頻譜分析儀是研究電信號頻譜結(jié)構(gòu)的儀器，用于信號失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定度和交調(diào)失真等信號參數(shù)的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅里葉分析儀等?，F(xiàn)代頻譜分析儀能以模擬方式或數(shù)字方式顯示分析結(jié)果，能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號。儀器內(nèi)部若采用數(shù)字電路和微處理器，具有存儲和運(yùn)算功能；配置標(biāo)準(zhǔn)接口，就容易構(gòu)成自動(dòng)測試系統(tǒng)。

發(fā)展

傳統(tǒng)產(chǎn)品

傳統(tǒng)的頻譜分析儀的前端電路是一定帶寬內(nèi)可調(diào)諧的接收機(jī)，輸入信號經(jīng)變頻器變頻后由低通濾器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，在示波器屏幕上繪出坐標(biāo)圖，就是輸入信號的頻譜圖。由于變頻器可

以達(dá)到很寬的頻率，例如30Hz-30GHz，與外部混頻器配合，可擴(kuò)展到100GHz以上，頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量儀器之一。無論測量連續(xù)信號或調(diào)制信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是，傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn)，它只能測量頻率的幅度，缺少相位信息，因此屬于標(biāo)量儀器而不是矢量儀器。

現(xiàn)代產(chǎn)品

基于快速傅里葉變換（FFT）的現(xiàn)代頻譜分析儀，通過傅里葉運(yùn)算將被測信號分解成分立的頻率分量，達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。這種新型的頻譜分析儀采用數(shù)字方法直接由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）對輸入信號取樣，再經(jīng)FFT處理后獲得頻譜分布圖。

在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高分辨率，對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí) ADC的取樣率最少等于輸入信號最高頻率的兩倍，亦即頻率上限是100MHz的實(shí)時(shí)頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。

半導(dǎo)體工藝水平可制成分辨率8位和取樣率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取樣率800MS/S的ADC，亦即，原理上儀器可達(dá)到2GHz的帶寬，為了擴(kuò)展頻率上限，可在ADC前端增加下變頻器，本振采用數(shù)字調(diào)諧振蕩器。這種混合式的頻譜分析儀可擴(kuò)展到幾GHz以下的頻段使用。

FFT的性能用取樣點(diǎn)數(shù)和取樣率來表征，例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點(diǎn)，則最高輸入頻率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取樣點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn)，則分辨率提高到25Hz。由此可知，最高輸人頻率取決于取樣率，分辨率取決于取樣點(diǎn)數(shù)。FFT運(yùn)算時(shí)間與取樣，點(diǎn)數(shù)成對數(shù)關(guān)系，頻譜分析儀需要高頻率、高分辨率和高速運(yùn)算時(shí)，要選用高速的FFT硬件，或者相應(yīng)的數(shù)字信號處理器（DSP）芯片。例如，10MHz輸入頻率的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間80μs，而10KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間變?yōu)?4ms，1KHz的1024點(diǎn)的運(yùn)算時(shí)間增加至640ms。當(dāng)運(yùn)算時(shí)間超過200ms時(shí)，屏幕的反應(yīng)變慢，不適于眼睛的觀察，補(bǔ)救辦法是減少取樣點(diǎn)數(shù)，使運(yùn)算時(shí)間降低至200ms以下。

分類

頻譜分析儀分為實(shí)時(shí)分析式和掃頻式兩類。前者能在被測信號發(fā)生的實(shí)際時(shí)間內(nèi)取得所需要的全部頻譜信息并進(jìn)行分析和顯示分析結(jié)果；后者需通過多次取樣過程來完成重復(fù)信息分析。實(shí)時(shí)式頻譜分析儀主要用于非重復(fù)性、持續(xù)期很短的信號分析。非實(shí)時(shí)式頻譜分析儀主要用于從聲頻直到亞毫米波段的某一段連續(xù)射頻信號和周期信號的分析。

掃頻式頻譜分析儀

它是具有顯示裝置的掃頻超外差接收機(jī)，主要用于連續(xù)信號和周期信號的頻譜分析。它工作于聲頻直至亞

毫米的波頻段，只顯示信號的幅度而不顯示信號的相位。它的工作原理是：本地振蕩器采用掃頻振蕩器，它的輸出信號與被測信號中的各個(gè)頻率分量在混頻器內(nèi)依次進(jìn)行差頻變換，所產(chǎn)生的中頻信號通過窄帶濾波器后再經(jīng)放大和檢波，加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉(zhuǎn)信號，使屏幕上的垂直顯示正比于各頻率分量的幅值。本地振蕩器的掃頻由鋸齒波掃描發(fā)生器所產(chǎn)生的鋸齒電壓控制，鋸齒波電壓同時(shí)還用作示波管的水平掃描，從而使屏幕上的水平顯示正比于頻率。

工作原理如圖4（a）所示。用掃頻振蕩器作為超外差接收機(jī)的本機(jī)振蕩器，當(dāng)選擇開關(guān)S置于1，鋸齒波掃描電壓對本機(jī)振蕩器I進(jìn)行掃頻，輸入信號中的各個(gè)頻率分量在混頻器中與本機(jī)掃頻信號進(jìn)行差頻，它們依次落入第一中放窄帶濾波器的通帶內(nèi)，被濾波器選出，經(jīng)二次變頻、檢波、放大后，加到示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使屏幕上的垂直顯示正比于各個(gè)頻率分量的振幅。掃描電壓同時(shí)加到示波管的水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，從而使頻幕的X坐標(biāo)變成頻率坐標(biāo)，并在屏幕上顯示出被分析的輸入信號頻譜圖。上述工作方式在本機(jī)振蕩器I上進(jìn)行掃頻，稱“掃前式”工作模式，具有很寬的分析頻帶。當(dāng)S置于2時(shí)，也可在本機(jī)振蕩器Ⅱ上進(jìn)行掃頻，稱“掃中頻式”工作模式，這時(shí)可進(jìn)行窄帶頻譜分析。

實(shí)時(shí)式頻譜分析儀

在存在被測信號的有限時(shí)間內(nèi)提取信號的全部頻譜信息進(jìn)行分析并顯示其結(jié)果的儀器主要用于分析持續(xù)時(shí)間很短的非重復(fù)性平穩(wěn)隨機(jī)過程和暫態(tài)過程，也能分析40兆赫以下的低頻和極低頻連續(xù)信號，能顯示幅度和相位。傅里葉分析儀是實(shí)時(shí)式頻譜分析儀，其基本工作原理是把被分析的模擬信號經(jīng)模數(shù)變換電路變換成數(shù)字信號后，加到數(shù)字濾波器進(jìn)行傅里葉分析；由中央處理器控制的正交型數(shù)字本地振蕩器產(chǎn)生按正弦律變化和按余弦律變化的數(shù)字本振信號，也加到數(shù)字濾波器與被測信號作傅里葉分析。正交型數(shù)字式本振是掃頻振蕩器，當(dāng)其頻率與被測信號中的頻率相同時(shí)就有輸出，經(jīng)積分處理后得出分析結(jié)果供示波管顯示頻譜圖形。正交型本振用正弦和余弦信號得到的分析結(jié)果是復(fù)數(shù)，可以換算成幅度和相位。分析結(jié)果也可送到打印繪圖儀或通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)相連。