频谱分析仪是一种用于研究电信号频谱结构的多用途电子测量仪器，广泛应用于无线电技术、电子测量、电力测量和通信测量等领域。它能够测量信号的频率分布、幅度特性、失真度、调制度、谱纯度、频率稳定性和交调失真等参数。

频谱分析仪的应用领域非常广泛，包括电子对抗、卫星通讯、移动通讯、雷达、射电天文、航空航天和频谱监测等。它不仅可以用于测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，还可以用于研发诊断以及雷达系统设计中。

此外，随着数字技术的发展，现代频谱分析仪集成了许多新功能，如接收器、仪表、频率计和网络分析仪等，从而拓宽了其测量功能和应用范围。总之，频谱分析仪作为“工程师的射频万用表”，在无线电信号测量和电子产品研发与生产中具有至关重要的作用。

01 频域对时域

频谱分析仪和示波器一样，都是用于信号观察的基本工具，是无线通信系统测试中使用量最大的仪表之一。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、幅度和相位的正弦波叠加而成。换句话说，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。如果要分析的信号是周期信号，傅立叶理论指出，所包含的正弦波的频域间隔是 1/T，其中 T 是信号的周期。

图1 复合时域信号

傅里叶变换：频谱是一组正弦波，经适当组合后，形成被考察的时域信号是一个时域信号，通过傅里叶变换可以将其转换为频域信号。傅里叶变换的公式为：

其中，Ϝ(ω)是频域信号，f(t)是时域信号，ω是角频率，t是时间。

02 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，信号频谱正好由两个正弦波组成。现在我们便知道了为何原始信号不是纯正弦波，因为它还包含第二个正弦量，在这种情况下是二次谐波。

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。

图 2 信号的时域和频域关系

03 为什么要测量频谱

频域测量同样也有它的长处。如我们已经在图 1和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，以防止对其它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。

从图形来看，频谱可分为两种基本类型。①离散频谱：又称线状频谱，图形呈线状，各条谱线(代表某频率分量幅度的线)之间有一定间隔。周期信号的频谱都是离散频谱，各条谱线之间的间隔相等，等于周期信号的基频或整数倍。②连续频谱：各条谱线之间的间隔为无穷小，谱线连成一片。非周期信号和各种无规则噪声的频谱都是连续频谱，即在所观测的频率范围内的全部频率上都有信号谱线存在。实际的信号频谱往往都是混合频谱，被测量的连续信号或周期信号，除了它的基频、各次谐波和寄生信号所呈现的离散频外，往往不可避免地伴有随机热噪声所呈现的连续频谱作为基底。

频谱测量的基础是傅里叶变换。它可以将一个随时间变化的信号变换成与该信号相关连的频率的函数。因此任意一个时变信号可以分解成不同频率、不同相位、不同幅值的正弦波。

频谱测量有扫频式和实时式两种方法。

①扫频式：利用扫频超外差接收的原理，通过多次变频过程完成重复信号的频谱测量。这种方法的特点是本振在宽频段内扫频而接收机是窄带的，所以在任一瞬间信号中只有一个频率分量被测量(接收机滤波器有一定带宽,电路需要有一定的响应时间,所以每条谱线实际上占有一定频带)，其余频率分量被抑止。随着本振的扫频，按顺序测量信号中的其余频率分量。这种方法只适用于连续信号和周期信号的频谱测量，测不出信号的相位。

②实时式：能在被测信号发生的实际时间内取得所需要的全部频谱信息，并显示测量结果。这种方法的特点是利用现代数字电路技术和计算机技术，对信号进行快速取样和模数变换，然后与产生正弦、余弦信号的正交本振在数字滤波器中作相关处理，经积分运算后存储并显示测量结果。这种方法特别适用于非重复性信号和持续时间很短的平稳随机过程及瞬态过程的频谱测量，也可用于周期信号的频谱测量，并能测量信号的相位。

04 频谱纯度（相位噪声）

传统的相位噪声是如下定义的：以载波的幅度为参考，在偏移一定的频率下的单边带相对噪声功率。这个数值是指在1Hz的带宽下的相对噪声电平，其单位为dBc/Hz。我们可以称之为相位噪声的频谱定义。

一个理想的振荡器有一个无限狭窄的频谱。由于噪声不同的物理效应，信号相角微小的变化都会导致频谱变宽，这就是相位噪声，如图3示。为了测量相位噪声，必须通过一个带宽为B的窄带接收机或者频谱分析仪来得到振荡器在一个载波频率偏移(就是偏移频率foffset)下的噪声功率PR，然后把测量带宽B减小到1Hz，接着用PR比上载波功率PC得到一个用dBc表示的结果(1Hz带宽)。dBc中的c代表载波。

图3 振荡器的相位噪声

这样就得到了相位噪声，更确切地说是单边带(SSB)相位噪声：

dBc虽然不符合标准的写法，但是普遍使用。也可以把它转化为线性功率，但是使用更多的是dBc。

相位噪声的测量，主要有下列4种方法：

1）直接频谱分析法‌：使用频谱分析仪直接测量载波附近的噪声边带。设置频谱分析仪的中心频率为振荡器的输出频率，并调整分辨率带宽以清晰地显示噪声边带。读取特定频率偏移处的相位噪声水平，并将其转换为dBc/Hz。

2）相位检测器法‌：使用相位检测器和频谱分析仪组合来测量相位噪声。相位检测器将振荡器的输出与一个参考信号进行比较，产生与相位噪声成正比的电压信号。将这个电压信号输入到频谱分析仪中，分析其频谱成分以获得相位噪声的信息。

3）延迟线法‌：使用延迟线和混频器来测量相位噪声。将振荡器的输出信号通过一个延迟线，然后与原始信号一起输入到混频器中。混频器输出的差频信号包含了相位噪声信息，通过分析这个信号可以计算出相位噪声。

4）零拍法‌：这是一种利用频谱分析仪的特殊测量技术，适用于测量非常接近载波的相位噪声。将频谱分析仪的中心频率设置为振荡器的输出频率，并将分辨率带宽调至最小。通过观察载波两侧的噪声峰值，可以获得相位噪声的估计值。

05 杂散（含谐波和杂波）分量

杂散和谐波都是非线性产物。谐波‌是指对周期性交流量进行傅里叶级数分解后，频率为基波频率整数倍的分量。谐波是输入频率的整数倍频上产生的假频率，通常被认为是‌射频干扰的潜在原因。‌杂散‌则是非整数倍频的产物，通常是由于‌失真、‌互调、‌电磁干扰或‌频率转换等原因产生的非期望频率。

杂散分量的测量主要有下列几种方法：

1）基于‌瞬时无功功率理论的谐波检测方法‌：这种方法利用瞬时无功功率理论，通过坐标变换和滤波处理来检测谐波分量。其优点是动态响应速度快，但检测精度受滤波器影响较大。

2）基于‌傅里叶变换的谐波检测方法‌：这种方法包括离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶变换(FFT)，通过频域分析来计算各次谐波的幅值和相位。

3）基于‌小波包分析的谐波检测方法‌：这种方法利用小波包变换对信号进行多分辨率分析，能够同时分解信号的低频和高频部分，提高检测精度。

4）频域测量方法‌：在频域对信号进行谐波分析，使用模拟滤波器将输入信号的各次谐波分量分离出来。

5）时域测量方法‌：在时域对信号进行离散化处理，然后通过DFT或FFT计算各次谐波的幅值和相位等参数。

06 示例

Part.1

信号谐波与杂散测量

1. 用波形发生模块产生一个中心频率100MHz，幅度5dBm的信号。

2. 首先，用传统的频谱模式进行信号谐波杂散测量：

进入频谱分析仪模式：

Freq：起始频率：50MHz；截止频率：1GHz

Amptd：参考电平：10dBm；

Marker：设置→标记列表：开；峰值搜索→峰值搜索；选择标记2→峰值搜索→右侧下一峰值；同样操作，设置标记3~9。

具体测量结果如下图所示。如图所示，测量了100MHz信号的2~9次谐波，同时底部的标记表格，也列出了对应谐波的频率以及功率。

图4 频谱仪模式下测量杂谐波

同样的操作方法，对于非谐波类的杂散信号，一般来说幅度会较小，这就会要求调小参考电平和分辨率带宽RBW，这样就可以观察幅度更小的信号。

3. 普尚的SP900系列频谱分析仪还支持一键测量谐波杂散信号。

进入频谱分析仪模式，点击Mode/Meas：选择频谱分析仪→测量：谐波→确认

频率→基础谐波：100MHz

幅度→参考值：10dBm

具体测量结果如下图所示。如图所示，测量了100MHz信号的2~10次谐波；相对于频谱模式，这里直接给出了谐波与基波信号的幅度差。

图5 频谱仪谐波模式下一键式测量杂谐波

Part.2

信号相位噪声测量

1. 同上，用波形发生模块产生一个中心频率100MHz，幅度5dBm的信号。

2. 首先，用传统的频谱模式进行信号相位噪声测量：

进入频谱分析仪模式：

Freq：中心频率：100MHz；扫宽：1MHz

Amptd：参考电平：10dBm；

带宽：分辨率带宽：10KHz

迹线：迹线控制：迹线平均

标记：峰值搜索：峰值搜索；设置→标记模式→差量Δ→标记Δ频率：100KHz，记录此时的标记值。

测量结果如下图所示，计算得出对应的相位噪声结果为：

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

图6 传统的频谱模式下测量相位噪声

3. 普尚的SP900系列频谱分析仪还支持一键测量信号相位噪声。

进入频谱分析仪模式，点击Mode/Meas：选择相位噪声→测量：对数导频→常态→确认；

频率→基载波频率：100MHz；点击：自动调谐

标记→分别设置多个标记对应的标记频率：标记1：1KHz；标记2：10KHz；

具体测量结果如下图所示。如图所示，测量了100MHz信号的多个频偏位置的相位噪声，比如1KHz，10KHz，100KHz。对比频谱模式下测量得到的100kHz频偏的相位噪声结果：-119.458dBc/Hz；使用普尚的相位噪声测量选件，得到的结果为：118.41dBc/Hz。

考虑到测量的误差，可以认为这两个结果保持了很好的一致。

图7 相位噪声模式下一键式测量相位噪声

关键词:普尚云课堂 频谱分析仪 测量

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来 源：普尚电子

编辑：清风

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