频谱分析仪简述
对许多人来说，频谱分析是被少数专家掌握的一种“神秘知识”。人们可能从阅读文献上得到这种印象。它充满着你所看到的原理，构成和不同的等式。应用工程师主要关心的集中在两个问题上：“它是如何工作的和利用它我们能做什么？”
在这篇文章中，HAMEG采用“实用的”途径来解释这些问题。我们将证明使用频谱分析仪进行测量并不比使用示波器难。如果恰当地使用，频谱分析仪在研究和开发，质量保证和电磁兼容方面的应用是多元化的。下面我们将尽可能把原理和数学计算降低到*小。 本文将概述信号分析以及设备和应用种类。例子来自于EMI和频响测量(使用惠美公司的HM5014-2频谱分析仪)的实际应用。 介绍 高性能现代电子（半导体元件，微处理器，振荡器等）发展的一个原因是不断增长的处理速度。信号频率扩展到更高的范围，在这一范围也采用频谱分析。在以下章节，我们将介绍示波器和频谱分析仪各自特殊的优势和劣势。 示波器 电子信号传统的分析方法是显示幅度随时间的变化。示波器正常的Yt工作模式（图1）显示这种变化。人们熟悉这种时间的显示方式。由于这个原因，示波器也用在数字电子中。示波器垂直或幅度刻度是线性的，因此示波器具有低的动态范围（30dB到50dB）。
图1：示波器显示：幅度与时间（Yt工作模式），信号：三角波
用来测量电磁干扰的示波器必须非常快速，而且具有几个纳秒上升时间的特性。因此它们是非常昂贵的。 频谱分析仪 简单的例子是调谐显示收音机。在原理上这是一个“小的”频谱分析仪。当调谐频率时，场强计显示调谐频率的功率密度。从天线得到的收音机的输入信号包含所有电台的频率。当人工在所有频率带宽内调谐一次后，结果显示幅度随频率变化的图形。频谱分析仪就是基于这个原理（图2），在**次世界大战中**次使用频谱分析仪快速得到敌人活动的带宽概况。
图2：频谱分析仪显示：幅度与频率（Yf工作模式）, 信号：三角波
频谱分析仪可以分析信号频率分量到非常高的频率（300GHz）.由于信号进行对数处理，频谱分析仪具有极其高的动态范围（>80dB).输入阻抗50Ω. 频谱分析仪非常脆弱而且容易被高电平信号毁坏（请注意观察其*大输入电压）。 因此，当被测信号未知时，**次测量时建议假设信号电平非常高。在进行任何测量时，进一步强调使用*大衰减和*大频率范围。牢记标准频谱分析仪仅仅能显示信号的幅度是非常重要的，时间和相位信息丢失，然而在实际应用中大多没有影响。 相同信号不同表示 每一个周期信号可以表示为时间或频率的函数。正如以上提及的，这两种表示方法具有不同的品质。因为普通频谱分析仪只保留单一频率分量的幅度，时间和相位信息丢失。因此，频谱分析仪的幅度与频率的显示不能重建时域信号。信号时域和频域表示与傅里叶变换有关。
下面信息原理章节将对其进行详细说明。
表1：示波器/频谱分析仪对比
表1是示波器和频谱分析仪的*重要的特性。图1显示时域信号，图2显示相同信号的频域特性。 信息原理—时域 Jean Joseph Fourier 在1808年指出任一周期信号可以分解成一个基波和它的谐波。电子学上意味着：每一个周期信号（方波，三角波，锯齿波和其它波形）都可以用一系列不同幅度和相位的正弦波来重建。 图3中曲线1到4相叠加得到一个三角波形。基波（曲线1）与信号的周期相同。曲线2到4被称为谐波，谐波频率总是基波频率的整数倍。考虑的谐波越多，显示越接近真实的三角波形。
图3：曲线1-4叠加构成三角波
频域 为了在频域查看三角波，要用到一个实时分析仪。该仪器输入端包含大量并行带通滤波器。如果三角波施加于输入端，只有那些与曲线1到4频率相一致的谐振频率的滤波器输出响应。每一滤波器的输出电压为单一频率的幅度。
表2
傅里叶分析 正如前面所呈现的示波器显示的时域三角波信号（图1）和频谱分析仪显示的频域信号（图2）。 用傅里叶变换进行时域和频域变换，这需要积分。由于频谱分析仪为我们作傅里叶变换，我们可以放弃进行原理上的数学处理。 频谱分析仪Y-刻度 示波器Y轴是线性的。每格对应相同的量。 例子： 1格=2v那么5格显示=10v 相比之下，频谱分析仪Y轴是对数的。因此每格对应相同的dB值。 例子： 1格=10dB那么5格显示=50dB 对数刻度的优点是屏幕能够显示非常大的范围。 dB（decible）等于1/10 Bel单位。一个Bel为两个功率比值取10的对数。它是一个纯数值。（见表3）。
表3：
dB功率计算 图4显示一个双端口：输入电压Vi;输出电压Vo.输入电阻Ri等于负载电阻RL 。双端口功率放大系数dB表示为： Ap=10 (PL/Pi) dB 等式1
图4：双端口功率放大系数dB表示
电压dB表示 如果电压（V）施加于电阻（R）上，将产生等于V2/R的功率。 Pi=Vi2/Ri 和PL=VO2/RL 如果代入等式1，那么 A=10 (VO2×Ri/ Vi2×RL) 当Ri= RL，那么 A=10 (VO2/ Vi2) AV=20 (VO/ Vi) dB 等式2 dB计算举例 假设VO=10V, Vi=2V AV=VO/ Vi=10/2=5 代入等式2： AV=20 10/2dB=+13.96dB 如果一个+19dB放大器后面接入一个-10dB衰减器，那么整个链路的放大系数等于它们之和：-10dB+19dB=+9dB 基于参考电平dB值（=**电平） 单位dB不是一个度量单位，它仅仅表达为两个值的比率；例如电压。对于**电平的应用，参考电平引入到技术应用中。通常1mW作为功率输出的基本参考功率。
既然P=U2/R对任何电阻有效，人们也可以用dBm表示电压。对于参考电阻为50Ω，那么
等式3
作为参考电压。 为了避免dBm电压的不确定性（参考电阻50Ω，75Ω，600Ω），通常参考电压电平为1μV.对于大电压，1V作为参考电平。
例如：
其它应用： dBμV是以参考电平（1μV）为基础的信号电压大小的度量。也许没有特别的用途，但是电源电压也可以用dBμV来表示。 AV=20 （230V/1μV ）dB=167dBμV 对于功率同样有有效的表达方式，这里要使用等式1.参考值是1mW.如果输出功率为4mW，那么可计算出输出为6dBm. dBm与mW转换 在频谱分析仪上AP直接用dBm表示。如果读数为-47dBm，那么输出功率可以转化为：Mw. 等式1是：
即：如果频谱分析仪读数为-47dBm，那么相应的频率-输出功率为2nW. dBm与mV转换 为了把功率转化为电压，必须参考固定的端接电阻。频谱分析仪为50Ω的输入阻抗。 根据等式3：
根据等式2： AV=20 (VO/Vref)
dBm与dBμV转换 从等式3可以得到：
代入等式2：
因此总的关系为：
总结：dBm增加107dB得到dBμV值；相反，dBμV减去107dB得到dBm值。（见表4）
表4：参考幅值电平定义
频率范围 这个参数是频谱分析仪价格*重要的决定性因素。具有1GHz的仪器大多可以测量业余频带，ISM频带（433MHz）,D蜂窝电话系统频率范围，低GSM频带,无线电和TV频带以及EMI测量频带。高于1GHz成本显著增加，例如在**级混频器中需要稳定频率的YIG(钇铁石榴石)振荡器。 分辨率 分辨率定义频谱分析仪区分两个邻近信号的能力。这种能力依赖于IF部分的特性，即滤波器的带宽和斜率（见图5）。例如如果*小带宽为9kHz，那么两个谱线的*小频率间隔也是9kHz，否则不能单独识别。然而带宽小于10kHz需要高品质的振荡器。例如FM信号需要这样的品质。
图5:超外差频谱分析仪方框图
频率稳定性 当然，频谱分析仪的频率稳定性必须比被测信号高。整个仪器的稳定性取决于本地振荡器的稳定性。需要长期和短期稳定性指标。 幅度精度 通常频谱分析仪的垂直系统是校准的对数刻度。假设标准8cm可以显示幅度80dB,这等于电压比率1∶10，000. 幅度测量的精度受频响和频率放大器的影响。±1dB的总误差可以认为是非常优良的。 动态范围/压缩 频谱分析仪的动态范围是一个重要的特性，它决定可显示的低和高幅度范围。 *大电平受限于混频器的线性制约，它可能产生失真和错误信号。 可用的*低信号电平由仪器噪声电平决定。噪声可以通过降低滤波器带宽来降低，由等式4和5举例证明，这样可以增加动态范围。 输入灵敏度 灵敏度定义*小的信号测量和噪声电平限值。只有大于噪声的信号可以测量。噪声可以分为热噪声和非热噪声。 热噪声为：
等式4
其中 Ptherm: 噪声功率 K:波尔兹曼常数=1.38×10exp.-23VAs/degr.K T:**温度 B:带宽 B(dB)=10 B(IF)(HZ)等式5 等式4表明噪声功率与带宽成正比。减小滤波器带宽10倍，噪声功率降低10dB,也就是灵敏度提高10dB.所有其它噪声假设是非热噪声。 前面描述的频谱分析仪可以扫描宽频带和窄频带。所有在频谱分析仪频率范围内的信号可以转换为中频和通过IF滤波器。滤波器后的检测器只响应滤波器带通内的噪声，而且只显示这个噪声。因此，可以通过使用*小滤波器带宽得到*大灵敏度。 当对比频谱分析仪时，注意滤波器带宽是否相同是非常重要的。 在室内温度，原理上10kHz带宽灵敏度可达-134dBm,而且具有上等的平方滤波器响应。接近-131 dBm的信号可以看到，相当于信噪比为3dB.当然，这样的数值很难得到。-100dB是非常实际的，可以认为通过努力达到-115dBm。