頻譜分析儀是一種用于研究電信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)的多用途電子測(cè)量?jī)x器，廣泛應(yīng)用于無線電技術(shù)、電子測(cè)量、電力測(cè)量和通信測(cè)量等領(lǐng)域。它能夠測(cè)量信號(hào)的頻率分布、幅度特性、失真度、調(diào)制度、譜純度、頻率穩(wěn)定性和交調(diào)失真等參數(shù)。

頻譜分析儀的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括電子對(duì)抗、衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通訊、雷達(dá)、射電天文、航空航天和頻譜監(jiān)測(cè)等。它不僅可以用于測(cè)量放大器和濾波器等電路系統(tǒng)的某些參數(shù)，還可以用于研發(fā)診斷以及雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

此外，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代頻譜分析儀集成了許多新功能，如接收器、儀表、頻率計(jì)和網(wǎng)絡(luò)分析儀等，從而拓寬了其測(cè)量功能和應(yīng)用范圍?？傊l譜分析儀作為“工程師的射頻萬用表”，在無線電信號(hào)測(cè)量和電子產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)中具有至關(guān)重要的作用。

01 頻域?qū)r(shí)域

頻譜分析儀和示波器一樣，都是用于信號(hào)觀察的基本工具，是無線通信系統(tǒng)測(cè)試中使用量最大的儀表之一。傅立葉理論告訴我們，時(shí)域中的任何電信號(hào)都可以由一個(gè)或多個(gè)具有適當(dāng)頻率、幅度和相位的正弦波疊加而成。換句話說，任何時(shí)域信號(hào)都可以變換成相應(yīng)的頻域信號(hào)，通過頻域測(cè)量可以得到信號(hào)在某個(gè)特定頻率上的能量值。通過適當(dāng)?shù)臑V波，我們能將圖1中的波形分解成若干個(gè)獨(dú)立的正弦波或頻譜分量，然后就可以對(duì)它們進(jìn)行單獨(dú)分析。每個(gè)正弦波都用幅度和相位加以表征。如果要分析的信號(hào)是周期信號(hào)，傅立葉理論指出，所包含的正弦波的頻域間隔是 1/T，其中 T 是信號(hào)的周期。

圖1 復(fù)合時(shí)域信號(hào)

傅里葉變換：頻譜是一組正弦波，經(jīng)適當(dāng)組合后，形成被考察的時(shí)域信號(hào)是一個(gè)時(shí)域信號(hào)，通過傅里葉變換可以將其轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)。傅里葉變換的公式為：

其中，?(ω)是頻域信號(hào)，f(t)是時(shí)域信號(hào)，ω是角頻率，t是時(shí)間。

02 什么是頻譜

頻譜是一組正弦波，經(jīng)適當(dāng)組合后，形成被考察的時(shí)域信號(hào)。圖1顯示了一個(gè)復(fù)合信號(hào)的波形。假定我們希望看到的是正弦波，但顯然圖示信號(hào)并不是純粹的正弦形，而僅靠觀察又很難確定其中的原因。圖2同時(shí)在時(shí)域和頻域顯示了這個(gè)復(fù)合信號(hào)。頻域圖形描繪了頻譜中每個(gè)正弦波的幅度隨頻率的變化情況。如圖所示，在這種情況下，信號(hào)頻譜正好由兩個(gè)正弦波組成?，F(xiàn)在我們便知道了為何原始信號(hào)不是純正弦波，因?yàn)樗€包含第二個(gè)正弦量，在這種情況下是二次諧波。

既然如此，時(shí)域測(cè)量是否過時(shí)了呢? 答案是否定的。時(shí)域測(cè)量能夠更好的適用于某些測(cè)量場(chǎng)合，而且有些測(cè)量也只能在時(shí)域中進(jìn)行。例如純時(shí)域測(cè)量中所包括的脈沖上升和下降時(shí)間、過沖和振鈴等。

圖 2 信號(hào)的時(shí)域和頻域關(guān)系

03 為什么要測(cè)量頻譜

頻域測(cè)量同樣也有它的長處。如我們已經(jīng)在圖 1和2 看到的，頻域測(cè)量更適于確定信號(hào)的諧波分量。在無線通信領(lǐng)域，人們非常關(guān)心帶外輻射和雜散輻射。例如在蜂窩通信系統(tǒng)中，必須檢查載波信號(hào)的諧波成分，以防止對(duì)其它有著相同工作頻率與諧波的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。工程師和技術(shù)人員對(duì)調(diào)制到載波上的信息的失真也非常關(guān)心。三階交調(diào) (復(fù)合信號(hào)的兩個(gè)不同頻譜分量互相調(diào)制) 產(chǎn)生的干擾相當(dāng)嚴(yán)重，因?yàn)槠涫д娣至靠赡苤苯勇淙敕治鰩捴畠?nèi)而無法濾除。

從圖形來看，頻譜可分為兩種基本類型。①離散頻譜：又稱線狀頻譜，圖形呈線狀，各條譜線(代表某頻率分量幅度的線)之間有一定間隔。周期信號(hào)的頻譜都是離散頻譜，各條譜線之間的間隔相等，等于周期信號(hào)的基頻或整數(shù)倍。②連續(xù)頻譜：各條譜線之間的間隔為無窮小，譜線連成一片。非周期信號(hào)和各種無規(guī)則噪聲的頻譜都是連續(xù)頻譜，即在所觀測(cè)的頻率范圍內(nèi)的全部頻率上都有信號(hào)譜線存在。實(shí)際的信號(hào)頻譜往往都是混合頻譜，被測(cè)量的連續(xù)信號(hào)或周期信號(hào)，除了它的基頻、各次諧波和寄生信號(hào)所呈現(xiàn)的離散頻外，往往不可避免地伴有隨機(jī)熱噪聲所呈現(xiàn)的連續(xù)頻譜作為基底。