频谱仪，是射频微波的基础仪表之一，有“射频万用表”之称的美誉。
可是相对于时域非常常用的示波器，频谱仪的价格可是上了一个量级呢。那为虾米我们不接着用朴实直观的示波器而要用高大复杂的频谱仪呢？这还要从测量的两大领域时域和频域说起：
图1.时域和频谱测量的不同纬度
参考图1，时域分析指的是从时间维度上观察并分析电信号随时间的变化情况。例如，信号的幅度，周期或频率等。时域分析常用仪器是示波器。但是到了高频，大家发现这套玩不转了。为何？交变电磁场的电流和电压是随时间一直变化的，但是频域的其它指标却更好观测（比如CW信号的平均功率就是个常值），方式也相对简单，FFT变换就可以从时域到频域了。频域分析主要是观察并分析信号的幅度(电压或功率)与频率的关系，它能够获取时域测量中所得不到的独特信息，比如谐波分量，寄生信号，交调、噪声边带。最典型的频域信号分析是测量调制，失真和噪声。那么通常进行信号频域分析的仪器就是今天的主角频谱分析仪。
图2.频域观测常见量
频谱仪的悠久历史始于二战，延续至今。
- 30年代末期，第一代扫频式频谱仪诞生。
- 60年代末期，可以为频谱仪提供频率和幅度的校准，前端预选的频谱仪问世，它标志着频谱仪从此进入了定量测试的时代。
- 70年代末，随着集成电路技术，快速A/D变换技术，频率合成技术，数字存储技术，尤其是微处理器技术的飞速发展，频谱仪的技术指标大幅度提高。频率范围扩展到100Hz-20GHz，分辨力带宽达到10Hz。
- 现在，频谱分析仪的测量频率范围已达到THz，分辨力带宽已经可以达到1Hz甚至更低，动态范围可以超过140dB，更有实时频谱仪可以实时采样复现实时频谱，发展日新月异。当然实时频谱仪也是可以新开一篇来讲了J
频谱仪主要有两种经典类型：
- FFT分析仪：被分析的信号通过模数转换器采样，变成离散信号，采样值被保存在一个存储器中，经过离散FFT变换计算，计算出信号的频谱，可提供频率、幅度和相位信息。这种仪器同样能分析周期和非周期信号。FFT 的特点是速度快、精度高，但其分析频率带宽受ADC采样速率限制，适合分析窄带宽信号。
图3.FFT频谱仪系统框架图
- 扫频式频谱分析仪可分析稳定和周期变化信号，可提供信号幅度和频率信息，适合于宽频带快速扫描测试。扫频式频谱分析仪是用扫描发生器驱动调谐滤波器，在整个频率范围内改变一个带通滤波器的中心频率来工作的。随着中心频率的移动，依次选出的被测信号各频谱分量，再经滤波器和视频放大后加到显示器的垂直偏转电路。而水平偏转的输入信号来自驱动并调谐带通滤波器的同一扫描发生器。这样，水平轴就可以用于表示频率。目前大量使用的是超外差式频谱分析仪。它又可以分为扫中频和扫高频(扫前端)两种。较老式的频谱仪大都是扫中频。由于扫频宽度不大，故又称窄带频谱仪。扫中频频谱仪的另一个缺点是可能出现杂波干扰和假响应较多，而且动态范围小，灵敏度又低，现在基本被淘汰。那如何理解超外差呢？差意味着混频；也就是改变频率。超的含义是说，超过音频的频率，即频率比音频高。参照下图：
4. 扫频式频谱仪系统框图
输入信号通过一个衰减器，再通过一个低通滤波器，到达混频器。在混频器，输入信号与本振（LO）信号混频。由于混频器是非线性器件，它的输出将不但包括两个原始信号，也包括它们的谐波以及原始信号间进行一定运算后的其它频率。如果混频后的信号属于中频（IF）滤波器的带通范围内，则会被进一步处理（放大，并进行对数化）。通过包络检波、数字化、显示，得到最终结果。一个斜坡信号发生器在显示器上产生从左到右的移动。这个斜坡信号也调整LO，因此本振的频率改变与该斜坡信号电压一致。
如果亲对超外差AM收音机很熟悉，则接收普通的AM广播信号的处理过程与图4是非常的相似的。不同之处在于频谱分析仪的输出是显示器（而不是喇叭），且本振信号是电控的，而不是由调频旋钮控制。
好，说完信号采集，该来说显示了：频谱分析仪在显示器上输出的是X-Y轴向上的轨迹显示器通常在水平与垂直方向各刻了10大等分格栅格。水平轴从左到右按频率线性增加。频率的设定分两步进行。首先通过（中心频率控制设定）校正中心线所在的频率，然后通过（频率范围控制）设定整个10等分的频率扫描范围（宽度）。这两个控制是互相独立的，因此如果改变中心频点，频率扫描范围（宽度）不会跟着改变。相应的，也可以设定起始、终止频率，以替代设定中心频点、频率扫描宽度。垂直轴显示的是幅度。可以使用线性电压轴，或者对数轴，单位为dB。由于对数轴表达的范围更大，因此比线性轴使用更频繁。对数轴允许同时显示信号变化范围70-100dB（电压比率为3200到100K，功率比率为10M到10G）。而线性轴显示的信号范围不超过20-30dB（电压比率10-32）。另外，我们给出栅格的顶线，参考水平，一个绝对的数值，使用每一格的大小来确定在栅格上的其它位置的值的大小。…..这样，既能够测量一个信号的绝对值，也能测量任意两个不同信号之间的相对值。
下面我们按照从前到后的顺序来分别介绍上图4中频谱仪的主要关键器件：
输入衰减器
输入衰减器是信号在频谱仪中的第一级处理，频谱分析仪输入衰减器功能包含以下方面：
- 保证频谱仪在宽频范围内保持良好匹配特性；
2 .保护混频及其它中频处理电路。防止部件损坏和产生过大非线性失真。
一般频谱分析仪衰减器衰减范围为：0~65dB; 可按照5dB步进变化。当改变输入衰减器设置时，信号电平会受到影响。如衰减值由10dB变为20dB，信号幅度人为被减小10dB，相应检波输出也会降低，为补偿该变化，频谱仪内部会利用放大器补偿衰减影响。所以当在改变衰减器设置时，输入信号在频谱仪上的显示并不发生变化。
仪表自动设置衰减器件的原则是保证：
输入信号电平－衰减器设置<=混频器工作电平
小贴士：频谱仪工作时，其中频放大器增益和衰减器设值连动工作，当改变输入衰减器设置时，输入信号显示电平并不会发生变化
混频器
混频器完成信号的频谱搬移，将不同频率输入信号变换到相应频率。在混频过程中会存在镜相干扰问题。
频谱仪需采用相应方法来解决这个问题。频谱分析仪利用两种方法解决该问题。
- 在低频率段(比如<3GHz)，利用高混频和低通滤波器抑制干扰。
2．在高频率段(例如>3GHz)，利用带通跟踪滤波器抑制干扰。
中频滤波器
中频滤波器是频谱分析仪中关键部件，频谱分析仪主要依靠该滤波器来分辩不同频率信号，频谱仪许多关键指标（测量分辨率、测量灵敏度、测量速度、测量精度等）都和中频滤波器的带宽和形状有关。
中频滤波器通常由LC滤波器，晶体滤波器或数字滤波器的组合实现。
对数放大器
对数放大器以对数方式处理输入信号，允许有大的待测量和小的待测量同步易显示和分辨。实现这种压缩的一种方法是构建增益随信号幅度而变化的放大器。在低电平信号下，增益可能为10dB，而在较大的幅度下，增益下降到0。为了获得所需的对数范围，必须将若干这类放大器进行级联。对数放大器通常具有大约70dB到超过100dB的范围。除对数范围外，逼真度（对数压缩与对数曲线相符的接近程度）也是应考虑的重要因素，这个误差将直接反映测量的幅度误差。
检波器
检波器将输入信号功率转换为输出视频电压，该电压值对应输入信号功率。
针对不同特性输入信号（正弦信号、噪音信号、随机调制信号等），需采用不同检波方式才能准确测出该信号功率。
现代频谱仪一般采用数字技术，支持所有检波方式以确保准确测量各种被测信号的功率参数。
视频滤波器
视频滤波器对检波器输出视频信号进行低通滤波处理，减小视频带宽可对频谱显示中的噪声抖动进行平滑，从而减小显示噪声的抖动范围。这样有利频谱仪发现淹没在噪声中的小功率CW信号，还可提高测量的可重复性。
好了，频谱仪的基础原理就讲到这里了，下一篇我们来讲讲频谱仪的主要指标。