一文简明扼要的了解频谱分析仪基础知识

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频谱分析仪大概是最容易「会操作」的一台仪器——按键就那几个，屏幕上一条曲线。难的是知道自己在看什么，以及为什么要看这一项。

这篇把常用的那一层基础串一遍：频域与频谱是什么关系、两种实现方式怎么选、功率/调制/失真/噪声四类测量各自回答什么问题，最后把 dB 这个绕不开的量说清楚。

01   频域、频谱，和从频谱上能读到什么

频域是描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系。频谱则是频率的分布曲线——一个复杂振荡分解成若干振幅不同、频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排开，就是频谱。

从频谱上能直接读到两件事：信号包含哪些频率成分，各成分的幅度是多少。再往后一步，是通过这些成分的形态反推产生该信号的设备有没有问题——这是频谱分析在工程上的主要用途。

同一个信号：时域给波形，频域给谱线；正弦波只有一根线，方波是基波加一串奇次谐波

最常见的对照是时域和频域。同一个信号，示波器给的是幅度随时间的变化，频谱仪给的是幅度随频率的分布。这个转换关系是后面所有指标的基础——谐波、互调、ACPR 说的都是「多出来的那几根线」。

02   两种实现：FFT 式与扫频式

按工作原理分，频谱分析仪走两条路线。

FFT 式先把信号数字化，再做快速傅里叶变换：信号经低通滤波、ADC 采样、存入 RAM，最后由 FFT 算出频谱。它能一次拿到整段频谱，适合瞬态信号和宽带信号的观察。

FFT 式：低通滤波 → ADC → RAM → FFT → 显示

扫频式走的是模拟路线：信号经衰减器、混频器下变频，过一个分辨率带宽（RBW）滤波器，再由检波器给出幅度。它是逐点扫过频率轴，所以扫宽越宽、RBW 越窄，扫完一次花的时间越长。

扫频式：衰减器 → 混频器 → RBW 滤波 → 检波 → 显示

选哪条路线，取决于你要看的是一段频谱的整体形状，还是某一个频点上的细节变化：前者偏 FFT，后者偏扫频。扫宽与 RBW 的组合，决定了你能不能在有限的时间里把一个弱信号从噪底里分出来。

03   为什么要做频谱分析

有些系统本身就是频域定义的。电信里的 FDM 频分复用、广播电台的多路复用，都是在带宽受限的信道里塞进多个信号。这类系统的设计、验收、排障都绕不开频谱——不看频谱，就没法判断信道里到底有几个信号、各自的功率落在哪儿。

另一个常见用法是定位干扰。设备自身产生的杂散、外部串进来的信号，在频域上是可以分开的；落到时域里它们往往叠在一起，分不清谁是谁。

04   功率：发射机设计的第一道约束

发射功率设计偏小，信号到不了目的地；设计偏大，换来的是高能耗、高温升和失真。功率测量在系统验证里出现频率极高，原因就在这个两头受约束的位置上。

功率是所有其他指标的基准。调制质量的 EVM、失真的 ACPR、噪声的功率谱密度，最终都要回到「相对多少功率」这个口径上；功率测不准，后面几项都站不住。

05   调制：从「为什么调制」到「测什么」

调制是把各种基带信号转换成适于信道传输的频带信号，解调是在接收端把收到的频带信号还原成基带信号。为什么要调制，三条理由：把基带信号变换成适合在信道中传输的形式、改善系统的抗噪声性能、实现信道的多路复用。

调制测量回答的是「信号发出去对不对」。模拟调制看调制深度、边带功率、载波功率、调制效率、占用带宽；数字调制看误差矢量幅度（EVM）、IQ 不平衡、相位误差随时间的变化。

这几项里，EVM 是数字调制最常用的一个总账指标——它把幅度误差、相位误差、IQ 不平衡合在一起给一个数。想知道是谁贡献了这些误差，才需要拆到 IQ 不平衡和相位误差上看。

06   失真：谐波、互调、ACPR、杂散

理想线性电路对正弦输入的输出，仍是同频正弦、只是幅度和相位可能不同。输出里出现的任何其他频率，都算失真。

谐波失真是最基础的一类：非线性把基波能量分到 2 次、3 次谐波上。常用三个量来描述——最大谐波、相对谐波失真（基波与最大谐波的差值）、总谐波失真 THD（谐波总量占基波的百分数）。

单频信号进非线性放大器，输出多出 2 次、3 次谐波

互调失真发生在两个以上频率同时进入非线性器件的时候：输出除了这两个信号本身的谐波，还会多出它们的和频与差频。其中 2f1−f2、2f2−f1 这类三阶产物最容易落进有用信号频带内，「与原始信号越接近的失真越难处理」说的就是这件事——它没法用滤波器滤掉。

双音输入：蓝为原信号，绿为二阶产物，红为三阶产物，三阶紧贴有用频带

ACPR（邻近信道功率比）定义为相邻频道内平均功率与发射信号频道内平均功率之比，衡量的是发射机硬件非线性对隔壁信道造成的干扰大小。做基站和手机射频的人对这项最熟。

主信道带宽、邻道带宽与信道间隔的关系

杂散辐射（spurious emissions）指的是模拟信号处理过程中，经频率变换和信号放大产生、又随有用信号一起从天线辐射出去的无用信号，来源多是 n 次谐波和混频副产品。它和 ACPR 的区别在位置：ACPR 看紧邻信道，杂散看任意频点。

07   噪声：功率谱密度与等效噪声带宽

噪声测量的两个基本量是噪声功率谱密度和等效噪声带宽。前者把噪声按单位带宽归一化，让不同带宽下测到的结果能互相比较；后者是接收机实际贡献噪声的那个等效宽度。噪声系数、灵敏度这些指标的底层，都是这两项。

08   dB 与 dBm：为什么非要对数

分贝是借助功率比定义的：A(dB) = 10log(P1/P2) = 20log(V2/V1)。取 1 mW 作参考值，绝对值就用 dBm 表示：P(dBm) = 10log(P/0.001)。

用对数有两个直接好处：把跨好几个数量级的信号电平压到同一块屏幕上；把增益和损耗的乘法运算变成加法运算。

同一个信号：线性坐标下 10 µV 看不见，对数坐标下两者并存

幅度坐标选线性还是对数，决定了你在一屏里能同时看到什么。1 V 与 10 µV 相差十万倍，线性刻度上小的那个根本画不出来；换成 100 dB 动态范围的对数刻度，两者可以并排显示。频谱仪默认用 dB，原因就在这里。

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