最小值。

自動(dòng)峰值檢波：同時(shí)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：將對(duì)應(yīng)片段中的點(diǎn)，取其均方根（RMS）運(yùn)算后的值。

平均值檢波器：將對(duì)應(yīng)片段中點(diǎn)，取其平均值。

對(duì)于最大峰值檢波、最小值峰值檢波、自動(dòng)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，忽略了噪聲隨機(jī)性，它們就不能很好的反映實(shí)際的噪聲情況。而取樣檢波則可以很好的反映噪聲隨機(jī)性，但是其弊端是對(duì)于信號(hào)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(diǎn)做運(yùn)算而取出一個(gè)點(diǎn)，所以，相對(duì)來(lái)說(shuō)它們更能很好代表這個(gè)片段中所有點(diǎn)的特性。

在平時(shí)測(cè)試測(cè)量中，我們根據(jù)測(cè)試的實(shí)際情況選擇相應(yīng)的檢波方式即可。

6 視頻濾波器（Video Filter）

經(jīng)過(guò)檢波之后，檢波包絡(luò)信號(hào)將進(jìn)入視頻濾波器（Video Fileter），視頻濾波器是一個(gè)低通濾波器，其作用主要是用來(lái)平滑噪聲顯示的。在頻譜分析儀中，有個(gè)視頻帶寬(Vedio bandwidth)的設(shè)置，我們可以通過(guò)減小視頻帶寬（VBW）對(duì)頻譜顯示的噪聲進(jìn)行平滑處理，這對(duì)小信號(hào)的顯示非常有幫助。

VBW

然而，VBW的設(shè)置也不是隨便設(shè)置的，它跟RBW的設(shè)置有關(guān)，否則，將會(huì)影響信號(hào)測(cè)試的準(zhǔn)確性。一般情況下，當(dāng)我們改變RBW時(shí)，VBW的默認(rèn)缺省值等于RBW。

通常，VBW和RBW的大小關(guān)系，跟下面幾種信號(hào)類型有所不同。

正弦信號(hào)

脈沖信號(hào)

隨機(jī)信號(hào)

對(duì)于正弦信號(hào)，一般VBW使用默認(rèn)缺省值即可，即VBW等于RBW，如果測(cè)量的信號(hào)過(guò)小，可以適當(dāng)減小VBW平滑噪聲，這時(shí)VBW是小于RBW。如果是脈沖信號(hào)有些不同，為了過(guò)得更精確的測(cè)試值，往往需要設(shè)置較大的VBW，這時(shí)VBW是大于RBW的。

還有一些隨機(jī)信號(hào)，因?yàn)殡S機(jī)信號(hào)具有隨機(jī)變化性，頻譜每次掃描時(shí)的信號(hào)也都是隨機(jī)的，所以，為了顯示更加平滑，我們需要設(shè)置一個(gè)較窄的VBW值，也就是這時(shí)VBW的是小于RBW的。比如，VBW和RBW的比值是1：100甚至1：1000。

7 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

上面我們說(shuō)過(guò)現(xiàn)在大多數(shù)的頻譜分析儀也有一些數(shù)字化能力，在視頻濾波器之后加了ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的功能，可以提高儀器的測(cè)試能力，通過(guò)算法處理可以用來(lái)測(cè)試各種復(fù)雜制式的信號(hào)，測(cè)試速度和測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍也大大提高。

相信大家平時(shí)使用儀器的時(shí)候經(jīng)常會(huì)遇到IF Overload的報(bào)錯(cuò)，它是由于待測(cè)信號(hào)高于參考電平（Reference?Level）導(dǎo)致，這里的參考電平實(shí)際上就是ADC的最大電壓值。因此，當(dāng)參考電平設(shè)置的不準(zhǔn)確的時(shí)候，測(cè)量值也會(huì)不太準(zhǔn)確。不過(guò)，為了便于理解，我們也可以將參考電平當(dāng)作屏幕上能顯示的最大值。一般的我們可以將Reference Level的設(shè)置值比實(shí)際信號(hào)大10dB左右。

8 最后

無(wú)論什么型號(hào)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后，相信大家會(huì)更加熟悉各種型號(hào)的頻譜分析的使用，以及在測(cè)試各種環(huán)境下的信號(hào)時(shí)，只有理解了原理才能更加準(zhǔn)確合理的設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，便于測(cè)出我們想要測(cè)試的信號(hào)。趕快用你的頻譜分析儀，嘗試起來(lái)吧！

編輯：黃飛

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