中心議題：
- 頻譜分析儀的應(yīng)用與意義
- 頻譜分析儀的發(fā)展歷程
- 頻譜分析儀的性能與指標(biāo)
- 頻譜分析儀在業(yè)余電臺中的典型應(yīng)用
- 頻譜分析儀的實戰(zhàn)操作
- 國內(nèi)頻譜分析儀市場
頻譜分析儀簡稱頻譜儀，是用來顯示頻域信號幅度的儀器，在射頻領(lǐng)域有“射頻萬用表”的美稱。在射頻領(lǐng)域，傳統(tǒng)的萬用表已經(jīng)不能有效測量信號的幅度，示波器測量頻率很高的信號也比較困難，而這正是頻譜分析儀的強項。
頻譜儀與示波器屬于兩種類型的儀器，示波器主要顯示時域信號幅度的變化，而頻譜儀顯示的是頻域信號幅度的變化。對于研究射頻的工程師和愛好者，頻譜儀是工作的好幫手，它可以形象地展示一定頻率范圍內(nèi)信號的幅度，可以據(jù)此發(fā)現(xiàn)信號的存在和不同類型信號的特征。隨著科技的發(fā)展，頻譜儀也從傳統(tǒng)的模擬線路進(jìn)化到數(shù)字化頻譜儀，被賦予更多的功能，以適應(yīng)不斷出現(xiàn)的復(fù)雜信號。
應(yīng)用與意義
頻譜分析儀在射頻領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。頻譜儀最基本的作用就是發(fā)現(xiàn)和測量信號的幅度。頻譜儀可以以圖示化的方式顯示設(shè)定頻率范圍內(nèi)的射頻信號，信號越強，頻譜儀顯示的幅度也越大。通過這種特性，頻譜儀被用來搜索和發(fā)現(xiàn)一定頻段內(nèi)的射頻信號，廣泛應(yīng)用在監(jiān)測電磁環(huán)境、無線電頻譜監(jiān)測、電子產(chǎn)品電磁兼容測量、無線電發(fā)射機發(fā)射特性、信號源輸出信號品質(zhì)、反無線竊聽器等領(lǐng)域。頻譜儀可以測量射頻信號的多種特征參數(shù)，包括頻率、選頻功率、帶寬、鄰道功率、調(diào)制波形、場強等。在射頻信號的頻率測量方面，雖然頻率計是專業(yè)的設(shè)備，但遇到時分多址的信號（GSM移動電話、IDEN、TETRA的信號）、跳頻的信號、寬帶的信號，普通頻率計無法準(zhǔn)確計數(shù)，功率計無法及時測量，而頻譜儀由于基于高速的信號捕捉，則可以有機會測量這些信號。針對這些常見的不穩(wěn)定信號，很多中高檔頻譜儀還在測量軟件上做了優(yōu)化，提供專用的自動測量工具。
由于頻譜儀具有圖示化射頻信號的能力，頻譜圖可以幫助我們了解信號的特性和類型，有助于最終了解信號的調(diào)制方式和發(fā)射機的類型。在軍事領(lǐng)域，頻譜儀在電子對抗和頻譜監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用，不同類型的雷達(dá)信號、通信電臺信號、應(yīng)答機信號、“敵我”識別器信號都有各自不同特征的頻譜圖。在民用無線電管理領(lǐng)域，通過頻譜圖，我們可以及時發(fā)現(xiàn)非法使用的頻率，這比傳統(tǒng)掃描監(jiān)聽的效率要高得多。在不明干擾源的定位中，頻譜圖有助于判斷干擾信號的類型，并推斷出產(chǎn)生干擾信號的可能設(shè)備，以縮小排查范圍。頻譜儀還是一部很好的場強儀，具有比較大的動態(tài)，一些具有自動測量功能的頻譜儀可以方便地讀出目標(biāo)信號的場強數(shù)值，同時可以顯示目標(biāo)頻率周邊的情況。實際應(yīng)用中，有很多手持頻譜儀就替代了場強儀。
有的頻譜儀內(nèi)置跟蹤信號源，或者支持外接跟蹤信號源，頻譜儀與跟蹤信號源配合使用，可以顯示雙端口網(wǎng)絡(luò)的頻幅特性，擴展了頻譜儀的用途。該功能類似掃頻儀和標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀的主要功能，比普通老式掃頻儀的精度要高得多，可以應(yīng)用于濾波器的調(diào)校。如果頻譜儀與跟蹤源配合駐波電橋，還能直接圖示化顯示天線的匹配情況，具有天線分析儀的部分功能。
[page]
發(fā)展歷程
頻譜分析儀從發(fā)明以來，經(jīng)歷了模擬線路頻譜儀、單片機程控頻譜儀、電腦數(shù)字化頻譜儀的發(fā)展歷程。隨著集成電路和微處理器電路的迅猛發(fā)展以及對信號測量要求的提高，頻譜儀的工作頻率不斷提高，精度不斷提升，體積和重量不斷縮減。從早期巨大笨重的臺式頻譜儀，發(fā)展到廣泛使用的便攜式頻譜儀，以及近年來現(xiàn)場應(yīng)用越來越多的手持式頻譜儀，頻譜儀正向著數(shù)字化、高精度化、小型化發(fā)展。
老式的頻譜儀為純電路結(jié)構(gòu)，早期的產(chǎn)品采用與示波器一樣的示波管進(jìn)行顯示，通過快速掃描的接收機來形成頻譜圖。這類頻譜儀基本沒有自動測量功能，測量信號幅度靠人工對照示波管刻度進(jìn)行數(shù)數(shù)，功能單一，只具有頻譜儀基本的頻率掃描和幅度顯示功能，且精度很低。目前在主流應(yīng)用中已基本淘汰。
單片機程控頻譜儀是通過單片機微處理器來控制的頻譜儀，雖然從外觀上看，最早期的數(shù)字頻譜儀依然采用示波管顯示，但增加了字符發(fā)生器電路，在儀器屏幕上可以看到一些設(shè)置信息，并具有了一些自動測量功能。隨后，高性能的微處理器和頻率合成器電路相繼被引入，使得頻譜儀的工作精度、分辨率和程控化水平得到顯著提高。顯示屏由示波管發(fā)展為CRT管，顯示的頻譜圖是通過微處理器計算后形成的，并增加了很多數(shù)控和自動測量功能，屏幕上顯示的信息一下子多了很多，頻譜儀的分辨率顯著提高到1kHz的水平，部分高端產(chǎn)品達(dá)到了1Hz級別。
現(xiàn)代的數(shù)字化頻譜儀除了射頻信號處理單元，其余部分基本都數(shù)字化了。很多附加的專項測量功能，如TETRA信號測量、GSM信號測量，都能以軟件開通形式添加，顯示屏改為彩色液晶顯示，并且進(jìn)一步縮減了頻譜儀的體積和重量，掃描速度進(jìn)一步提高，背景噪聲和相位噪聲也得到了進(jìn)一步控制，頻譜儀的性能提高到一個新的水平，這更有利于對微小信號的測量。
此外，新結(jié)構(gòu)體系的實時頻譜儀也全新登場，更有利于對遂發(fā)的信號進(jìn)行捕捉。
傳統(tǒng)的頻譜儀一貫比較笨重，比同年代的示波器重得多。很多大型臺式頻譜儀兩個人都很難抬得動，即便是后期的HP8563E（CRT管型）之類，屬于便攜型的頻譜儀，也有20kg重。隨著液晶屏替代CRT顯像管，以及儀器內(nèi)部線路的進(jìn)一步集成化，頻譜儀的重量也有所減輕，如E4403B，重量在15kg左右。新一代的手持頻譜儀成為現(xiàn)場檢測中輕便靈巧的工具，新的N9340B裝上電池的重量只有3.5kg左右，Rohde&Schwarz的 FSH3僅重2.5kg。
性能與指標(biāo)
標(biāo)志頻譜分析儀性能和特性的主要指標(biāo)有工作頻率范圍、分辨率帶寬、頻率掃寬、動態(tài)范圍、掃描速度、端口阻抗、平均噪聲電平、相位噪聲、絕對幅度精度。
頻譜分析儀的工作頻率范圍是指頻譜儀最高工作頻率和最低工作頻率，標(biāo)志著頻譜儀可以顯示頻譜的最大范圍。在射頻應(yīng)用中，用戶往往更關(guān)心頻譜儀的最高工作頻率，這使其成為用戶關(guān)心頻譜儀性能的第一指標(biāo)。
隨著2.4GHz和5.8GHz頻段應(yīng)用的增多，通信信號使用頻率不斷提高，對頻譜儀最高工作頻率的要求也不斷提升。早期的常規(guī)頻譜儀工作頻率最高在 1~2GHz，當(dāng)時看上去已經(jīng)很高了，而現(xiàn)在的頻譜儀基本上都是從3GHz起步，工作頻率高的可以達(dá)到50GHz，很多實驗室都將40GHz的頻譜儀作為標(biāo)準(zhǔn)配置。對于一些頻率很低信號的應(yīng)用也有對應(yīng)專用的低頻頻譜分析儀，工作頻率在10mHz~100kHz。
頻譜分析儀的檔次不僅僅取決于工作頻率范圍，信號顯示的品質(zhì)高低更關(guān)系到分辨率、帶寬、頻率掃寬、動態(tài)范圍、掃描速度、平均噪聲電平、相位噪聲、絕對幅度精度等指標(biāo)。分辨率、帶寬與頻譜儀對信號的解析能力有關(guān)，對于一些窄帶信號，使用高分辨率更容易展現(xiàn)信號的特征。通常，高檔的頻譜儀分辨率基本可以做到 1Hz水平，中檔產(chǎn)品在100Hz~1kHz水平。高動態(tài)的頻譜儀有利于信號的顯示，并可以減小信號的失真，特別適合大小信號并存的情況。
頻譜儀的掃描速度與儀器硬件處理性能有關(guān)，掃描速度關(guān)系到信號顯示的實時性。絕大部分的頻譜儀都屬于掃頻型構(gòu)架，高掃描速度帶來高刷新率，這對于捕捉偶發(fā)的信號更為有利。高速掃描處理能力使得用戶有機會設(shè)置、使用更大的掃描帶寬和更精細(xì)的分辨率，同時頻譜圖刷新不至于太慢。對于需要檢測微小信號的應(yīng)用，就需要低噪聲的頻譜儀，這對儀器的放大器電路和頻率合成器以及基準(zhǔn)都提出了很高的要求。對于很多小信號的測量，并不是只需加個放大器那么簡單。
作為附加和擴展功能，硬件上主要有跟蹤發(fā)生器、前置放大器、中頻輸出、通信端口。跟蹤發(fā)生器主要是用來配合頻譜儀顯示兩端口網(wǎng)絡(luò)的頻幅特性，前置放大器主要用來顯示微小信號，多用在EMC/EMI中。在軟件上，主要是授權(quán)一些功能的開放和附加測量功能的軟件。
此外，頻譜分析儀還有一個“近親”——“信號分析儀（signal analyzer）”。通常，信號分析儀與頻譜儀同宗同源，但具有更高的參數(shù)指標(biāo)，更適合測量特定的復(fù)雜信號。
在同等級技術(shù)水平下，臺式頻譜儀的性能無疑是最好的。目前高性能的頻譜儀和信號分析儀體積和重量雖有改善，但都還是很大，其提供的一流性能主要適合對復(fù)雜和瞬時信號進(jìn)行精密分析和對新型數(shù)字信號進(jìn)行測量。便攜式頻譜儀一般可以視為通用頻譜儀，提供主流的性能，適合常規(guī)傳統(tǒng)應(yīng)用。手持式頻譜儀提供尚可的性能，適合現(xiàn)場的快速檢測和高移動性要求。
在業(yè)余電臺中的典型應(yīng)用
測量發(fā)射機的發(fā)射頻譜和帶外輻射是頻譜儀在業(yè)余電臺中的典型應(yīng)用之一。
理想的發(fā)射機發(fā)出的射頻信號應(yīng)該僅為工作頻率的信號，但實際上，由于電子電路的一些特性，發(fā)射機在輸出主射頻信號的同時還會輸出一些諧波，典型的情況就是會在工作頻率的整數(shù)倍頻上出現(xiàn)諧波發(fā)射。例如，一部工作在7.050MHz發(fā)射的電臺，多多少少會在2倍頻14.100MHz、3倍頻21.150MHz 等倍數(shù)頻率上發(fā)射。有興趣的愛好者可以做一個簡單的試驗，用一部對講機在145MHz上發(fā)射，同時在很近的距離用另一部對講機在435MHz頻率上接收（正好是2m波段對講機工作頻率的3倍），一定會聽到145MHz對講機發(fā)出的聲音，這就說明存在倍頻諧波發(fā)射。諧波的發(fā)射如果不加以控制，會無意中干擾其他的通信和電子設(shè)備工作，所以發(fā)射機在功率放大器的后級都設(shè)有低通濾波器，以盡量抑制高次諧波的輸出。
國家對無線電設(shè)備的帶外發(fā)射有嚴(yán)格的規(guī)定，雜波散射也是無線電管理局對發(fā)射機強檢的必然項目。實際設(shè)備使用中，由于設(shè)備故障或者濾波器元器件老化等原因，都會引起發(fā)射機雜波增大。頻譜儀是檢測帶外發(fā)射的利器，通過頻譜儀的搜索功能可以檢測到發(fā)射機的帶外發(fā)射點以及每個發(fā)射點的輸出幅度。對于自制發(fā)射機和功率放大器的業(yè)余電臺愛好者，通過頻譜儀，能有效調(diào)整末級濾波器，將帶外輻射抑制到最小，同時將對主通信信號的影響降到最低。另外，在HAM自制電臺時，頻譜儀還能很方便地觀察頻率合成器輸出信號的純度。
有些具備跟蹤信號發(fā)生器的頻譜儀能夠測量兩端口網(wǎng)絡(luò)的頻幅特性，被很多業(yè)余電臺愛好者視為調(diào)整帶通濾波器和中繼臺雙工器的理想工具（當(dāng)然，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀更好）。如果配合駐波電橋使用，頻譜儀可以以圖形曲線的方式顯示出天線的頻幅特性，這對制作天線十分有利。HAM可以借此迅速直觀地了解DIY天線的匹配情況和帶寬并加以修正，使用起來比單一駐波比表要方便多了。[page]
實戰(zhàn)操作
下文以業(yè)余無線電愛好者使用比較多的 Agilent ESA-L系列頻譜儀為例，介紹一下其簡單的設(shè)置和使用。該款頻譜儀屬于目前國內(nèi)市場上數(shù)字頻譜儀的典型產(chǎn)品。
Agilent ESA-L系列頻譜儀為典型新型數(shù)字化頻譜儀，繼承了HP頻譜儀操作界面。
第一步，開機預(yù)熱。E4403具有很強大的自動測量功能，可以顯示頻率和信號幅度。頻譜儀外接功率衰減器，衰減量可以事先輸入頻譜儀，這樣頻譜儀在自動測量信號幅度時會自動加入運算，省得用戶自己再做加減法。
第二步，設(shè)定中心頻率，在E4403控制面板左上角按下“FREQUENCY”長條狀按鍵，通過數(shù)字鍵盤直接輸入頻率數(shù)據(jù)即可。E4403頻率設(shè)置有兩種方式，一種是設(shè)置中心頻率，另一種是設(shè)置掃描起始頻率和結(jié)束頻率，通過屏幕邊上的軟鍵可以選擇。
第三步，設(shè)置掃描寬度，按下控制面板左上角“SPAN”長條狀按鍵，然后直接輸入掃描帶寬即可。系統(tǒng)會自動選擇適合的RBW和VBW分辨率，如果用戶有特殊需求，也可以手動設(shè)定RBW/VBW。
第四步，設(shè)定參考電平幅度。按下控制面板左上角的“AMPLITUDE”長條狀按鍵，然后輸入?yún)⒖茧娖剑ㄒ部梢允褂每刂泼姘迳系娘w梭調(diào)節(jié)），通過參考電平調(diào)節(jié)使得信號在頻譜圖上有較好的顯示。
E4403的詳細(xì)設(shè)定非常復(fù)雜，上面提到的只是最簡單的基礎(chǔ)設(shè)定。有時，做一些高級設(shè)定時會出現(xiàn)儀器表現(xiàn)異常的情況，此時可以按控制面板右上角的綠色 “Preset”鍵恢復(fù)基本設(shè)定狀態(tài)，然后重新操作。
頻譜儀輸入端口的功率比較小，一般最高輸入功率不超過1W（30dBm），所以遇到像對講機、短波電臺等大功率信號時，需要使用衰減器來將信號等比縮減后再輸入頻譜儀。最容易損壞頻譜儀的誤操作就是將功率過大的信號直接輸入頻譜儀，導(dǎo)致頻譜儀內(nèi)部衰減器損壞。要知道中高檔頻譜儀價格昂貴，維修費用也非常高昂。對將頻譜儀用于對講機和小型短波電臺維修檢測的用戶，建議在頻譜儀輸入端口前串聯(lián)一個30～40dB的功率型衰減器。
為了有利于信號細(xì)節(jié)的顯示和發(fā)現(xiàn)信號，盡量使用較小的掃描帶寬和較高的分辨率（RBW和VBW）。合理配置外部衰減器，使進(jìn)入頻譜儀的信號幅度適當(dāng)，因為較大的信號進(jìn)入頻譜儀容易引起顯示失真。善用數(shù)字頻譜儀的“MARKER”功能和測量功能，自動測量的數(shù)據(jù)會比傳統(tǒng)“數(shù)格子”精確得多，也高效得多。例如，檢測對講機的高次諧波就可以充分利用頻譜儀的ΔMARKER、CFSTEP功能和search功能。對于測量快速跳變不穩(wěn)定的信號，如TDMA類型的信號，可以充分利用頻譜儀“MAXHOLD（最大值保持）”功能捕捉出現(xiàn)的信號。
Tektronix實時頻譜儀RSA6000系列
國內(nèi)頻譜分析儀市場
國際市場上最有名的頻譜儀品牌是Agilent（以前為HP品牌）、Rohde&Schwarz、Tektronix。此外，日本的 ANRITSU頻譜儀性能也很不錯。Agilent和Rohde&Schwarz是國內(nèi)科研高端和主流商用選用最多的頻譜儀品牌，它們作為國際頂級射頻儀器廠商，都提供了豐富的產(chǎn)品線，既包括經(jīng)濟型的產(chǎn)品，也提供世界最頂尖科技的杰作。Agilent ESA-L和R&SFSL提供了經(jīng)濟型輕便的頻譜儀，適合生產(chǎn)線和教育機構(gòu)批量使用以及移動使用。盡管是經(jīng)濟型產(chǎn)品，但其綜合性能也達(dá)到了很高的水平，是大部分國貨難以匹敵的。Agilent ESA-E和R&S FSP提供中檔頻譜儀的性能，滿足商用企業(yè)和產(chǎn)品開發(fā)的主流要求，而且對于這類用戶價格并不是高不可攀。Agilent PSA和R&S FSU系列提供了高端頻譜儀的卓越性能，很多指標(biāo)可以與一些信號分析儀媲美，適合作為科研和國防航天等尖端領(lǐng)域應(yīng)用。Rohde&Schwarz 的高端FSV和FSG系列信號分析儀提供了無與倫比的性能，特別對熱門的WCDMA/HSPA、LTE、WiMAX、WLAN信號提供針對性的測量軟件支持。在手持頻譜儀方面，Rohde&Schwarz、Tektronix以及Agilent先后都推出了手持頻譜儀產(chǎn)品。目前，國內(nèi)市場上 Rohde&Schwarz和Tektronix的FSH系列和YBT系列覆蓋較多，廣泛應(yīng)用于流動性很強的現(xiàn)場檢測和無線電監(jiān)測領(lǐng)域。
實時頻譜儀是頻譜儀的新構(gòu)架，其相對傳統(tǒng)掃頻式頻譜儀有很多優(yōu)勢，幾乎不會遺漏時間極短的瞬態(tài)信號，對快速跳變信號的顯示與測量尤為適用，Tektronix就在大力推廣其實時頻譜儀。
實時頻譜儀是一個技術(shù)發(fā)展新方向，Rohde&Schwarz也推出了自己的實時頻譜儀FSVR，提供了40MHz的實時帶寬。ANRITSU頻譜儀雖為日本產(chǎn)品，但同樣提供了世界主流產(chǎn)品的性能，并在價格方面有一定優(yōu)勢。ANRITSU的MS2711D是較早面世的手持式頻譜儀，也曾經(jīng)是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場檢測手持設(shè)備。ANRITSU現(xiàn)在主打的MS2723/2724可以躋身國際頂級手持頻譜儀的行列。
國產(chǎn)頻譜儀方面，安泰信提供了AT5000系列低端頻譜儀，用戶可以以非常低廉的價格獲得初級性能的頻譜儀產(chǎn)品，滿足初級應(yīng)用的基本需要。近期，以示波器在國內(nèi)聞名的“普源”也推出了頻譜分析儀產(chǎn)品，RIGOL以中檔頻譜儀應(yīng)用領(lǐng)域為切入點，提供性能不錯的RSA1030A頻譜儀，在性價比方面，可以與洋品牌產(chǎn)品一較高下，也體現(xiàn)出普源在儀器領(lǐng)域的制造實力。中國電子科技集團(tuán)第41所推出的頻譜儀和信號分析儀在國內(nèi)具有領(lǐng)先水平，尤其在一些高工作頻率的頻譜儀上具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，已經(jīng)有了40GHz的產(chǎn)品。41所的頻譜儀產(chǎn)品系列比較多，包括有多種型號的手持式頻譜儀，有些產(chǎn)品在功能上已經(jīng)與洋品牌產(chǎn)品不相上下，可見國內(nèi)科研院所在儀器制造方面具有深厚的底蘊。
