坤恒大讲堂：深入探索频谱分析仪的架构基础与工作原理（图文）

频谱分析仪是一种功能多样的电子测量设备，专门设计用于评估信号的各项关键特性，包括但不限于信号失真度、调节系统性能、谱纯度、频率稳定性以及交叉失真等。其核心应用领域聚焦于射频（RF）与微波信号的分析与检测，这些高频信号在无线通信、航空航天、科学研究等众多领域内扮演着至关重要的角色。频谱分析仪凭借其高精度、宽频带覆盖及强大的分析能力，成为这些领域中不可或缺的测试工具，帮助工程师和技术人员确保信号质量，优化系统性能，并推动技术的持续进步与创新。

频域对时域

在深入探讨频谱分析仪之前，或许读者心中会浮现这样的疑问：“频谱究竟是何物？为何它值得我们如此细致地分析？”长久以来，我们习惯于以时间为轴，记录并解析事件发生的瞬间，这一方法同样适用于电信号领域。示波器作为我们的得力助手，能够直观地展示电信号（或经传感器转换的电压信号）随时间变化的波形，让我们在时域中捕捉到信号的动态特征。

然而，傅立叶变换的奇妙之处在于，它揭示了信号世界的另一番景象——频域。根据傅立叶理论，任何在时域中看似复杂的电信号，都可以被拆解为一系列简单正弦波的叠加，这些正弦波各自拥有独特的频率、幅度和相位。换言之，时域信号与频域信号之间存在着一种深刻的对应关系，通过转换，我们可以在频域中清晰地看到信号在不同频率上的能量分布。

频谱，正是这一转换过程的产物，它展示了信号在频域中的全貌。利用适当的滤波技术，我们可以将图 1 的信号波形分解为若干个独立的正弦波分量，即频谱分量，进而对每个分量进行细致的分析。每个分量都以其独特的幅度和相位信息，为我们揭示了信号在不同频率上的特性。

在某些测量场景中，为了全面理解信号，我们需要掌握其频率、幅度乃至相位的全部信息。但值得注意的是，即便在不了解各正弦分量间相位关系的情况下，我们依然能够执行许多关键的信号测量任务。这种专注于信号频率和幅度特性的分析方法，便是频谱分析。它不仅简化了信号理解的复杂度，还因其直观性和实用性，在信号处理领域占据了举足轻重的地位。

为了正确地从时域变换到频域， 理论上必须涉及信号在整个时间范围(即在正负无穷大的范围内)的各时刻的值，不过在实际测量时我们通常只取一段有限的时间长度。按照傅立叶变换理论，信号同样也可以从频域变换到时域，当然，这涉及理论上在正负无穷大的频率范围内对信号的所有频谱分量值作出估计。实际上，在有限带宽内进行的测量获取了信号的大部分能量，其结果是令人满意的。

图 1 复合时域信号

什么是频谱

频谱，是一组正弦波通过特定方式组合后，在时域中形成的复杂信号的基本构成。图1直观地展示了一个这样的复合信号波形，它显然不是单一、纯粹的正弦波形状，仅凭肉眼观察难以洞察其内在构成。然而，当我们转向图2，该图同时在时域和频域内揭示了这一复合信号的全貌。在频域图中，我们可以清晰地看到频谱中每个正弦波分量的幅度如何随着频率的变化而变化。特别地，该图指出该信号频谱由三个主要的正弦波分量构成，这解释了为何原始信号看起来不是纯正弦波：它实际上是由基波以及两个额外的正弦分量——二次谐波和三次谐波一一共同叠加而成的。

尽管如此，这并不意味着时域测量的重要性有所减损。相反，时域测量在特定场合下仍具有不可替代的优势，且某些关键参数的测量只能在时域中完成。例如，脉冲信号的上升时间和下降时间、过冲现象以及振铃效应等，这些都是纯时域测量范畴内的关键指标，它们直接关联到信号的质量和性能，对于确保系统的稳定性和可靠性至关重要。因此，时域测量与频域分析相辅相成，共同构成了全面理解和优化信号特性的重要手段。

图2 时域信号和频域信号的关系

为什么要测量频谱

我们已经在图 1 和 图2 看到的，频域测量更适于确定信号的谐波分量。在无线通信领域，人们非常关心带外辐射和杂散辐射。例如在蜂窝通信系统中，必须检查载波信号的谐波成分，以防止对其他有着相同工作频率与谐波的通信系统产生干扰。工程师和技术人员对调制到载波上的信息的失真也非常关心。三阶交调 (复合信号的两个不同频谱分量互相调制) 产生的干扰相当严重，因为其失真分量可能直接落入分析带宽之内而无法滤除。频谱监测是频域测量的又一重要领域：政府管理机构对各种各样的无线业务分配不同的频段，例如广播电视、无线通信、应急通信等其他业务，保证不同业务工作在其被分配的信道带宽内是至关重要的，通常要求发射机和其他辐射设备应工作于紧邻的频段。在这些通信系统中，针对功率放大器和其他模块的一项重要测量是检测溢出到邻近信道的信号能量以及由此所引起的干扰。另外，任何有源电路或器件都会产生额外噪声，我们经常用频谱对噪声进行测量，通过噪声系数和信噪比(SNR)能够描述器件的性能及其对总体系统性能的影响。

频谱仪发展历史

频谱仪是一种用于测量和分析信号频率和幅度的仪器，其发展历史可以追溯到 20 世纪初期。主要分为以下几个阶段：

一、早期频谱仪

在 19 世纪末 20 世纪初期，频谱仪最初是由物理学家和工程师用于测量和分析电磁波的频率和相位的仪器。最早的频谱仪是基于克鲁克斯管 (Kerr 管) 和威尔逊管 (Weber 管) 的设计，这些管子都是真空管，可以用来检测和测量电磁波的频率和相位。

在 20 世纪初期，随着电子学的发展和技术的进步，频谱仪的设计和应用也得到了极大的发展。其中最著名的是约翰·汤姆森 (John Joule) 和威廉·维恩 (William Violet) 发明的质谱仪 (Mass Analyzer),这种仪器可以用来测量分子的质量和组成。质谱仪的发明为频谱仪的发展奠定了基础，因为频谱仪和质谱仪都是用来分析和测量信号的仪器。

二、现代频谱仪

在 20 世纪 50 年代和 60 年代，频谱仪的设计和应用得到了进一步的发展。此时，频谱仪开始广泛应用于通信、无线电定位、声学、光学和核物理学等领域。现代频谱仪通常由放大器、混频器、滤波器、检测器和控制器等部分组成，具有高精度、高速度和高可靠性等特点。

三、未来频谱仪

在未来，频谱仪的发展将更加注重智能化、自动化、高精度、高灵敏度、低噪声、大带宽等方向发展。

主流的频谱分析仪

最初的扫描调谐超外差分析仪仅能测量信号幅度。随着技术的不断发展和通信系统的日益复杂，相位在测量中的地位越来越重要。通过对信号进行数字化，在经过一级或多级频率转换后，信号中的相位和幅度信息可以得到保留和显示出来。因此当前的频谱分析仪 (例如 KSW-VSA01) 综合了模拟、矢量和 FFT (快速傅立叶变换) 分析仪的特点。为了进一步改进功能，KSW-VSA01还融入了实时FFT分析、脉冲分析、LTE、移动通信等协议信号解调和分析；另外，KSW-VSA01系列信号分析仪还融合了计算机，并配有高带宽、大容量的SSD固态硬盘，可对原始信号进行存储和后期分析。

图3 KSW-VSA01系列频谱分析仪

频谱分析仪原理

图4是一个超外差频谱分析仪的简化框图。"外差" 是指混频，即对频率进行转换;而"超"是指超过音频频率或高于音频的频率范围。从图中我们看到， 输入信号先经过一个衰减器， 再经低通滤波器到达混频器，然后与来自本振 (LO) 的信号相混频。由于混频器是非线性器件，其输出除了包含两个原始信号之外，还包含它们的谐波以及原始信号与其谐波的和信号与差信号。若任何一个混频信号落在中频 (IF)滤波器的通带内，它都会被进一步处理(被放大可能还有按对数压缩)。其重要的处理过程有包络检波、数字化以及显示。斜波发生器在屏幕上产生从左到右的水平移动，同时它还对本振进行调谐，使本振频率的变化与斜波电压成正比。频谱分析仪的输出是屏幕上的X-Y轨迹，屏幕上由 10 个水平网格和 10个垂直网格组成的标度盘上。横轴表示频率，其标度值从左到右线性增加。频率设置通常分为两步: 先通过中心频率控制将频率调节到标度盘的中心线上，然后通过频率扫宽控制再调节横跨 10 个网格的频率范围 (扫宽)。这两个控制是相互独立的， 所以改变中心频率时， 扫宽值并不改变。另外，我们可以采用设置起始频率和终止频率的方式来代替设置中心频率和扫宽的方式。 不管是哪种情况， 我们都能确定任意被显示信号的绝对频率和任何两个信号之间的相对频率差。纵轴表示功率或幅度，可以选用以电压定标的线性标度或以分贝 (dB) 定标的对数标度。 对数标度比线性标度更经常使用，因为它能反映出更大的数值范围。 图5是一个典型的频谱分析仪的显示。

图4. 典型超外差频谱分析仪的结构框图

图5.典型的频谱分析仪的显示

射频衰减器

频谱分析仪的第一部分是射频输入衰减器。它的作用是保证信号在输入混频器时处在合适的电平上，从而防止发生过载、增益压缩和失真。由于衰减器是频谱仪的一种保护电路，所以它通常是基于参考电平值而自动设置，不过也能以10dB、5dB、2dB、1dB的步进来手动选择衰减值。

低通滤波器或预选器

低通滤波器的作用是阻止高频信号到达混频器。从而可以防止带外信号与本振信号相混频，从而在中频产生额外多余的频率响应。微波频谱分析仪用预选器代替了低通滤波器，预选器是一种可调滤波器，能够滤掉我们所关心的频率以外的其他频率上的信号。在后续的文章中，我们将详细介绍对输入信号进行过滤的目的和方法。

分析仪调谐

怎样将频谱仪的输入信号调谐至我们所希望的频率范围，调谐取决于中频滤波器的中心频率、本振的频率范围和允许外界信号到达混频器(允许通过低通滤波器)的频率范围。从混频器输出的所有信号分量中，有两个具有最大幅度的信号是我们最想得到的，它们是由本振与输入信号之和以及本振与输入信号之差所产生的信号分量。如果我们能使想观察的信号比本振频率高或低一个中频，则所希望的混频分量之一就会落入中频滤波器的通带之内，随后会被检波并在屏幕上产生幅度响应。在实际实现上，由于很难实现滤波器矩形系数接近为1.0的滤波器，一般把输入信号通过2~4级混频后才到达中频信号，如图6所示。在后续的文章中，我们将详细介绍频谱分析仪的调谐方法和分析。

图6 频谱分析仪多次混频实现框图

中频增益

再看中频增益控制器，它用来调节信号在显示器上的垂直位置而不会影响信号在混频器输入端的电平。当中频增益改变时，基准电平值会相应的变化以保持所显示信号指示值的正确性。在常规操作中，为了确保基准参考电平在调整输入衰减时维持恒定，射频输入衰减器与中频增益的调节的设置是联动的。具体而言，当输入衰减值发生变化时，系统会智能地自动调整中频增益的级别，以补偿由输入衰减变动带来的信号强度变化，从而确保信号在显示界面上的位置稳定不变，维持了观测的一致性和准确性。

中频滤波器

信号经过中频增益放大器之后，就是由模拟和/或数字分辨率带宽(RBW)滤波器组成的中频滤波部分。顾名思义，该滤波器在频谱分析仪中主要起两个不同频率的信号是否能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异，两个不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪的RBW，此时该两信号将重叠，难以分辨，如图7，不同RBW下连个信号在屏幕上的显示，当RBW较大时，很难分辨出两信号。较低的RBW固然有助于不同频率信号的分辨与测量，但是低的RBW将滤除较高频率的信号成份，导致信号显示时产生失真。关于RBW滤波器，我们会在后续的文章中进行详细的分析。

图7 不同RBW下连个信号在屏幕上的显示

包络检波器

老式分析仪通常会使用包络检波器将中频信号转换为视频信号（一种频率范围从零赫兹(直流)到由电路元件决定的某个较高频率的信号。频谱仪早期的模拟显示技术用这种信号直接驱动CRT的垂直偏转, 因此被称为视频信号）。最简单的包络检波器由二极管、负载电阻和低通滤波器组成，如图8 所示。

图8 最简单的包络检波器

现代数字技术实现的分辨率带宽滤波器不包括模拟的包络检波器，而是用数字处理计算出 I、Q 两路数据平方和的方根，这在数值上与包络检波器的输出基本相同，另外数字实现的检波器还可以直接输出功率和对数。

图9 数字实现的包络检波器

视频滤波器和轨迹平均

当RBW设置比较大时，进入频谱仪的噪声也比较大，信道的抖动比较大，特别是在小信号的时候，为了稳定观察某一信号，频谱仪一般采用平滑方法来处理包络检波器输出幅度的变化。该方法主要是视频滤波和轨迹平均。下面将对它们进行介绍。

视频滤波

要识别靠近噪声的信号并不只是 EMC 测量遇到的问题。 如图10所示，频谱仪的显示是被测信号加上它自身的内部噪声。

图10 频谱仪显示的小信号加噪声

为了减小噪声对显示信号幅度的影响，我们常常对显示进行平滑或平均。频谱仪所包含的可变视频滤波器就是用作此目的。它是一个低通滤波器，位于包络检波器之后，并且决定了视频信号的带宽，该视频信号稍后将被数字化以生成幅度数据。此视频滤波器的截止频率可以减小到小于已选定的RBW滤波器的带宽。这时候，视频系统将无法再跟随经过中频链路的信号包络的快速变化，结果就是对被显示信号的平均或平滑，如图11所示。

图11 减小VBW对测量的影响

这种效果在测量噪声时最为明显，尤其是选用高RBW的时候。当减小视频带宽，那么噪声峰峰值的波动变化也随之减小。如图12所示，减小的程度(平均或平滑的程度) 随视频带宽和分辨率带宽的比值而变。当比值小于或等于0.01时，平滑效果较好，而比值增大时，平滑效果则不太理想。换言之，当 VBW >RBW，其对噪声的平滑效果影响不大；反之当VBW<RBW，其视频滤波器对噪声的平滑效果较为明显。

图12 VBW分别为1M（黄）、10K（绿）、1k（红）的平滑效果

轨迹平均

数字显示提供了另一种平滑显示的选择:轨迹平均。这是与使用平均检波器完全不同的处理过程。它通过逐点的两次或多次扫描来实现平均，每一个显示点的新数值由当前值与前一个平均值再求平均得到，即：

因此，经过若干扫描后显示会渐渐趋于一个平均值。通过设置发生平均的扫描次数， 可以像视频滤波那样选择平均或平滑的程度。图13a和图 13b显示了不同扫描次数下获得的轨迹平均效果。尽管轨迹平均不影响扫描时间，但因为多次扫描需要一定的时间，因此要达得期望的平均效果所用的时间与采用视频滤波方式所用的时间大致相同。

在大多数场合里无论选择哪种显示平滑方式都一样。如果被测信号是噪声或非常接近噪声的低电平正弦信号，则不管使用视频滤波还是轨迹平均都会得到相同的效果。不过， 两者之间仍有一个明显的区别：视频滤波是对信号实时地进行平均，即随着扫描的进行我们看到的是屏幕上每个显示点的充分平均或平滑效果，每个频点只做一次平均或平滑处理。而轨迹平均需要进行多次扫描来实现显示信号的充分平均，且每个频点上的平均处理发生在多次扫描所需的整个时间周期内。所以对于某些信号来说，采用不同的平滑方式会得到截然不同的效果。比如对一个频谱随时间变化的信号采用视频平均时，每次扫描都会得到不同的平均结果。但是如果选择轨迹平均，所得到的结果将更接近于真实的平均值。

图13a 采用VBW滤波器的平滑效果

图 13b 采用平均轨迹的平滑效果

显示检波器

现代频谱分析仪基本都采用数字显示技术，该技术需要我们确定对每个显示数据点， 应该用什么样的值来代表。无论我们在显示器上使用多少个数据点，每个数据点必须能代表某个频率范围或某段时间间隔 (尽管在讨论频谱分析仪时通常并不会用时间)内出现的信号。这个过程好似先将某个时间间隔的数据都放到一个信号收集单元(bucket)内，然后运用某一种必要的数学运算从这个信号收集单元中取出我们想要的信息。随后这些数据被放入存储器再被写到显示器上。后续的文章中这里我们将详细讨论几种常用不同类型的检波器（常态、正峰值、负峰值、取样、视频平均、RMS、准峰值、CISP平均，如图14）。每个信号收集单元内包含由以下公式决定的扫宽和时间帧的数据:

频域: 信号收集单元的宽度 = 扫宽 / (轨迹点数–1)

时域: 信号收集单元的宽度 = 扫描时间/(轨迹点数–1)

不同仪器的采样速率不同，但减小扫宽和/或增加扫描时间能够获得更高的精度，因为任何一种情况都会增加信号收集单元所含的样本数。采用数字中频滤波器的分析仪，采样速率和内插特性按照等效于连续时间处理来设计。

图14 不同类型显示检波器对同一信号显示结果

显示

频谱仪的终端核心组件是显示器，它扮演着将仪器探测到的频率成分直观呈现给用户的角色。这个显示器通常以频谱图表的形式展现，能够清晰地描绘出输入信号的频谱分布，并且同步展示用户自定义的参数设置信息。这一设计旨在为用户提供一个便捷的工具，以助于深入分析和精确诊断输入信号的特性。

总结

本文主要从时域到频域开始引入并介绍频谱仪及其发展史，主要介绍通用频谱分析仪的基础架构及对其信号分析原理，在后续的文章中，我们将较详细介绍现代主流频谱分析仪关键模块技术原理的介绍、关键技术指标及其实现、信号的测试和分析方法等。

成都坤恒顺维科技股份有限公司成立于2010年，是专注于研发高端无线电仿真测试仪器仪表及系统解决方案的高新技术企业，上交所科创板上市公司（证券代码：688283）。公司重点面向无线通信、导航、车联网、物联网等领域，提供了从研发测试、生产测试、质检和维修测试的全生命周期解决方案，主要产品及解决方案包含无线信道仿真仪、矢量信号发生器（信号源）、频谱分析仪等仪器仪表及大规模组网、复杂电磁环境性能评估等仿真测试系统方案，为客户提供全方位技术支持与售后服务。