一、頻譜分析儀是什么

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，頻譜分析儀是一種用于觀察和測(cè)量信號(hào)頻率成分（頻譜）的電子測(cè)量?jī)x器。

想象一下，一個(gè)交響樂(lè)團(tuán)的演奏傳入你的耳朵，你能同時(shí)聽(tīng)到小提琴、長(zhǎng)笛、定音鼓等各種樂(lè)器的聲音。你的耳朵和大腦就是一個(gè)天然的“音頻頻譜分析儀"，能將混合在一起的聲音分解成不同頻率的組成部分。

頻譜分析儀做的正是同樣的事情，但它針對(duì)的是電信號(hào)，并且處理的頻率范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人耳的感知（從極低頻的赫茲到高頻的太赫茲）。

時(shí)域 vs. 頻域：

示波器顯示的是信號(hào)的時(shí)域圖 - 電壓隨時(shí)間的變化（振幅 vs. 時(shí)間）。它回答的是“信號(hào)在特定時(shí)刻的幅度是多少？"

頻譜分析儀 顯示的是信號(hào)的頻域圖 - 功率隨頻率的變化（功率 vs. 頻率）。它回答的是“信號(hào)中包含哪些頻率成分，它們的強(qiáng)度分別有多大？"

二、核心工作原理

頻譜分析儀主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：掃頻調(diào)諧式和快速傅里葉變換式。理解這兩種方式對(duì)深入解讀結(jié)果至關(guān)重要。

1、掃頻調(diào)諧式頻譜分析儀

這是最直觀的工作原理，可以類比成一臺(tái)“可調(diào)諧的收音機(jī)"。

核心組件與工作流程：

輸入衰減器：

作用： 保護(hù)后續(xù)電路。如果輸入信號(hào)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致混頻器等組件過(guò)載，產(chǎn)生失真。

深入理解： 設(shè)置不當(dāng)會(huì)直接影響測(cè)量精度。衰減過(guò)大，會(huì)使小信號(hào)被噪聲淹沒(méi)；衰減過(guò)小，會(huì)造成非線性失真，產(chǎn)生虛假頻率（雜散）。

低通濾波器：

作用： 濾除高于當(dāng)前測(cè)量頻率范圍的信號(hào)成分，防止這些高頻信號(hào)產(chǎn)生“鏡像頻率"干擾測(cè)量。

混頻器：

這是核心部件！ 它是一個(gè)非線性器件，將輸入信號(hào)（f_in）與本振信號(hào)（f_LO）進(jìn)行混合，產(chǎn)生新的頻率成分：和頻（f_in + f_LO）與差頻（|f_in - f_LO|）。

工作關(guān)鍵： 后續(xù)的中頻濾波器只允許固定的中頻 通過(guò)。通常我們選擇差頻，即 |f_in - f_LO| = f_IF。

本地振蕩器：

作用： 產(chǎn)生一個(gè)頻率可掃頻的正弦波信號(hào)。通過(guò)控制電壓，使其頻率從低到高線性變化。

中頻濾波器/分辨率帶寬濾波器：

作用： 這是一個(gè)帶寬可調(diào)的帶通濾波器，中心頻率固定為 f_IF。

深入理解 - RBW的重要性：

RBW 決定了頻率分辨能力。 一個(gè)窄的RBW就像用一個(gè)更細(xì)的“梳子"去梳理頻譜，能將靠得很近的兩個(gè)信號(hào)區(qū)分開(kāi)。

RBW 影響掃描速度。 RBW越窄，濾波器建立穩(wěn)定響應(yīng)所需的時(shí)間越長(zhǎng)，掃描整個(gè)頻率范圍的時(shí)間也就越長(zhǎng)。現(xiàn)代頻譜儀通常有“RBW自動(dòng)耦合"功能，以優(yōu)化速度與分辨率。

檢波器：

作用： 將通過(guò)中頻濾波器的信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為直流電壓。這個(gè)電壓的幅度對(duì)應(yīng)于該頻率點(diǎn)的信號(hào)功率。

視頻濾波器/視頻帶寬：

作用： 這是一個(gè)低通濾波器，對(duì)檢波后的直流電壓進(jìn)行平滑處理。

深入理解 - VBW的作用：

降低顯示噪聲的波動(dòng)。 通過(guò)平均作用，使得噪聲軌跡變得更“細(xì)"，更容易觀察到淹沒(méi)在噪聲中的小信號(hào)。

VBW不會(huì)提高靈敏度（不會(huì)降低噪聲地板），但能改善可讀性。

顯示：

將檢波器輸出的電壓（對(duì)應(yīng)功率）映射到屏幕的Y軸，而X軸的位置則由當(dāng)前本振的頻率決定。隨著本振掃描，屏幕上就畫(huà)出了一條功率 vs. 頻率的曲線。

掃頻過(guò)程的形象比喻：

想象一個(gè)旋轉(zhuǎn)的雷達(dá)天線。天線在某個(gè)時(shí)刻只朝向一個(gè)特定方向（特定頻率），接收該方向的回波（該頻率的功率）。通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)（掃描），它就能構(gòu)建出一幅周圍環(huán)境的全景圖（整個(gè)頻譜圖）。

2、FFT頻譜分析儀（快速傅里葉變換式）

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代頻譜分析儀越來(lái)越多地采用FFT方法。

核心原理：

首先，通過(guò)一個(gè)抗混疊濾波器，限制輸入信號(hào)的頻率。

然后，使用高速ADC 對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字序列。

最后，通過(guò)DSP 對(duì)這段數(shù)字序列執(zhí)行FFT算法，直接將時(shí)域信號(hào)變換成頻域信號(hào)。