芯耀
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一、什么是频谱仪
现代频谱分析仪是一种复杂的电子设备，在很多应用场景中都能用到，主要用来测量和分析射频信号的特性。下面我们就来了解一下什么是频谱分析仪，以及它的框图、性能指标和应用场景。
射频频谱分析仪是一种电子设备，主要用来测量射频频谱以及各种电子设备发射的通信信号。通常是通过宽带接收机和经过校准的发射机来实现的。射频频谱分析仪能够测量无线电波的频率，以及它们的幅度或功率。
这些工具可以用于监管方面，比如管理无线电干扰、识别射频隐患等。随着新技术的发展，它们的应用范围越来越广。频谱分析仪的X轴显示信号的频率，Y轴显示信号的功率（幅度）。现代的信号和频谱分析仪能够分析各种调制方式中复杂的信号行为和信号模式。
二、频谱分析仪的框图
1、射频输入衰减器
射频衰减器是每台频谱分析仪的第一级。它能确保输入功率不超过特定水平，保证后续电路的安全，还能防止功率过高导致混频器出现失真，避免仪器过载。现代频谱分析仪的衰减量可以自动设置（也能手动选择），这样能保护仪器免受高功率信号输入的影响。
2、低通滤波器（预选器）
低通滤波器是输入衰减器之后的第二级。顾名思义，这个部件会阻断输入信号中的高频成分。这在信号混频时很重要，能避免产生谐波。
3、混频器级——调谐
频谱分析仪的调谐是个复杂过程，需要混合多个频率来得到所需的中频。
扫频发生器是多种电子设备里的一个部件，能产生周期性的锯齿波，用来调节第二个信号发生器（通常是射频发生器）的输出。周期性锯齿波会上升到峰值，然后迅速降到低电平，不断重复这个过程。可以用扫频发生器的输出来控制信号发生器的频率输出，从而产生扫频输出。扫频发生器通常能让测试装置几乎同时测量设备在某个频率范围内的响应。
调谐和中频滤波器的中心频率、本振频率范围以及混频器能通过低通滤波器接收到的外部频率范围（允许的范围）有关，这些都会影响混频器输出的所有混频产物。其中，本振与输入信号之和、本振与输入信号之差产生的两种混频产物幅度最高，因此是最需要的。
如果我们要研究的信号能通过中频调整到本振频率的上方或下方，就只会产生一种所需的混频产物。这种产物会落在中频滤波器的通带内，经过检测后，在频谱分析仪的屏幕上生成幅度响应。
4、中频放大器
可变增益放大器用来调整信号在显示屏上的垂直位置，它不会影响输入混频器的信号电平。改变中频增益时，参考电平值也会相应变化，以保证显示信号的数值准确。一般来说，改变输入衰减时不希望改变参考电平，也就是说，输入衰减和增益设置是相关的。
改变输入衰减时，中频增益会自动调整，以此补偿输入衰减变化带来的影响，让信号在显示屏上保持固定位置。
5、对数放大器
在频谱分析仪上观察信号最常用的方式是采用对数幅度刻度，比如每格10dB或每格1dB。因此，中频信号通常要经过对数放大器。对数放大器的增益特性接近对数曲线，与理想对数响应的偏差会导致幅度测量不确定。同样，当频谱分析仪处于线性模式时，线性放大器的响应也不是完全线性的。
包络检波器：一种电路元件，其输出会跟随输入信号的包络变化，但不跟随输入信号的瞬时变化。在超外差频谱分析仪中，包络检波器的输入来自最终的中频，输出是视频信号。当分析仪设为零扫宽时，包络检波器会对输入信号进行解调，调制信号可以在显示屏上以时间的函数形式显示出来。
6、视频滤波器
这是一种检波后的低通滤波器，用来确定视频放大器的带宽，可对显示轨迹进行平均或平滑处理。
三、频谱分析仪的性能指标
现代频谱分析仪的应用场景多样，性能指标也会根据应用不同而有所差异。
1、频率
频谱分析仪的频率范围通常以Hz为单位，表示它能测量的频率区间。现代频谱分析仪的可测频率范围从2Hz到110GHz不等。
2、功率
功率额定值是频谱分析仪的另一项重要指标。标准分析仪的最大输入功率为26-33dBm。要进行高功率测量时，可以在频谱分析仪的输入端口增加衰减器来克服这一限制。通常频谱仪输入口周围面板会有相应的文字提示，如下图所示。
3、数字信号处理能力
随着新的调制方式和复用技术的出现，无线通信等应用中信号的复杂度不断提高。借助计算能力（内置电脑或配备信号处理软件的电脑），现代频谱分析仪能进行更高水平的信号处理。
比如，5G信号比前几代有更多复杂特性，现代频谱分析仪通过精密软件就能对复杂的5G信号进行分析。下图是频谱仪对5G信号星座图进行分析的模板。
4、连接器类型
频谱分析仪的连接器类型由其工作的频率范围决定。低频频谱分析仪会使用N型射频连接器（18GHz以下可配SMA适配器），毫米波范围应用则会使用高频射频连接器，例如1.8mm接头等。
5、外形规格
频谱分析仪有多种尺寸和形状，最常见的是实验室用的台式型号。手持式频谱分析仪则用于基站特性分析、范围测绘等场景。
四、频谱分析仪的应用场景
射频频谱分析仪是一种电子设备，能让我们观察到环境中的射频信号，还能测量这些信号的频率、功率和质量。它们在无线电工程、雷达系统、无线通信和科学研究等领域应用广泛。
射频频谱分析仪还能用来分析无线电波与物体的相互作用，以及测量接收机的效率。这种设备通过天线捕捉无线电波，然后用DSP进行处理，最后在电脑屏幕上显示频谱。
在医院或机场，频谱分析仪可以检测患者或乘客可能接触到的不同频率的电磁波。执法部门也会用它来探测可能与非法活动相关的信号。
1、射频测试实验室
对于工程师、科学家以及所有需要测量无线电系统性能的人来说，射频频谱分析仪是个强大的工具。它能测量无线电信号的强度（包括噪声），以及信号的频率和相位。当你想找出问题原因，比如干扰或性能不佳时，射频频谱分析仪能帮你精准定位问题源头。
这些设备可以用于故障排查、信号质量分析、生成校准信号发生器的参考频率，以及确定系统中的信道数量。频谱分析仪常用来测试Wi-Fi网络等无线系统的性能，还能帮助检测射频信号中的干扰和噪声水平——这些在一些射频应用中可能是个大问题。
雷达系统可能非常复杂，需要精心设计、测试和验证。频谱分析仪在确保雷达系统按规格运行方面发挥着重要作用。技术人员把运行波形中捕捉到的信号与预期或理想响应进行对比，就能快速发现问题，还能观察配置变化对结果的影响。因此，用频谱分析仪对波形进行系统分析，能缩短产品开发时间，提高测量系统的准确性，让整体运行更高效。
下图是用于测试雷达系统性能的实时信号分析仪，该设备能够持续采集射频信号，包括那些出现在强信号附近的微弱雷达信号，确保不会遗漏关键信息。并且能够监测宽达分析仪全频率范围的频谱，从而全面掌握雷达信号在整个频谱中的分布和特征，便于分析雷达信号的频率特性和占用带宽等参数。
2、电磁兼容（EMC）合规性测量——监测信号以检测干扰源
频谱分析仪还能让工程师找出环境中存在干扰的信号。这类测量对电磁兼容合规性很重要，因为电子系统出现故障的原因往往不明显——可能是某个意外频率进入系统，也可能是某个谐波波长引发了问题。通过频谱分析，能更精准地检测和分析这些异常频率，下图是用于EMC测试的频谱仪及其测试探头。
3、蜂窝网络分析——找到最佳的网络性能参数
随着移动网络和蜂窝技术的发展，验证网络参数变得越来越重要。工程师可以用频谱分析仪对每个扇区或基站进行测量，确保频率符合规定，相邻网络或系统之间没有干扰。通过测量噪声底、发射机功率水平、信道带宽等，工程师能对各项指标进行微调，让整个系统达到最佳性能，下图是一款手持式频谱仪，对于通信网络优化工程师来说非常方便。
最后总结一下
现代频谱分析仪是测量和分析射频信号特性的复杂电子设备，X轴显频率、Y轴显功率，可分析复杂信号行为。其框图包含射频输入衰减器、低通滤波器、混频器级、中频增益、对数放大器、视频滤波器等部件，各有特定功能。性能指标涉及频率范围（2Hz到110GHz）、功率（最大输入26-33dBm）、数字信号处理能力、连接器类型和外形规格。应用场景广泛，涵盖射频测试实验室、电磁兼容合规性测量、蜂窝网络分析等，还用于雷达系统、医院机场检测、执法探测等领域。
