頻譜分析儀是RF工程師用來測量特定頻帶內(nèi)信號的基本儀器，它們捕獲并顯示有用和無關信號，從而進行一系列參數(shù)的測量，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型頻譜分析儀的系統(tǒng)架構，本文將著重介紹實時頻譜分析儀(RTSA)，掃頻式頻譜分析儀和矢量信號分析儀的總體結構，并重點介紹它們的相對優(yōu)缺點。

實時頻譜分析能夠連續(xù)，無間隙地捕獲和分析時變的瞬態(tài)信號，而常規(guī)的掃頻式頻譜分析儀和矢量信號分析儀由于其設計原理的差異而無法實現(xiàn)此項功能。掃頻式頻譜分析儀通過掃描其本振信號(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)濾波器對其進行濾波并檢測。掃描本振時，輸入信號頻率被對應地掃過固定頻率的RBW濾波器。實際上，頻譜分析儀在單個時刻都只能看到一小部分頻率范圍，因此，僅當信號在正確的時間和頻率出現(xiàn)在RBW濾波器時，該信號才可見。而瞬態(tài)信號出現(xiàn)的時候，本振頻率未能掃描到對應頻率，那瞬態(tài)信號就會被遺漏（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，包絡檢波器和顯示都是使用數(shù)字信號處理的方式實現(xiàn)的。矢量信號分析儀將特定帶寬內(nèi)的對應信號下變頻為固定頻率的IF。IF模擬信號由模數(shù)轉換器(ADC)采樣，時域采樣數(shù)據(jù)可用于調(diào)制域分析。對于頻譜分析，使用快速傅里葉變換(FFT)將時域信號轉換為頻域頻譜。FFT處理一個采樣塊，稱為采樣幀。在本文中，采樣幀中的采樣數(shù)稱為采樣幀大小或FFT大小。FFT計算完成并將結果傳輸?shù)斤@示器后，將獲取下一個采樣幀。與掃頻式頻譜分析儀不同的是，這里的本振是固定的，同時矢量信號分析儀對在兩次采樣幀之間時間間隔內(nèi)出現(xiàn)的信號也是忽略的(圖2)。

圖2. 掃頻式頻譜分析儀在掃描過程中對瞬態(tài)信號的響應

幾乎所有現(xiàn)代頻譜分析儀都結合了傳統(tǒng)掃頻式分析儀和矢量信號分析儀的特點。如果跨度大于FFT分析帶寬，則將沿LO步進以將多個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)對信號采樣并進行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分析儀是串行處理流程，可獲取采樣點并FFT處理。RTSA處理流程是并行的(圖4)，因為它可以獲取一個新的采樣幀的同時，對前一個采樣幀進行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。RTSA頻譜分析儀，例如安立的Field Master Pro? MS2090A，能夠針對512點FFT信號每秒執(zhí)行527000 次FFT處理。FFT的點數(shù)是FFT分析帶寬內(nèi)的頻率點數(shù)，它也等于采樣幀中采集的I/Q采樣數(shù)。點數(shù)越多，頻率分辨率越好，但是FFT計算時間也會增加。

圖3. 簡化的矢量信號分析儀和信號處理流程框圖

實時頻譜儀的關鍵性能指標是捕獲概率(POI)，POI定義為準確測量一個連續(xù)波(CW)信號的幅度所需的最小信號持續(xù)時間。POI受多個因素影響：FFT處理速度，采樣率，時間窗重疊，RBW和跨度。下一節(jié)將解釋這些因素的相互關聯(lián)性及其對POI的影響。

圖4. 實時頻譜分析儀的框圖和信號處理流程

時間窗

當對一個采樣塊進行FFT分析時，F(xiàn)FT的計算是假設時域信號是周期性的，其周期等于采樣幀的持續(xù)時間。

圖5描述了在一個時間間隔內(nèi)對簡單正弦波進行采樣的過程。當對采樣幀進行FFT處理時，若將采樣信號視為周期信號，采樣幀則在開始和結束處產(chǎn)生了不希望的不連續(xù)性。時域上的這種不連續(xù)性導致頻域能量分散，而不是集中在單個頻率的正弦波上。頻譜泄漏在FFT頻譜分析中也是不正確的，因為這會導致無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，也導致了信號幅度的失真。

圖5. 在沒有加窗的情況下，對采樣幀進行FFT處理會導致頻譜泄漏