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深入探索频谱分析仪的架构基础与工作原理

　　从基础技术的角度考虑，频谱分析仪可以理解成为一种具有频率选择性、峰值检测的电压表，它经过校准之后显示正弦波的有效值。值得注意的是，尽管我们常用频谱分析仪来直接显示功率，但它毕竟不是功率计。当然，当我们知道了正弦波的某个值(例如峰值或平均值)和测量这个值时所用的电阻值就能够计算出信号的功率。

　　频域对时域

　　在介绍频谱分析仪之前，也许有读者会问:"什么是频谱?为何要对它进行分析?"我们已经习惯于用时间作为参照，来记录某时刻发生的事件。这种方法当然也适用于电信号。于是可以用示波器来观察某个电信号(或过适当传感器能转换成电压的其他信号)的瞬时值随时间的变化，也就是在时域中用示波器观察信号的波形。然而，傅立叶理论告诉我们，时域中的任何电信号都可以由一个或多个具有适当频率、适当幅度和适当相位的正弦波叠加而成。换言之，任何时域信号都可以变换成相应的频域信号，通过频域测量可以得到信号在某个特定频率上的能量值。通过适当的滤波，我们能将图1-1中的波形分解成若干个独立的正弦波或频谱分量，然后就可以对它们进行单独分析。每个正弦波都用幅度和相位加以表征。某些测量场合要求我们考察信号的全部信息：频率、幅度和相位，然而，即便不知道各正弦分量间的相位关系，我们也同样能实施许多的信号测量，这种分析信号的方法称为信号的频谱分析。频谱分析更容易了解信号且非常实用。

　　为了正确地从时域变换到频域，理论上必须涉及信号在整个时间范围(即在正负无穷大的范围内)的各时刻的值，不过在实际测量时我们通常只取一段有限的时间长度。按照傅立叶变换理论，信号同样也可以从频域变换到时域，当然，这涉及理论上在正负无穷大的频率范围内对信号的所有频谱分量值作出估计。实际上，在有限带宽内进行的测量获取了信号的大部分能量，其结果是令人满意的。

复合时域信号

　　▲图1-1复合时域信号

　　什么是频谱

　　频谱是一组正弦波经适当组合后，形成被考察的时域信号。图1-1显示了一个复合信号的波形。假定我们希望看到的是正弦波，但显然图示信号并不是纯粹的正弦形，而仅靠观察又很难确定其中的原因。图1-2同时在时域和频域显示了这个复合信号。频域图形描绘了频谱中每个正弦波的幅度随频率的变化情况。如图所示，在这种情况下，信号频谱正好由3个正弦波组成。现在我们便知道了为何原始信号不是纯正弦波，因为它还包含了另外2个正弦分量，在这种情况下是二次谐波和三次谐波。既然如此，时域测量是否过时了呢?答案是否定的。时域测量能够更好的适用于某些测量场合，而且有些测量也只能在时域中进行。例如纯时域测量中所包括的脉冲上升和下降时间、过冲和振铃等。

时域信号和频域信号的关系

　　▲图1-2时域信号和频域信号的关系

　　为什么要测量频谱？

　　我们已经在图1-1和1-2看到的，频域测量更适于确定信号的谐波分量。在无线通信领域，人们非常关心带外辐射和杂散辐射。例如在蜂窝通信系统中，必须检查载波信号的谐波成分，以防止对其他有着相同工作频率与谐波的通信系统产生干扰。工程师和技术人员对调制到载波上的信息的失真也非常关心。三阶交调(复合信号的两个不同频谱分量互相调制)产生的干扰相当严重，因为其失真分量可能直接落入分析带宽之内而无法滤除。频谱监测是频域测量的又一重要领域：政府管理机构对各种各样的无线业务分配不同的频段，例如广播电视、无线通信、移动通信、警务和应急通信等其他业务，保证不同业务工作在其被分配的信道带宽内是至关重要的，通常要求发射机和其他辐射设备应工作于紧邻的频段。在这些通信系统中，针对功率放大器和其他模块的一项重要测量是检测溢出到邻近信道的信号能量以及由此所引起的干扰。另外，任何有源电路或器件都会产生额外噪声，我们经常用频谱对噪声进行测量，通过噪声系数和信噪比(SNR)能够描述器件的性能及其对总体系统性能的影响。

　　频谱仪发展历史

　　频谱仪是一种用于测量和分析信号频率和幅度的仪器，其发展历史可以追溯到20世纪初期。主要分为以下几个阶段：

　　一、早期频谱仪

　　在19世纪末20世纪初期，频谱仪最初是由物理学家和工程师用于测量和分析电磁波的频率和相位的仪器。最早的频谱仪是基于克鲁克斯管(Kerr管)和威尔逊管(Weber管)的设计，这些管子都是真空管，可以用来检测和测量电磁波的频率和相位。

　　在20世纪初期，随着电子学的发展和技术的进步，频谱仪的设计和应用也得到了极大的发展。其中最著名的是约翰·汤姆森(John Joule)和威廉·维恩(William Violet)发明的质谱仪(Mass Analyzer),这种仪器可以用来测量分子的质量和组成。质谱仪的发明为频谱仪的发展奠定了基�。蛭灯滓呛椭势滓嵌际怯美捶治龊筒饬啃藕诺囊瞧�。

　　二、现代频谱仪

　　在20世纪50年代和60年代，频谱仪的设计和应用得到了进一步的发展。此时，频谱仪开始广泛应用于通信、声学、光学和核物理学等领域。现代频谱仪通常由放大器、混频器、滤波器、检测器和控制器等部分组成，具有高精度、高速度和高可靠性等特点。

　　三、未来频谱仪

　　在未来，频谱仪的发展将更加注重智能化、自动化、高精度、高灵敏度、低噪声、大带宽等方向发展。

　　主流的频谱分析仪

　　最初的扫描调谐超外差分析仪仅能测量信号幅度。随着技术的不断发展和通信系统的日益复杂，相位在测量中的地位越来越重要。通过对信号进行数字化，在经过一级或多级频率转换后，信号中的相位和幅度信息可以得到保留和显示出来。因此当前的信号分析仪(例如KSW-VSA)综合了模拟、矢量和FFT(快速傅立叶变换)分析仪的特点。为了进一步改进功能，KSW-VSA还融入了实时FFT分析、脉冲分析、LTE等协议信号解调和分析；另外，KSW-VSA系列信号分析仪还融合了计算机，并配有高带宽、大容量的SSD固态硬盘，可对原始信号进行存储和后期分析。其他市面上主流的信号分析仪还有R&S的FSW系列及Keysight的N932X系列。

KSW-VSA系列频谱分析仪

　　▲图1-1 KSW-VSA系列频谱分析仪

　　频谱分析仪原理

　　图2-1是一个超外差频谱分析仪的简化框图。"外差"是指混频，即对频率进行转换;而"超"是指超过音频频率或高于音频的频率范围。从图中我们看到，输入信号先经过一个衰减器，再经低通滤波器到达混频器，然后与来自本振(LO)的信号相混频。由于混频器是非线性器件，其输出除了包含两个原始信号之外，还包含它们的谐波以及原始信号与其谐波的和信号与差信号。若任何一个混频信号落在中频(IF)滤波器的通带内，它都会被进一步处理(被放大可能还有按对数压缩)。其重要的处理过程有包络检波、数字化以及显示。斜波发生器在屏幕上产生从左到右的水平移动，同时它还对本振进行调谐，使本振频率的变化与斜波电压成正比。频谱分析仪的输出是屏幕上的X-Y轨迹，屏幕上由10个水平网格和10个垂直网格组成的标度盘上。横轴表示频率，其标度值从左到右线性增加。频率设置通常分为两步:先通过中心频率控制将频率调节到标度盘的中心线上，然后通过频率扫宽控制再调节横跨10个网格的频率范围(扫宽)。这两个控制是相互独立的，所以改变中心频率时，扫宽值并不改变。另外，我们可以采用设置起始频率和终止频率的方式来代替设置中心频率和扫宽的方式。不管是哪种情况，我们都能确定任意被显示信号的绝对频率和任何两个信号之间的相对频率差。纵轴表示功率或幅度，可以选用以电压定标的线性标度或以分贝(dB)定标的对数标度。对数标度比线性标度更经常使用，因为它能反映出更大的数值范围。图2-2是一个典型的频谱分析仪的显示。

典型超外差频谱分析仪的结构框图

　　▲图2-1.典型超外差频谱分析仪的结构框图

典型的频谱分析仪的显示

　▲图2-2典型的频谱分析仪的显示

　　射频衰减器

　　分析仪的第一部分是射频输入衰减器。它的作用是保证信号在输入混频器时处在合适的电平上，从而防止发生过载、增益压缩和失真。由于衰减器是频谱仪的一种保护电路，所以它通常是基于参考电平值而自动设置，不过也能以10 dB、5 dB、2 dB、1 dB的步进来手动选择衰减值。

　　低通滤波器或预选器

　　低通滤波器的作用是阻止高频信号到达混频器。从而可以防止带外信号与本振信号相混频，从而在中频产生额外多余的频率响应。微波频谱分析仪用预选器代替了低通滤波器，预选器是一种可调滤波器，能够滤掉我们所关心的频率以外的其他频率上的信号。在后续的文章中，我们将详细介绍对输入信号进行过滤的目的和方法。

　　分析仪调谐

　　我们需要知道怎样将频谱仪的输入信号调谐至我们所希望的频率范围。调谐取决于中频滤波器的中心频率、本振的频率范围和允许外界信号到达混频器(允许通过低通滤波器)的频率范围。从混频器输出的所有信号分量中，有两个具有最大幅度的信号是我们最想得到的，它们是由本振与输入信号之和以及本振与输入信号之差所产生的信号分量。如果我们能使想观察的信号比本振频率高或低一个中频，则所希望的混频分量之一就会落入中频滤波器的通带之内，随后会被检波并在屏幕上产生幅度响应。在实际实现上，由于很难实现滤波器矩形系数接近为1.0的滤波器，一般把输入信号通过2~4级混频后才到达中频信号，如图2-3所示。在后续的文章中，我们将详细介绍频谱分析仪的调谐方法和分析。

频谱分析仪多次混频实现框图

　　▲图2-3频谱分析仪多次混频实现框图

　　中频增益

　　再看图2-1的中频增益控制器，它用来调节信号在显示器上的垂直位置而不会影响信号在混频器输入端的电平。当中频增益改变时，基准电平值会相应的变化以保持所显示信号指示值的正确性。通常情况下，我们希望在调节输入衰减时基准参考电平保持不变，所以射频输入衰减器和中频增益的设置是联动的。在输入衰减改变时，中频增益会自动调整来抵消输入衰减变化所产生的影响，从而使信号在显示器上的位置保持不变。

　　中频滤波器

　　信号经过中频增益放大器之后，就是由模拟和/或数字分辨率带宽(RBW)滤波器组成的中频滤波部分。顾名思义，该滤波器在频谱分析仪中主要起两个不同频率的信号是否能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异，两个不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪的RBW，此时该两信号将重叠，难以分辨，如图2-4，不同RBW下连个信号在屏幕上的显示，当RBW较大时，很难分辨出两信号。较低的RBW固然有助于不同频率信号的分辨与测量，但是低的RBW将滤除较高频率的信号成份，导致信号显示时产生失真。关于RBW滤波器，我们会在后续的文章中进行详细的分析。

不同RBW下连个信号在屏幕上的显示

　　▲图2-4不同RBW下连个信号在屏幕上的显示

　　包络检波器

　　老式分析仪通常会使用包络检波器将中频信号转换为视频信号（一种频率范围从零赫兹(直流)到由电路元件决定的某个较高频率的信号。频谱仪早期的模拟显示技术用这种信号直接驱动CRT的垂直偏转,因此被称为视频信号）。最简单的包络检波器由二极管、负载电阻和低通滤波器组成，如图2-5所示。

最简单的包络检波器

　　▲图2-5最简单的包络检波器

　　现代数字技术实现的分辨率带宽滤波器不包括模拟的包络检波器，而是用数字处理计算出I、Q两路数据平方和的方根，这在数值上与包络检波器的输出基本相同，另外数字实现的检波器还可以直接输出功率和对数。

数字实现的包络检波器

　　▲图2-6数字实现的包络检波器

　　视频滤波器和轨迹平均

　　当RBW设置比较大时，进入频谱仪的噪声也比较大，信道的抖动比较大，特别是在小信号的时候，为了稳定观察某一信号，频谱仪一般采用平滑方法来处理包络检波器输出幅度的变化。该方法主要是视频滤波和轨迹平均。下面将对它们进行介绍。

　　视频滤波

　　要识别靠近噪声的信号并不只是EMC测量遇到的问题。如图2-7所示，频谱仪的显示是被测信号加上它自身的内部噪声。

频谱仪显示的小信号加噪声

　　▲图2-7频谱仪显示的小信号加噪声

　　为了减小噪声对显示信号幅度的影响，我们常常对显示进行平滑或平均。频谱仪所包含的可变视频滤波器就是用作此目的。它是一个低通滤波器，位于包络检波器之后，并且决定了视频信号的带宽，该视频信号稍后将被数字化以生成幅度数据。此视频滤波器的截止频率可以减小到小于已选定的RBW滤波器的带宽。这时候，视频系统将无法再跟随经过中频链路的信号包络的快速变化，结果就是对被显示信号的平均或平滑，如图2-8所示。

减小VBW对测量的影响

　　▲图2-8减小VBW对测量的影响

　　这种效果在测量噪声时最为明显，尤其是选用高RBW的时候。当减小视频带宽，那么噪声峰峰值的波动变化也随之减小。如图2-9所示，减小的程度(平均或平滑的程度)随视频带宽和分辨率带宽的比值而变。当比值小于或等于0.01时，平滑效果较好，而比值增大时，平滑效果则不太理想。换言之，当VBW>RBW，其对噪声的平滑效果影响不大；反之当VBW

VBW分别为1M（黄）、10K（绿）、1k（红）的平滑效果

　　▲图2-9 VBW分别为1M（黄）、10K（绿）、1k（红）的平滑效果

　　轨迹平均

　　数字显示提供了另一种平滑显示的选择:轨迹平均。这是与使用平均检波器完全不同的处理过程。它通过逐点的两次或多次扫描来实现平均，每一个显示点的新数值由当前值与前一个平均值再求平均得到，即：

? ? ? ?

　　式中：

　　n:当前扫描次数

　　Aavg：新的平均值

　　Aprio_avg：前一次扫描所得的平均值

　　An：当前扫描的值

　　因此，经过若干扫描后显示会渐渐趋于一个平均值。通过设置发生平均的扫描次数，可以像视频滤波那样选择平均或平滑的程度。图2-10a和图2-10b显示了不同扫描次数下获得的轨迹平均效果。尽管轨迹平均不影响扫描时间，但因为多次扫描需要一定的时间，因此要达得期望的平均效果所用的时间与采用视频滤波方式所用的时间大致相同。

　　在大多数场合里无论选择哪种显示平滑方式都一样。如果被测信号是噪声或非常接近噪声的低电平正弦信号，则不管使用视频滤波还是轨迹平均都会得到相同的效果。不过，两者之间仍有一个明显的区别：视频滤波是对信号实时地进行平均，即随着扫描的进行我们看到的是屏幕上每个显示点的充分平均或平滑效果，每个频点只做一次平均或平滑处理。而轨迹平均需要进行多次扫描来实现显示信号的充分平均，且每个频点上的平均处理发生在多次扫描所需的整个时间周期内。所以对于某些信号来说，采用不同的平滑方式会得到截然不同的效果。比如对一个频谱随时间变化的信号采用视频平均时，每次扫描都会得到不同的平均结果。但是如果选择轨迹平均，所得到的结果将更接近于真实的平均值。

采用VBW滤波器的平滑效果图 ? ? ?? 采用平均轨迹的平滑效果

▲图2-10a采用VBW滤波器的平滑效果图? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?▲图2-10b采用平均轨迹的平滑效果

　　显示检波器

　　现代频谱分析仪基本都采用数字显示技术，该技术需要我们确定对每个显示数据点，应该用什么样的值来代表。无论我们在显示器上使用多少个数据点，每个数据点必须能代表某个频率范围或某段时间间隔(尽管在讨论频谱分析仪时通常并不会用时间)内出现的信号。这个过程好似先将某个时间间隔的数据都放到一个信号收集单元(bucket)内，然后运用某一种必要的数学运算从这个信号收集单元中取出我们想要的信息。随后这些数据被放入存储器再被写到显示器上。后续的文章中这里我们将详细讨论几种常用不同类型的检波器（常态、正峰值、负峰值、取样、视频平均、RMS、准峰值、CISP平均，如图2-11）。每个信号收集单元内包含由以下公式决定的扫宽和时间帧的数据:

　　频域:信号收集单元的宽度=扫宽/(轨迹点数–1)

　　时域:信号收集单元的宽度=扫描时间/(轨迹点数–1)

　　不同仪器的采样速率不同，但减小扫宽和/或增加扫描时间能够获得更高的精度，因为任何一种情况都会增加信号收集单元所含的样本数。采用数字中频滤波器的分析仪，采样速率和内插特性按照等效于连续时间处理来设计。

不同类型显示检波器对同一信号显示结果

　　▲图2-11不同类型显示检波器对同一信号显示结果

　　显示

　　频谱仪的最后一个组成部分是显示器，用于显示频谱仪测量到的频率成分。显示器通常是一个频谱图表，可以显示输入信号的频谱，以及用户所设定的参数信息，以帮助用户分析和诊断输入信号。

　　总结

　　本文主要从时域到频域开始引入并介绍频谱仪及其发展史，主要介绍通用频谱分析仪的基础架构及对其信号分析原理，在后续的文章中，我们将较详细介绍现代主流频谱分析仪关键�？榧际踉淼慕樯�、关键技术指标及其实现、信号的测试和分析方法等。

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