频谱分析就是测量信号的各频率、相位和正弦波频谱

定义

频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器。用于测量信号失真、调制、频谱纯度、频率稳定性和互调失真等信号参数。它可用于测量电路系统的某些部分，例如放大器和滤波器。是一种多用途的电子测量仪器。

频谱分析概念

对于时域的周期函数，可以将非正弦波（如周期方波）分解为不同频率的正弦波的叠加。对于单一频率的正弦波，基波和谐波仍然可以分解，真正纯正的正弦波是不存在的。对于时域中的非周期连续时间信号，可以认为是无限周期的周期连续信号。频谱分析是测量信号的频率分量，分析信号由哪些不同频率、相位和幅度的正弦波组成。信号的频谱分析包括对信号所有频率特性的分析，如幅度谱、相位谱、能谱、功率谱等的测量，

常见信号有两种基本类型的频谱：

(1)离散谱，图形是线性的，也称为线性谱。谱线之间的间隔相等，每条谱线代表各个频率分量的幅值。各种周期信号由基频和频率组成它由基频整数倍的谐波组成，因此它的频谱是离散的。

（2)连续谱可以看成是连续谱，因为谱线无限小。非周期信号和各种随机噪声的谱都是连续谱，即在被测的整个频率范围内都有频率分量。

频率分析的特点

1、时域是唯一客观存在的域，频域是遵循特定规律的虚幻数学范畴。

2、一些时域比较复杂的波形，在频域可能会显示的比较简单。

实际的频谱仪通常只给出幅度谱和功率谱，而不是直接给出相位谱，所以当两个信号的基波幅度相同时，二次谐波的幅度也相同，但基波波和二次谐波也是一样的。当相位差不相等时，频谱仪观察到的两个信号是相同的，而示波器观察到的两个波形是完全不同的。图(a)中波形①和波形②相位相同，(b)中波形①和②的相位差为180°。

3、对于失真很小的信号，示波器很难定量分析失真程度，如图（a）所示。但频谱分析仪可以直接给出信号的基波和各次谐波的定量结果，谱线数量清晰，如图（b）所示。

4、对确定的信号进行傅里叶变换，将时域信号分解为正余弦曲线的叠加，完成信号从时域到频域的转换，变换结果为幅度谱或相位谱。随机信号没有傅里叶变换，只估计一些样本函数的统计特征值，如均值、方差等，并对其进行功率谱分析。

频谱分析仪的分类

1、按信号分析处理方式分类

根据频谱分析仪的分析处理方式，可分为模拟频谱分析仪、数字频谱分析仪、模拟/数字混合频谱分析仪。

模拟频谱分析仪是在模拟滤波器的基础上，通过滤波器实现信号中各个频率分量的分离，主要用于射频和微波频段。

数字频谱分析仪基于数字滤波器或 FFT。数字频谱分析仪精度高，性能灵活。它受数字系统工作频率的限制，主要用于低频和超低频段。

2、按实时信号处理分类

根据频谱分析仪对信号处理的实时性分类，可分为实时频谱分析仪和非实时频谱分析仪。

实时和非实时分类方法主要针对频率较低或频带覆盖范围窄的频谱分析仪。所谓“实时”并不意味着时间快。实时分析应达到的速度与分析信号的带宽和所需的频率分辨率有关。一般认为，实时分析是指在长度为T的时间段内，以1/T的频率分辨率完成频谱分析的能力；或者待分析信号的带宽小于仪器可以同时分析的最大带宽。显然，只讨论一定频率范围内的实时分析是可行的：在这个范围内，数据分析速度与数据采集速度相匹配，不会出现数据积压现象，实时分析；如果要分析的信号带宽超出此范围，则分析变为非实时。

3、按频谱仪的频率轴刻度类型分类

根据频谱分析仪的频率轴刻度类型，可分为等带宽分析频谱分析仪和等百分比带宽分析频谱分析仪。

恒带宽分析仪的频率轴为线性刻度，信号的基频分量和各次谐波分量等间隔排列在频谱上，适用于周期信号分析和波形失真分析。等百分比带宽分析仪的频率轴采用对数刻度，可覆盖较宽的频率范围，并能兼顾高低频段的频率分辨率，适用于类噪声的广谱随机分析信号。现在很多数字频谱分析仪可以实现不同带宽的FFT分析和两种频率标度的显示，所以这种分类不适用于数字频谱分析仪。

另外，按工作频段可分为高频频谱分析仪、低频频谱分析仪、射频频谱分析仪、微波频谱分析仪等；按基本工作原理可分为扫描频谱分析仪和非扫描频谱分析仪。

频谱分析仪的工作原理

1、模拟频谱分析仪

(1)并行滤波实时频谱分析仪

并行滤波实时频谱分析仪又称多通道滤波频谱分析仪，其框图如下图所示。信号同时加入多个通带相连的带通滤波器，同时检测各个频率，并通过电子开关依次显示在荧光屏上，实现实时测量. 这种频谱分析仪不仅可以分析周期信号和随机信号，还可以分析瞬时信号。

(2)块滤波器型频谱分析仪

块滤波器型频谱分析仪也称为顺序滤波器型频谱分析仪，其框图如下图所示。与并行滤波实时频谱分析仪不同的是，在探测器前增加了电子开关，减少了探测器的数量。过滤后的信号由普通检测器检测并发送到荧光屏，这是一种非实时测量。

并行滤波实时频谱分析仪和分级滤波频谱分析仪受滤波器数量和带宽的限制，这类频谱分析仪常用于等百分比带宽的低频频谱分析仪。

(3)外差频谱分析仪

外差式频谱分析仪利用外差式接收机的原理，将本振产生的变频扫描信号与被分析信号进行频率差，将差频得到的固定中频信号送到窄频带滤波器。电路进行测量和分析，依次得到被测信号不同频率分量的幅值信息。外差式频谱分析仪框图如下图所示：

由于差频频率是固定的，放大器的增益带宽积是恒定的，窄带中频放大器可以获得高增益，因此外差式频谱分析仪具有频率范围宽、灵敏度高、频率分辨率可变等优点。几乎所有的频谱分析仪都是外差的。

2、数字频谱分析仪

(1)数字滤波器实时频谱分析仪

数字滤波器实时频谱分析仪框图如下图所示。只需一个数字滤波器就可以组成一台实时频谱分析仪，相当于模拟频谱分析仪中的并行滤波方法。由于数字滤波器的优越性能，可以实现频分和时分复用带通滤波器截止频率 db，完成频谱测量。同时，数字滤波器的输出是一个序列数字量，因此可以进行数字平方检测和均方运算，大大提高了检测精度和动态范围。这种方法受限于数字设备资源，无法设置足够的数字滤波器来实现高频率分辨率和高扫描宽度。

(2)快速傅里叶频谱分析仪

快速傅里叶频谱分析仪的框图如下图所示。其核心技术是傅里叶变换（FFT分析），得到被分析信号的离散谱，然后对其进行平方得到功率谱。根据采样定理：最小采样率应大于或等于采样信号最高频率的两倍，因此快速傅里叶频谱分析仪的工作频率一般在低频范围内，已成为主要方法低频频谱分析。

(3)数字外差频谱分析仪

数字外差频谱分析仪集外差扫描、数字信号处理和实时分析技术于一体，采用数字可编程器件实现模拟外差频谱分析仪中的各个模块。其框图如下图所示。输入信号经过高速A/D转换送入处理器，在硬件乘法器中与数字荧光示波器产生的本振扫频信号混合。变频后的信号分别进入低通数字滤波器，提取滤波后的信号幅值。，结合当前频率在显示屏上显示信号频谱。

与模拟外差频谱分析仪相比，数字外差频谱分析仪不仅测量速度快，而且可以存储和分析频谱信号。与傅里叶频谱分析仪和数字滤波器频谱分析仪相比，数字外差频谱分析仪只使用了固定截止频率的低通滤波器，既节省资源又节省大容量内存。在保证系统精度的前提下，提高系统集成度。

频谱分析仪的主要性能指标

不同品种的频谱分析仪具有不同的技术参数。对用户来说，主要了解频率范围、扫描宽度、扫描时间、测量范围、灵敏度、分辨率和动态范围。

1、频率范围

频率范围是指频谱分析仪能够达到规定性能的最大频率范围。现代频谱分析仪的频率范围通常从低频段到射频频段和微波频段，如0.15~1 050 MHz、30 Hz~26.5 GHz。“频率”是指中心频率，即显示频谱宽度中心的频率。

2、扫描宽度

扫宽，又称分析频谱宽度、跨度宽度、频率范围、频谱跨度等带通滤波器截止频率 db，是指频谱分析仪在一次分析过程中所显示的频率范围。扫描宽度与分析时间的比值就是扫描速度。

3、扫描时间

扫描时间，也称为分析时间，是指在整个频率范围内执行扫描并完成测量所需的时间。一般测量速度越快越好，也就是扫描时间越短越好，但扫描时间与很多因素有关，如果太小，会影响测量精度。目前，很多频谱仪都有多个扫描时间可供选择，要选择合适的扫描时间进行测量。

4、测量范围

测量范围是指在任何环境下可以测量的最大信号和最小信号之间的间隔。可测信号上限由安全输入电平决定（参考值30dBm(1W)），可测信号下限由灵敏度决定（参考值-135~-115） dBm），与频谱仪的最小分辨率带宽有关，由下式决定，测量范围的参考值为145~-165 dBm。

5、灵敏度

灵敏度是指频谱仪测量微弱信号的能力，定义为在幅度满量程显示时输入信号的最小电平值。灵敏度与扫描速度有关。扫描速度越快，动态幅频特性的峰值越低，灵敏度越低。

6、分辨率

分辨率是指分辨光谱中两个相邻组分之间的最小谱线间距，表征仪器区分两条靠得很近的谱线的能力。频谱仪显示的每条谱线其实就是窄带滤波器的动态幅频特性曲线，所以频谱仪的分辨率主要取决于窄带滤波器的通带宽度，所以定义幅频的3dB带宽窄带滤波器的特性是频谱。仪器的分辨率。显然，如果窄带滤波器的 3dB 带宽过宽，两条谱线都可能落入滤波器的通带。此时，频谱分析仪无法区分这两种成分。

7、动态范围

动态范围是指同时出现在输入端的两个信号之间可以以指定精度测量的最大差异。动态范围的上限会受到非线性失真的影响。频谱仪的幅度有两种显示方式：线性和对数。对数显示的优点是可以在有限的屏幕和有效高度范围内获得较大的动态范围。频谱分析仪的动态范围一般在60dB以上，有的可以达到100dB以上。频谱分析仪动态范围如下图所示：

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