頻譜分析儀是RF工程師用來(lái)測(cè)量特定頻帶內(nèi)信號(hào)的基本儀器，它們捕獲并顯示有用和無(wú)關(guān)信號(hào)，從而進(jìn)行一系列參數(shù)的測(cè)量，包括功率，頻率，調(diào)制方式和失真度等。目前市面上有多種不同類(lèi)型頻譜分析儀的系統(tǒng)架構(gòu)，本文將著重介紹實(shí)時(shí)頻譜分析儀(RTSA)，掃頻式頻譜分析儀和矢量信號(hào)分析儀的總體結(jié)構(gòu)，并重點(diǎn)介紹它們的相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)。

實(shí)時(shí)頻譜分析能夠連續(xù)，無(wú)間隙地捕獲和分析時(shí)變的瞬態(tài)信號(hào)，而常規(guī)的掃頻式頻譜分析儀和矢量信號(hào)分析儀由于其設(shè)計(jì)原理的差異而無(wú)法實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能。掃頻式頻譜分析儀通過(guò)掃描其本振信號(hào)(LO)將輸入頻率范圍下變頻為固定的中頻(IF)，然后由分辨率帶寬(RBW)濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波并檢測(cè)。掃描本振時(shí)，輸入信號(hào)頻率被對(duì)應(yīng)地掃過(guò)固定頻率的RBW濾波器。實(shí)際上，頻譜分析儀在單個(gè)時(shí)刻都只能看到一小部分頻率范圍，因此，僅當(dāng)信號(hào)在正確的時(shí)間和頻率出現(xiàn)在RBW濾波器時(shí)，該信號(hào)才可見(jiàn)。而瞬態(tài)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)候，本振頻率未能掃描到對(duì)應(yīng)頻率，那瞬態(tài)信號(hào)就會(huì)被遺漏（如圖1）。

圖1. 經(jīng)典的掃頻式頻譜分析儀示意圖

在現(xiàn)代分析儀中，分辨率帶寬濾波器，包絡(luò)檢波器和顯示都是使用數(shù)字信號(hào)處理的方式實(shí)現(xiàn)的。矢量信號(hào)分析儀將特定帶寬內(nèi)的對(duì)應(yīng)信號(hào)下變頻為固定頻率的IF。IF模擬信號(hào)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)采樣，時(shí)域采樣數(shù)據(jù)可用于調(diào)制域分析。對(duì)于頻譜分析，使用快速傅里葉變換(FFT)將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域頻譜。FFT處理一個(gè)采樣塊，稱(chēng)為采樣幀。在本文中，采樣幀中的采樣數(shù)稱(chēng)為采樣幀大小或FFT大小。FFT計(jì)算完成并將結(jié)果傳輸?shù)斤@示器后，將獲取下一個(gè)采樣幀。與掃頻式頻譜分析儀不同的是，這里的本振是固定的，同時(shí)矢量信號(hào)分析儀對(duì)在兩次采樣幀之間時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)的信號(hào)也是忽略的(圖2)。

圖2. 掃頻式頻譜分析儀在掃描過(guò)程中對(duì)瞬態(tài)信號(hào)的響應(yīng)

幾乎所有現(xiàn)代頻譜分析儀都結(jié)合了傳統(tǒng)掃頻式分析儀和矢量信號(hào)分析儀的特點(diǎn)。如果跨度大于FFT分析帶寬，則將沿LO步進(jìn)以將多個(gè)FFT拼接在一起，以顯示更大跨度的頻譜。但是，使RTSA頻譜分析儀與眾不同的是它能夠連續(xù)對(duì)信號(hào)采樣并進(jìn)行FFT分析，圖3闡述了其中的差異，使用FFT分析的非RTSA頻譜分析儀或矢量信號(hào)分析儀是串行處理流程，可獲取采樣點(diǎn)并FFT處理。RTSA處理流程是并行的(圖4)，因?yàn)樗梢垣@取一個(gè)新的采樣幀的同時(shí)，對(duì)前一個(gè)采樣幀進(jìn)行FFT處理，這種并行處理需要快速的數(shù)字處理硬件和大的緩沖存儲(chǔ)。RTSA頻譜分析儀，例如安立的Field Master Pro? MS2090A，能夠針對(duì)512點(diǎn)FFT信號(hào)每秒執(zhí)行527000 次FFT處理。FFT的點(diǎn)數(shù)是FFT分析帶寬內(nèi)的頻率點(diǎn)數(shù)，它也等于采樣幀中采集的I/Q采樣數(shù)。點(diǎn)數(shù)越多，頻率分辨率越好，但是FFT計(jì)算時(shí)間也會(huì)增加。

圖3. 簡(jiǎn)化的矢量信號(hào)分析儀和信號(hào)處理流程框圖

實(shí)時(shí)頻譜儀的關(guān)鍵性能指標(biāo)是捕獲概率(POI)，POI定義為準(zhǔn)確測(cè)量一個(gè)連續(xù)波(CW)信號(hào)的幅度所需的最小信號(hào)持續(xù)時(shí)間。POI受多個(gè)因素影響：FFT處理速度，采樣率，時(shí)間窗重疊，RBW和跨度。下一節(jié)將解釋這些因素的相互關(guān)聯(lián)性及其對(duì)POI的影響。

圖4. 實(shí)時(shí)頻譜分析儀的框圖和信號(hào)處理流程

時(shí)間窗

當(dāng)對(duì)一個(gè)采樣塊進(jìn)行FFT分析時(shí)，F(xiàn)FT的計(jì)算是假設(shè)時(shí)域信號(hào)是周期性的，其周期等于采樣幀的持續(xù)時(shí)間。

圖5描述了在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)簡(jiǎn)單正弦波進(jìn)行采樣的過(guò)程。當(dāng)對(duì)采樣幀進(jìn)行FFT處理時(shí)，若將采樣信號(hào)視為周期信號(hào)，采樣幀則在開(kāi)始和結(jié)束處產(chǎn)生了不希望的不連續(xù)性。時(shí)域上的這種不連續(xù)性導(dǎo)致頻域能量分散，而不是集中在單個(gè)頻率的正弦波上。頻譜泄漏在FFT頻譜分析中也是不正確的，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致無(wú)法分辨具有不同幅度水平的臨近頻率分量。此外，頻譜能量的分散，也導(dǎo)致了信號(hào)幅度的失真。

圖5. 在沒(méi)有加窗的情況下，對(duì)采樣幀進(jìn)行FFT處理會(huì)導(dǎo)致頻譜泄漏