詳解頻譜分析儀的工作原理

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

如果將頻譜分析儀進行分類，我們最?？吹降姆诸愑袃煞N類型，FFT分析儀和超外差式分析儀。實際上，現(xiàn)在廣泛使用的頻譜分析儀其實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，其原理就是直接對時域進行傅立葉變換，這需要對信號進行采樣得到一組離散數(shù)據(jù)，并對其進行算法分析處理。我們知道采樣定理需要采樣頻率大于2倍的信號頻率，對于高頻信號這將會對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分析。

為了滿足高頻信號的測量，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"，就是通過本振信號和輸入信號進行混頻，產(chǎn)生特定頻率的一個信號。超表示將信號變換為超音頻，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。這里的阿姆斯特朗可不是那位登月的兄弟哈。他是一位無線電早期的專家，發(fā)明了無線電調(diào)頻的方法，對無線電的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。

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)用于高頻信號接收機中。在我們身邊也常見到很多接收機的例子，比如，收音機、GPS、衛(wèi)星電視接收機等等這些都屬于接收機。收音機的工作原理和頻譜分析儀類似，我們可以通過收音機來初步的認識頻譜分析儀，收音機作用是通過將接收到廣播電臺發(fā)射的電磁波轉(zhuǎn)化成我們?nèi)硕梢月牭降穆曇?。實際上，這里并不是直接將接收到的電磁波直接轉(zhuǎn)成電磁波，而是通過載波放大，混頻，中頻放大，檢波，音頻放大，功放，揚聲器發(fā)出聲音等一系列過程。與收音機類似，頻譜分析儀也有一系列復(fù)雜的過程。

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

從上面的圖我們可以看到，射頻信號先通過衰減器，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，數(shù)據(jù)計算，圖形顯示等一系列過程，下面我們依次來學(xué)習(xí)這些過程。

衰減器

基本上頻譜分析儀的信號接收端都會設(shè)計一個衰減器，這樣將有效的防止信號過大而損壞儀器內(nèi)的器件。這個衰減器一般都是可調(diào)的，在測量時我們可以根據(jù)需要選擇一個合適衰減值，不過，這里的衰減作頻譜分析儀內(nèi)部的衰減，我們不需要再進行單獨的換算，屏幕顯示的測量值已經(jīng)對這里的衰減做了換算處理。當(dāng)然，這個衰減器并不是萬能的，因為，它并不是無限的衰減，當(dāng)然，也沒有無限大小的衰減器，通常如果測試的信號過大，我們還需要外接一個衰減器，對于外接的衰減器，我們需要進行一定的換算處理。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際的測量值。當(dāng)然我們大可不必這樣自己去換算，實際上我們可以通過設(shè)置頻譜分析儀的Ref level offset參數(shù)將這個衰減值補償進頻譜分析儀里，這個參數(shù)我們可以理解為外部的校準(zhǔn)值。這時屏幕的顯示值就是我們的測量值了。這種方法在測試測量中極為方便，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儀器的安全，但是，這也帶來了一個弊端，設(shè)置衰減之后輸入信號的減小而降低了信噪比，這將會對測試靈敏度產(chǎn)生一定的影響。

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

混頻和混頻器（Mixer）

與收音機的原理類似，超外差式的頻譜分析儀實際測量的并不是原始的載頻信號，也是需要經(jīng)過混頻，將測量信號降頻后生成中頻信號，再進行測量。那么，問題來了，什么是混頻？和誰進行混頻？

混頻是指將相信號從一個頻率變換到另外一個頻率的過程，它是頻譜線性搬移的過程。

在射頻里用來混頻的射頻器件我們稱做混頻器，它需要一個射頻輸入信號和一個本振信號，通過將兩個信號相乘產(chǎn)生新的混頻信號，也就是我們這里所說的中頻信號。

通信里的一切都是建立在數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上的，這里我們可以通過三角函數(shù)的積化和差來理解混頻。我們可以我們假設(shè)Y是射頻輸入信號，L是本振信號：

我們將兩個信號相乘，也就是混頻：

通過上面的公式我們可以看出，兩個信號經(jīng)過混頻器混頻后會生成兩信號頻率之和、差的信號，也就是信號發(fā)生了頻譜搬移。

雖然上面是通過實信號進行推導(dǎo)，但是對于復(fù)信號也是同樣的道理，這里先不做展開。

回到本文正題，對于頻譜分析儀的混頻功能，就需要兩個關(guān)鍵器件來實現(xiàn)，混頻器和本地振蕩器，頻譜分析儀將接受到射頻信號和本地振蕩器生成的本振信號經(jīng)過混頻器進行混頻產(chǎn)生中頻信號，以便于下一級信號處理。

中頻濾波器（IF Filter）

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

我們在使用頻譜分析儀進行測試時，經(jīng)常會調(diào)整一個重要的參數(shù)RBW（分辨率帶寬），它實際上就是對應(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的大小往往會對頻譜有一定的影響，RBW的值越小，頻譜圖形越細致，同時低噪也越低。

不過，測試時間也會相應(yīng)變長。一般根據(jù)實際情況選擇一個合適值進行設(shè)置即可。

掃描器（Sweep Generator）

上面了解了混頻器、本地振蕩器、中頻濾波器，我們來思考這樣一個問題。如果我們測量的是帶寬信號，由于中頻濾波器是一個窄帶濾波器，要測量到每個頻率信號，我們就需要對每個頻率上都加上這么一個窄帶濾波器。實際上，這種做法是非常不現(xiàn)實的。

如果要對帶寬信號進行測量，為了使設(shè)計更加簡單，我們可以保持中頻不動，通過改變本振頻率將中頻固定在某個頻率上，這樣中頻信號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，掃描器可以用來控制本地振蕩器輸出的頻率，從而實現(xiàn)將不同頻率的信號轉(zhuǎn)換成相同頻率的中頻信號。掃描帶寬是可以由我們自己來設(shè)置的，它對應(yīng)的就是頻譜分析儀上的參數(shù)Span，也對應(yīng)著測量的頻率范圍，也就是頻譜分析儀屏幕上對應(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），這樣才能把測試范圍確定下來。當(dāng)然，在儀器使用時，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，直接以實際的測試頻譜的起止頻率進行設(shè)置，儀器自身自然會做相應(yīng)的調(diào)整生成對應(yīng)的本振頻率。

一般頻譜分析儀無外乎都有Zero Span、