频谱分析仪的发展应用和实战操作

Rohde-Schwarz主流通用频谱仪FSP

Rohde&Schwarz手持频谱仪FSH系列

发展历程

频谱分析仪从发明以来，经历了模拟线路频谱仪、单片机程控频谱仪、电脑数字化频谱仪的发展历程。随着集成电路和微处理器电路的迅猛发展以及对信号测量要求的提高，频谱仪的工作频率不断提高，精度不断提升，体积和重量不断缩减。从早期巨大笨重的台式频谱仪，发展到广泛使用的便携式频谱仪，以及近年来现场应用越来越多的手持式频谱仪，频谱仪正向着数字化、高精度化、小型化发展。

老式的频谱仪为纯电路结构，早期的产品采用与示波器一样的示波管进行显示，通过快速扫描的接收机来形成频谱图。这类频谱仪基本没有自动测量功能，测量信号幅度靠人工对照示波管刻度进行数数，功能单一，只具有频谱仪基本的频率扫描和幅度显示功能，且精度很低。目前在主流应用中已基本淘汰。

单片机程控频谱仪是通过单片机微处理器来控制的频谱仪，虽然从外观上看，最早期的数字频谱仪依然采用示波管显示，但增加了字符发生器电路，在仪器屏幕上可以看到一些设置信息，并具有了一些自动测量功能。随后，高性能的微处理器和频率合成器电路相继被引入，使得频谱仪的工作精度、分辨率和程控化水平得到显著提高。显示屏由示波管发展为CRT管，显示的频谱图是通过微处理器计算后形成的，并增加了很多数控和自动测量功能，屏幕上显示的信息一下子多了很多，频谱仪的分辨率显著提高到1kHz的水平，部分高端产品达到了1Hz级别。

现代的数字化频谱仪除了射频信号处理单元，其余部分基本都数字化了。很多附加的专项测量功能，如TETRA信号测量、GSM信号测量，都能以软件开通形式添加，显示屏改为彩色液晶显示，并且进一步缩减了频谱仪的体积和重量，扫描速度进一步提高，背景噪声和相位噪声也得到了进一步控制，频谱仪的性能提高到一个新的水平，这更有利于对微小信号的测量。

此外，新结构体系的实时频谱仪也全新登场，更有利于对遂发的信号进行捕捉。

传统的频谱仪一贯比较笨重，比同年代的示波器重得多。很多大型台式频谱仪两个人都很难抬得动，即便是后期的HP8563E（CRT管型）之类，属于便携型的频谱仪，也有20kg重。随着液晶屏替代CRT显像管，以及仪器内部线路的进一步集成化，频谱仪的重量也有所减轻，如E4403B，重量在15kg左右。新一代的手持频谱仪成为现场检测中轻便灵巧的工具，新的N9340B装上电池的重量只有3.5kg左右，Rohde&Schwarz的 FSH3仅重2.5kg。

性能与指标

标志频谱分析仪性能和特性的主要指标有工作频率范围、分辨率带宽、频率扫宽、动态范围、扫描速度、端口阻抗、平均噪声电平、相位噪声、绝对幅度精度。

频谱分析仪的工作频率范围是指频谱仪最高工作频率和最低工作频率，标志着频谱仪可以显示频谱的最大范围。在射频应用中，用户往往更关心频谱仪的最高工作频率，这使其成为用户关心频谱仪性能的第一指标。

随着2.4GHz和5.8GHz频段应用的增多，通信信号使用频率不断提高，对频谱仪最高工作频率的要求也不断提升。早期的常规频谱仪工作频率最高在 1~2GHz，当时看上去已经很高了，而现在的频谱仪基本上都是从3GHz起步，工作频率高的可以达到50GHz，很多实验室都将40GHz的频谱仪作为标准配置。对于一些频率很低信号的应用也有对应专用的低频频谱分析仪，工作频率在10mHz~100kHz。

频谱分析仪的档次不仅仅取决于工作频率范围，信号显示的品质高低更关系到分辨率、带宽、频率扫宽、动态范围、扫描速度、平均噪声电平、相位噪声、绝对幅度精度等指标。分辨率、带宽与频谱仪对信号的解析能力有关，对于一些窄带信号，使用高分辨率更容易展现信号的特征。通常，高档的频谱仪分辨率基本可以做到 1Hz水平，中档产品在100Hz~1kHz水平。高动态的频谱仪有利于信号的显示，并可以减小信号的失真，特别适合大小信号并存的情况。

频谱仪的扫描速度与仪器硬件处理性能有关，扫描速度关系到信号显示的实时性。绝大部分的频谱仪都属于扫频型构架，高扫描速度带来高刷新率，这对于捕捉偶发的信号更为有利。高速扫描处理能力使得用户有机会设置、使用更大的扫描带宽和更精细的分辨率，同时频谱图刷新不至于太慢。对于需要检测微小信号的应用，就需要低噪声的频谱仪，这对仪器的放大器电路和频率合成器以及基准都提出了很高的要求。对于很多小信号的测量，并不是只需加个放大器那么简单。

作为附加和扩展功能，硬件上主要有跟踪发生器、前置放大器、中频输出、通信端口。跟踪发生器主要是用来配合频谱仪显示两端口网络的频幅特性，前置放大器主要用来显示微小信号，多用在EMC/EMI中。在软件上，主要是授权一些功能的开放和附加测量功能的软件。

此外，频谱分析仪还有一个“近亲”——“信号分析仪（signal analyzer）”。通常，信号分析仪与频谱仪同宗同源，但具有更高的参数指标，更适合测量特定的复杂信号。

在同等级技术水平下，台式频谱仪的性能无疑是最好的。目前高性能的频谱仪和信号分析仪体积和重量虽有改善，但都还是很大，其提供的一流性能主要适合对复杂和瞬时信号进行精密分析和对新型数字信号进行测量。便携式频谱仪一般可以视为通用频谱仪，提供主流的性能，适合常规传统应用。手持式频谱仪提供尚可的性能，适合现场的快速检测和高移动性要求。