頻譜分析儀原理
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頻譜分析是要分析頻域的。一個信號要分析兩個參數(shù)，一是幅度，二是頻率。幅度已經(jīng)得出，而頻率和幅度要對應(yīng)起來，在某一頻率是什么幅度。 下面介紹一下頻率是如何測量的，如何與幅度對應(yīng)起來。
其實(shí)很簡單。它是通過本振與掃描電壓對應(yīng)起來的。本振是一個壓流振蕩器。本振信號是個掃描信號。掃描控制是由掃描控制器來完成的。它同時控制顯示器的橫坐標(biāo)。從左到右當(dāng)掃描電壓在OV時，在顯示器上是0點(diǎn)，對本振信號來說是F1點(diǎn)，即起始頻率點(diǎn)。當(dāng)掃描電壓到10V時，在顯示器上是終止頻率點(diǎn)，本振電壓就是在終止頻率點(diǎn)，中間是線性的。通過這樣的方法，使得顯示器坐標(biāo)的每一點(diǎn)與本振F1、F2的每一點(diǎn)對應(yīng)起來（射頻信號是本振信號減去中頻信號21.4MHz。當(dāng)我們操作頻譜儀進(jìn)行分析時，實(shí)際是在改變本振信號的頻率）。
下面簡單介紹一下用頻譜分析儀來評價發(fā)射機(jī)的方法。先了解一下發(fā)射機(jī)最基本的框圖，見圖3。
首先是一個調(diào)制部分將基帶信號調(diào)制到中頻信號，然后將中頻信號上變頻到射頻信號上，還有一個與之相對的本振信號，對射頻信號進(jìn)行預(yù)放，再進(jìn)行功率放大之后送到天線上發(fā)射。如何用頻譜儀對這樣一個發(fā)射機(jī)進(jìn)行測量。首先對它的發(fā)射信號從測量端口進(jìn)行測量（若是把發(fā)射信號直接送入頻譜儀，必然會把儀器燒壞）。在這里我們要測其功放的失真，發(fā)射信號的頻率、功率。對發(fā)射機(jī)內(nèi)部預(yù)放失真、增益、噪聲系數(shù)，混頻器的輸出功率，輸入功率進(jìn)行測量，得到混頻器的差落損耗。對混頻器的輸出功率進(jìn)行準(zhǔn)確測量，了解其工作點(diǎn)。對混頻器的本振信號進(jìn)行測量，得出本振信號的輸出頻率，了解其頻率精度。這個頻率精度也就決定了發(fā)射機(jī)的精度。 通過以上這些測量，可以得到對于發(fā)射機(jī)內(nèi)部信號、器件和輸出信號的多項(xiàng)參數(shù)，以描述這個發(fā)射機(jī)的性能。作為通訊的監(jiān)測，一般不去檢測其內(nèi)部的器件，只檢測其頻率、功率。只要這兩項(xiàng)指標(biāo)正常，就可以判定這部發(fā)射機(jī)是正常工作。
了解頻譜儀的功能，必須要考察頻譜儀的內(nèi)部噪聲、失真等等。一個放大器，要測它的失真、三階交調(diào)失真和諧波失真。三階交調(diào)失真是當(dāng)對一個放大器輸入二個頻率相近（如差10kHz）的信號，幅度一樣，由于放大器是非線性器件，在對這兩個信號進(jìn)行功率放大時，也會產(chǎn)生一些其它信號，如2F1-F2和2F2-F1，這兩種信號就是三階交調(diào)失真（見圖4上）。
它的特性非常靠近中間的信號，上面和下面都相差10kHz均勻排開。假設(shè)這個信號的帶寬是20kHz，這兩個交調(diào)失真的信號肯定會進(jìn)到信號的帶寬內(nèi)，對信號產(chǎn)生干擾。為了不干擾正常的通訊，我們必須測量這失真信號的大小。描述的方法是這失真信號的幅度與正常的信號幅度之差，稱之為失真量。 另外一種放大器的失真是諧波失真。當(dāng)對放大器輸入一個點(diǎn)頻信號F1，這個放大器會造成F2、F3，兩倍或三倍的多次諧波。若是正好在2F1等處有其它信號，就會造成干擾（見圖4下）。一個放大器存在以上兩種失真。我們用頻譜儀去測量這些失真的大小。定義三階交調(diào)失真為載波信號與失真信號的功率差。定義諧波失真為載波信號與某次諧波的功率差。
輸入被測放大器兩個信號F1、F1+10kHz，然后送入頻譜儀進(jìn)行測量。用兩個信號源通過混合器再經(jīng)過衰減器進(jìn)入一個帶通濾波器，以確保進(jìn)入放大器的信號只是F1和F1+10kHz，沒有其它成份。這個放大器產(chǎn)生交調(diào)失真的值是大于50dB，也就是失真信號與要放大的信號之間的差值幅度為50dB。它的二次諧波相差40dB，三次諧波相差50dB（測量諧波失真要關(guān)閉一個信號發(fā)生器的輸出），見圖5。
由于頻譜儀內(nèi)部含有混頻器，其特點(diǎn)是與有源器件放大器一樣的。當(dāng)輸入信號為兩個信號或是點(diǎn)頻信號時，這個混頻器也會產(chǎn)生以上所述的失真，并在頻譜儀上反應(yīng)出來，給測量帶來誤差。如何把頻譜儀誤差降低變?yōu)榭蓽y？
對于一種測量，可以使它成為可測，也可以使它成為不可測。這完全取決于頻譜儀的設(shè)置。包括對衰減器、頻率范圍、分辨率帶寬的設(shè)置。
頻譜儀的設(shè)置主要有頻率范圍、分辨率和動態(tài)范圍，而動態(tài)范圍又會涉及到最大的輸入功率即燒毀功率，增益壓縮使小于1W的輸入信號如果超過線性工作區(qū)也會有誤差。還有靈敏度。要從以上幾個主要方面來考慮頻譜儀對輸入的信號是否可測。
現(xiàn)在來看第一項(xiàng)參數(shù)頻率范圍。這個參數(shù)要從兩個方面看，一是頻率范圍的設(shè)置是否足夠的窄，具有足夠的頻率分辨能力，也就是窄的掃頻寬度（見圖6）。二是頻率范圍是否有足夠的寬度，是否可以測到二次、三次諧波。
當(dāng)我們用一個頻譜儀測量一個放大器的諧波失真的時候，若這個放大器工作點(diǎn)是1GHz，那么它的三次諧波就是3GHz。這就是要考慮頻率范圍的最大可測寬度。如果頻譜儀是1.8GHz的，那么就不能測量；如果是26.5GHz的頻譜儀，當(dāng)然可以測到它的三次，四次諧波。
第二類指標(biāo)是分辨率。這是頻譜分析儀中非常重要的參數(shù)設(shè)置。分辨率表示當(dāng)要測量的是F1、而在F1的附近有另一個F2（見圖7）。但它們的功率不一樣，這時看能不能將它們區(qū)分開。將這個中頻帶寬設(shè)置成三種不同的寬度，下面所對應(yīng)的就是在這一帶寬設(shè)置時所看到的曲線（顯示線）。很顯然中頻帶寬越窄分辨率越高，中頻帶寬越寬分辨率越低。分辨率帶寬直接影響到小信號的識別能力和測量的結(jié)果。
分辨率實(shí)際上就是分辨兩個信號的能力，中頻濾波器的3dB帶寬就是分辨率帶寬（見圖8）。
對信號的分辨除了分辨率帶寬會影響之外，還有一個參數(shù)，濾波器的形狀因數(shù)（見圖9），即濾波器60dB對3dB帶寬之比值。形狀因數(shù)越小越接近3dB帶寬。越陡峭就越接近于矩形，這時分辨能力就越強(qiáng)。所以說形狀因數(shù)越小，分辨能力越強(qiáng)。
模擬濾波器一般為15:1或是11:1，而數(shù)字濾波器是5:1。對于一個信號的分辨能力還有兩個因素：剩余調(diào)頻和噪聲邊帶（見圖10)。
剩余調(diào)頻是本振信號的抖動，這是無法避免的工藝問題。這種抖動決定了它能分辨信號間的小頻率范圍。如果兩個信號相差頻率是小于這個抖動范圍，那么就無法把這兩個信號分辨出來。所以剩余調(diào)頻這個指標(biāo)就決定了頻譜分析儀的最小可分辨的頻率差。 對于HP-859X來說是20Hz，對于ESA來講是10Hz。
噪聲邊帶在信號響應(yīng)基底上表現(xiàn)得不穩(wěn)定，這個噪聲可能掩蓋近端（靠近載波）的低電平信號。這個噪聲是由本振的抖動引起的，在頻率域上的體現(xiàn)。這個邊帶噪聲降低了分辨能力。
對于頻譜分析儀來說要降低邊帶噪聲是很困難的，這涉及到其壓控振蕩器的制作工藝。而把濾波器的形狀因數(shù)做小是相對比較容易實(shí)現(xiàn)的。所以我們評定一個頻譜儀的時候不僅要考慮它的邊帶噪
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