頻譜分析儀是一種用于研究電信號頻譜結構的多用途電子測量儀器，廣泛應用于無線電技術、電子測量、電力測量和通信測量等領域。它能夠測量信號的頻率分布、幅度特性、失真度、調制度、譜純度、頻率穩定性和交調失真等參數。

頻譜分析儀的應用領域非常廣泛，包括電子對抗、衛星通訊、移動通訊、雷達、射電天文、航空航天和頻譜監測等。它不僅可以用于測量放大器和濾波器等電路系統的某些參數，還可以用于研發診斷以及雷達系統設計中。

此外，隨著數字技術的發展，現代頻譜分析儀集成了許多新功能，如接收器、儀表、頻率計和網絡分析儀等，從而拓寬了其測量功能和應用范圍。總之，頻譜分析儀作為“工程師的射頻萬用表”，在無線電信號測量和電子產品研發與生產中具有至關重要的作用。

01 頻域對時域

頻譜分析儀和示波器一樣，都是用于信號觀察的基本工具，是無線通信系統測試中使用量最大的儀表之一。傅立葉理論告訴我們，時域中的任何電信號都可以由一個或多個具有適當頻率、幅度和相位的正弦波疊加而成。換句話說，任何時域信號都可以變換成相應的頻域信號，通過頻域測量可以得到信號在某個特定頻率上的能量值。通過適當的濾波，我們能將圖1中的波形分解成若干個獨立的正弦波或頻譜分量，然后就可以對它們進行單獨分析。每個正弦波都用幅度和相位加以表征。如果要分析的信號是周期信號，傅立葉理論指出，所包含的正弦波的頻域間隔是 1/T，其中 T 是信號的周期。

圖1 復合時域信號

傅里葉變換：頻譜是一組正弦波，經適當組合后，形成被考察的時域信號是一個時域信號，通過傅里葉變換可以將其轉換為頻域信號。傅里葉變換的公式為：

其中，?(ω)是頻域信號，f(t)是時域信號，ω是角頻率，t是時間。

02 什么是頻譜

頻譜是一組正弦波，經適當組合后，形成被考察的時域信號。圖1顯示了一個復合信號的波形。假定我們希望看到的是正弦波，但顯然圖示信號并不是純粹的正弦形，而僅靠觀察又很難確定其中的原因。圖2同時在時域和頻域顯示了這個復合信號。頻域圖形描繪了頻譜中每個正弦波的幅度隨頻率的變化情況。如圖所示，在這種情況下，信號頻譜正好由兩個正弦波組成。現在我們便知道了為何原始信號不是純正弦波，因為它還包含第二個正弦量，在這種情況下是二次諧波。

既然如此，時域測量是否過時了呢? 答案是否定的。時域測量能夠更好的適用于某些測量場合，而且有些測量也只能在時域中進行。例如純時域測量中所包括的脈沖上升和下降時間、過沖和振鈴等。

圖 2 信號的時域和頻域關系

03 為什么要測量頻譜

頻域測量同樣也有它的長處。如我們已經在圖 1和2 看到的，頻域測量更適于確定信號的諧波分量。在無線通信領域，人們非常關心帶外輻射和雜散輻射。例如在蜂窩通信系統中，必須檢查載波信號的諧波成分，以防止對其它有著相同工作頻率與諧波的通信系統產生干擾。工程師和技術人員對調制到載波上的信息的失真也非常關心。三階交調 (復合信號的兩個不同頻譜分量互相調制) 產生的干擾相當嚴重，因為其失真分量可能直接落入分析帶寬之內而無法濾除。

從圖形來看，頻譜可分為兩種基本類型。①離散頻譜：又稱線狀頻譜，圖形呈線狀，各條譜線(代表某頻率分量幅度的線)之間有一定間隔。周期信號的頻譜都是離散頻譜，各條譜線之間的間隔相等，等于周期信號的基頻或整數倍。②連續頻譜：各條譜線之間的間隔為無窮小，譜線連成一片。非周期信號和各種無規則噪聲的頻譜都是連續頻譜，即在所觀測的頻率范圍內的全部頻率上都有信號譜線存在。實際的信號頻譜往往都是混合頻譜，被測量的連續信號或周期信號，除了它的基頻、各次諧波和寄生信號所呈現的離散頻外，往往不可避免地伴有隨機熱噪聲所呈現的連續頻譜作為基底。

頻譜測量的基礎是傅里葉變換。它可以將一個隨時間變化的信號變換成與該信號相關連的頻率的函數。因此任意一個時變信號可以分解成不同頻率、不同相位、不同幅值的正弦波。

頻譜測量有掃頻式和實時式兩種方法。

①掃頻式：利用掃頻超外差接收的原理，通過多次變頻過程完成重復信號的頻譜測量。這種方法的特點是本振在寬頻段內掃頻而接收機是窄帶的，所以在任一瞬間信號中只有一個頻率分量被測量(接收機濾波器有一定帶寬,電路需要有一定的響應時間,所以每條譜線實際上占有一定頻帶)，其余頻率分量被抑止。隨著本振的掃頻，按順序測量信號中的其余頻率分量。這種方法只適用于連續信號和周期信號的頻譜測量，測不出信號的相位。

②實時式：能在被測信號發生的實際時間內取得所需要的全部頻譜信息，并顯示測量結果。這種方法的特點是利用現代數字電路技術和計算機技術，對信號進行快速取樣和模數變換，然后與產生正弦、余弦信號的正交本振在數字濾波器中作相關處理，經積分運算后存儲并顯示測量結果。這種方法特別適用于非重復性信號和持續時間很短的平穩隨機過程及瞬態過程的頻譜測量，也可用于周期信號的頻譜測量，并能測量信號的相位。

04 頻譜純度（相位噪聲）

傳統的相位噪聲是如下定義的：以載波的幅度為參考，在偏移一定的頻率下的單邊帶相對噪聲功率。這個數值是指在1Hz的帶寬下的相對噪聲電平，其單位為dBc/Hz。我們可以稱之為相位噪聲的頻譜定義。

一個理想的振蕩器有一個無限狹窄的頻譜。由于噪聲不同的物理效應，信號相角微小的變化都會導致頻譜變寬，這就是相位噪聲，如圖3示。為了測量相位噪聲，必須通過一個帶寬為B的窄帶接收機或者頻譜分析儀來得到振蕩器在一個載波頻率偏移(就是偏移頻率foffset)下的噪聲功率PR，然后把測量帶寬B減小到1Hz，接著用PR比上載波功率PC得到一個用dBc表示的結果(1Hz帶寬)。dBc中的c代表載波。

圖3 振蕩器的相位噪聲

這樣就得到了相位噪聲，更確切地說是單邊帶(SSB)相位噪聲：

dBc雖然不符合標準的寫法，但是普遍使用。也可以把它轉化為線性功率，但是使用更多的是dBc。

相位噪聲的測量，主要有下列4種方法：

1）直接頻譜分析法?：使用頻譜分析儀直接測量載波附近的噪聲邊帶。設置頻譜分析儀的中心頻率為振蕩器的輸出頻率，并調整分辨率帶寬以清晰地顯示噪聲邊帶。讀取特定頻率偏移處的相位噪聲水平，并將其轉換為dBc/Hz。

2）相位檢測器法?：使用相位檢測器和頻譜分析儀組合來測量相位噪聲。相位檢測器將振蕩器的輸出與一個參考信號進行比較，產生與相位噪聲成正比的電壓信號。將這個電壓信號輸入到頻譜分析儀中，分析其頻譜成分以獲得相位噪聲的信息。

3）延遲線法?：使用延遲線和混頻器來測量相位噪聲。將振蕩器的輸出信號通過一個延遲線，然后與原始信號一起輸入到混頻器中。混頻器輸出的差頻信號包含了相位噪聲信息，通過分析這個信號可以計算出相位噪聲。

4）零拍法?：這是一種利用頻譜分析儀的特殊測量技術，適用于測量非常接近載波的相位噪聲。將頻譜分析儀的中心頻率設置為振蕩器的輸出頻率，并將分辨率帶寬調至最小。通過觀察載波兩側的噪聲峰值，可以獲得相位噪聲的估計值。

05 雜散（含諧波和雜波）分量

雜散和諧波都是非線性產物。諧波?是指對周期性交流量進行傅里葉級數分解后，頻率為基波頻率整數倍的分量。諧波是輸入頻率的整數倍頻上產生的假頻率，通常被認為是?射頻干擾的潛在原因。?雜散?則是非整數倍頻的產物，通常是由于?失真、?互調、?電磁干擾或?頻率轉換等原因產生的非期望頻率。

雜散分量的測量主要有下列幾種方法：

1）基于?瞬時無功功率理論的諧波檢測方法?：這種方法利用瞬時無功功率理論，通過坐標變換和濾波處理來檢測諧波分量。其優點是動態響應速度快，但檢測精度受濾波器影響較大。

2）基于?傅里葉變換的諧波檢測方法?：這種方法包括離散傅里葉變換(DFT)和快速傅里葉變換(FFT)，通過頻域分析來計算各次諧波的幅值和相位。

3）基于?小波包分析的諧波檢測方法?：這種方法利用小波包變換對信號進行多分辨率分析，能夠同時分解信號的低頻和高頻部分，提高檢測精度。

4）頻域測量方法?：在頻域對信號進行諧波分析，使用模擬濾波器將輸入信號的各次諧波分量分離出來。

5）時域測量方法?：在時域對信號進行離散化處理，然后通過DFT或FFT計算各次諧波的幅值和相位等參數。

06 示例

Part.1

信號諧波與雜散測量

1. 用波形發生模塊產生一個中心頻率100MHz，幅度5dBm的信號。

2. 首先，用傳統的頻譜模式進行信號諧波雜散測量：

進入頻譜分析儀模式：

Freq：起始頻率：50MHz；截止頻率：1GHz

Amptd：參考電平：10dBm；

Marker：設置→標記列表：開；峰值搜索→峰值搜索；選擇標記2→峰值搜索→右側下一峰值；同樣操作，設置標記3~9。

具體測量結果如下圖所示。如圖所示，測量了100MHz信號的2~9次諧波，同時底部的標記表格，也列出了對應諧波的頻率以及功率。

圖4 頻譜儀模式下測量雜諧波

同樣的操作方法，對于非諧波類的雜散信號，一般來說幅度會較小，這就會要求調小參考電平和分辨率帶寬RBW，這樣就可以觀察幅度更小的信號。

3. 普尚的SP900系列頻譜分析儀還支持一鍵測量諧波雜散信號。

進入頻譜分析儀模式，點擊Mode/Meas：選擇頻譜分析儀→測量：諧波→確認

頻率→基礎諧波：100MHz

幅度→參考值：10dBm

具體測量結果如下圖所示。如圖所示，測量了100MHz信號的2~10次諧波；相對于頻譜模式，這里直接給出了諧波與基波信號的幅度差。

圖5 頻譜儀諧波模式下一鍵式測量雜諧波

Part.2

信號相位噪聲測量

1. 同上，用波形發生模塊產生一個中心頻率100MHz，幅度5dBm的信號。

2. 首先，用傳統的頻譜模式進行信號相位噪聲測量：

進入頻譜分析儀模式：

Freq：中心頻率：100MHz；掃寬：1MHz

Amptd：參考電平：10dBm；

帶寬：分辨率帶寬：10KHz

跡線：跡線控制：跡線平均

標記：峰值搜索：峰值搜索；設置→標記模式→差量Δ→標記Δ頻率：100KHz，記錄此時的標記值。

測量結果如下圖所示，計算得出對應的相位噪聲結果為：

Phase Noise=-79.458dB-10×log10(RBW)=-79.458-40=-119.458dBc

圖6 傳統的頻譜模式下測量相位噪聲

3. 普尚的SP900系列頻譜分析儀還支持一鍵測量信號相位噪聲。

進入頻譜分析儀模式，點擊Mode/Meas：選擇相位噪聲→測量：對數導頻→常態→確認；

頻率→基載波頻率：100MHz；點擊：自動調諧

標記→分別設置多個標記對應的標記頻率：標記1：1KHz；標記2：10KHz；

具體測量結果如下圖所示。如圖所示，測量了100MHz信號的多個頻偏位置的相位噪聲，比如1KHz，10KHz，100KHz。對比頻譜模式下測量得到的100kHz頻偏的相位噪聲結果：-119.458dBc/Hz；使用普尚的相位噪聲測量選件，得到的結果為：118.41dBc/Hz。

考慮到測量的誤差，可以認為這兩個結果保持了很好的一致。

圖7 相位噪聲模式下一鍵式測量相位噪聲