频谱分析仪：原理及类型介绍

您是电气工程师吗？您用过频谱分析仪吗？

大多数（希望是所有！）电气工程师都知道示波器是什么，并且也使用过，也许还有许多电气以外其他学科的工程师也是如此。我猜想在大多数电气工程师刚进入大学时，示波器就走进了他们的生活。但是，说到频谱分析仪，一些执业的电气工程师可能都不知道是什么，更不用说用过。

什么是频谱分析仪？

对于许多电气工程师来说，除了具有更多的功能和图形，频谱分析仪看起来就像示波器。但是，虽然示波器和频谱分析仪都在垂直轴上显示信号的幅度，但两者之间的差异是水平轴显示的参数，示波器显示时间，而频谱分析仪显示频率。下图显示了在 Rigol 的 DSA815-TG 频谱分析仪上显示的多个频率测量值。

图 1：频谱分析仪在水平轴上显示频率测量值。（图片来源：Rigol Technologies[1]）

据 Keysight Technologies 称，频谱分析仪“在仪器的整个频率范围内测量输入信号的幅度与频率的关系。其主要用途是测量已知和未知信号频谱的功率。”^[2] 换句话说，频谱分析仪允许用户“分析频谱”，其中频谱定义为一个正弦波的集合，这些正弦波组合起来以产生时域信号。

例如，让我们在示波器上观察一个信号（图 2）。

图 2：示波器上显示的一个信号（图片来源：Agilent Technologies[3]）

该信号明显不是纯正弦波，而频谱分析仪可确定构成该信号的每个正弦波。在频谱分析仪识别出这些波形之后，即会绘制出每个波形的幅度与频率的关系。如图 3 所示，图 2 中的信号仅由两个正弦波组成。

图 3：时域信号（示波器上显示）与频域信号（频谱分析仪上显示）之间的关系（图片来源：Agilent Technologies[3]）

频谱分析仪的类型：技术类型和外形尺寸

频谱分析仪主要有两类：扫描调谐分析仪和实时分析仪，后者又称为实时频谱分析仪或 RTSA。这两种类型已经使用多年，它们在垂直轴上显示幅度，在水平轴上显示频率，但如何“分析频谱”是二者的区别所在。

鉴于扫描调谐频谱分析仪“只不过是频率范围可自动调谐（扫描）的频率选择式电压计”^[4]，所以认为这些传统类型的分析仪“起源于无线电技术”就一点也不足为奇^[4]。并且由于扫描调谐频谱分析仪“无法同时评估给定范围内的所有频率”^[4]，因此主要用于测量稳态或重复信号。这些分析仪已经成功地服务于合规工程界几十年，例如合规前测试和 EMC/EMI 测试。

与扫描调谐频谱分析仪不同，实时频谱分析仪可同时评估所有频率。实时频谱分析仪的工作原理是，首先获取时域数据，然后使用快速傅立叶变换 (FFT) 将数据转换为频域。

频谱分析仪有各种各样的外形尺寸，包括台式（图 4）、手持式（图 5）和便携式。

图 4：Teledyne LeCroy 的 T3SA3200 台式频谱分析仪提供 9 kHz 至 3.2 GHz 的频率范围。（图片来源：Teledyne LeCroy[5]）

图 5：Seeed Technology 的 RF Explorer Model 2.4G 是一款 2.35 GHz 至 2.55 GHz 的手持式频谱分析仪。（图片来源：Seeed Technology）

台式型号的性能通常要优于手持式型号，但价格可能更高。手持式频谱分析仪既便宜又小巧，但仅提供台式分析仪的一部分功能。便携式分析仪配有电池组，因而可以携带到现场使用（包括某些台式版本）。

总结

虽然所有（我们希望是！）电气工程师都知道什么是示波器以及如何使用示波器，但估计只有部分电气工程师用过频谱分析仪。尽管示波器和某些频谱分析仪（台式版本）在外形尺寸和显示内容上看起来都相似，但其实却大不相同。频谱分析仪以幅度-频率关系的方式显示采集的数据，而示波器以幅度-时间关系的方式显示信息。不过，就像示波器一样，根据用户的需求和预算，有各种频谱分析仪类型可供选择。

参考资料：

1 – Rigol Technologies, “DSA800 Spectrum Analyzer Datasheet”（第 3 页）

2 – Keysight Technologies, “What is a Spectrum Analyzer?”

3 – Agilent Technologies, “Agilent Spectrum Analysis Basics”（第 4-5 页）

4 – Keysight Technologies, “Different Types of Analyzers”

5 – Teledyne LeCroy, “T3SA3100/T3SA3200 Data Sheet”（第 2 页）