关于频谱仪的原理与应用探讨

随着技术的发展，频谱仪架构全面革新，已经取得了突破性的进展。目前，频谱仪广泛采用多通道和互相关技术，宽带分析能力不断提升，满足了实时处理的要求。例如，国产RSA6000 系列实时频谱仪的扫描速度达到了 4THz/s ，实时带宽最高达到 200MHz 。在硬件方面，广泛采用宽带 ADC，传统的 YIG 滤波器已经被更先进的滤波器组替代，所以仪器精度明显提升。在 5G 技术的应用下，高数据速率、高阶调制等需求都逐步得到满足。随着技术的完善与发展，频谱仪的应用领域不断拓宽，我国市场也对该设备有着旺盛的需求，仪器研发的国产化进程不断加快，目前已经通过许多行业权威认证，在精度层面已经可以赶超国际顶尖水平，在物联网、机载雷达等领域的应用愈加广泛。

一、频谱仪的原理

（一）概念

从本质上来看，频谱仪是一种测量电信号在频域特性的仪器，能够分解复杂的电信号，使其成为多种频率的正弦波分量，然后转化为图形，以此呈现信号强弱和频率之间的关系。工程分析师可以根据频谱仪显示的结果对电路进行分析，也可以用于射频性能分析。频谱仪的主要功能就是对信号的各项参数进行测量，也可以测试各类元件参数，如放大器、滤波器等[1]。频谱仪可以根据工作原理差异分为即时频谱仪和扫描调谐频谱仪。

（二）原理

根据频谱仪的概念可知，频谱仪的主要任务就是分解复杂的时域信号，使其成为对应的频率分量。目前频谱仪最常用的超外差式扫描调谐技术，基本原理如下图所示：

图 1 频谱仪基本原理

具体来说，在实际运作的过程中，先将信号输入衰减器，起到对后续电路保护的作用。如果输入超大功率信号，频谱仪前端因为比较灵敏，很容易发生损坏。衰减器可以根据需求将信号幅度减小，使其始终保持在线性范围内，满足频谱仪工作需求。低通滤波器是频谱仪的重要组成部分，用于抗混叠。该元件能够将比当前测量频率范围高的信号成分滤除，避免频率较高的信号与本地振荡器混频，进而出现虚假信号，或者信号出现在中频范围，容易对测量结果产生干扰。

频谱仪的核心部件为混频器，用于变换频率。该器件具有非线性的特点，能够将输入信号混入本地振荡器产生的信号中。通过混频新的频率成分会随之生成，包括和频与差频两类，在实际测量过程中，主要关注差频。本地振荡器主要用于生成正弦波，该正弦波具有可扫描的特点且纯度比较高。通过对电压进行控制，能够将它的频率从最小值线性扫描到最大值。

频谱仪中还有另一个核心部件，就是中频滤波器，具有选择性放大信号以及滤波的作用。该滤波器具有带宽可调的特点，但中心频率不会变化。在实际运作过程中，如果中心频率设定为 f_IF，混频器在 f_L0 随意变化的情况下，始终保持输入信号的频率与其差频等于 f_IF。在这种情况下，输入信号必须先满足条件，然后才能在中频滤波器中通过，其他频率信号会被阻挡[2]。所以，在扫描过程中，输入信号频率会按照高低顺序依次通过中频滤波器，具有分离频率的作用。

射频信号在中频滤波器处理之后，通过检波器转换为相应的直流电压，该电压能够体现输入信号在该频率点达到的功率。视频滤波器具有平滑显示的作用，属于低通滤波器，能够平滑地处理上一个环节输出的电压信号，有效减少显示轨迹噪声以及抖动，具有提升信号曲线清晰度的效果。最后，显示器将处理后的结果可视化呈现。采用 X 轴和 Y 轴显示的方式，X 轴与扫描频率范围对应，Y 轴与信号幅度对应。在扫描的过程中，信号幅度图会逐步在屏幕上绘制呈现，也就是生成频谱图，便于工程师分析。

频谱仪应用和测量的过程中，主要了解频率范围、分辨率带宽、视频带宽、参考电平、噪声底板几项参数与概念。频率范围就是仪器由高到低能够测量的频率区间；分辨率带宽本质上就是中频滤波器的带宽，会直接影响相邻信号区分能力，该参数越小，则说明分辨率越高，扫描速度会随着参数变小而变慢；视频带宽本质上就是视频滤波器的带宽，对频率分辨率并不会产生影响，具有平滑噪声的作用，能够提升信号观察的便捷性和清晰度；参考电平就是在显示屏中展现的 Y 轴顶部幅度值；噪声地板就是频谱仪的本底噪声。信号必须比噪声低板高才能使用频谱仪进行测量。

二、频谱仪的应用

（一）应用现状

从目前的发展趋势看，频谱仪技术在不断创新，应用领域也随着技术创新持续拓宽。例如，罗德与施瓦茨 FSWX 系列采用了内部互相关算法，能够对多路信号进行同时分析，仪器固有噪声也得到了有效地抑制，进而测量更加精准。目前来看，频谱仪在机载雷达、车联网、物联网等领域的应用更加广泛。我国已经开始使用明安图射电频谱日像仪进行太阳大气三维探测。我国实施无线电管理政策，极大地规范了频谱仪市场，并且大力鼓励技术研发，进一步加快频谱仪的国产化进程。

（二）应用场景

频谱仪的应用场景十分丰富，其基础功能就是信号参数测量，可以在调试晶体振荡器中应用，也可以在无线模块验证场景中应用，通过测量确认无线模块是否在规范频点上工作。测量内容包括频率、功率和占用带宽三项。在实际操作的过程中，主要对中心频率、扫宽和参考电平三个旋钮进行操作。首先，根据测量要求进行参考电平设置，预防信号过载，合理控制信号，使其能够清晰地呈现。然后设置扫宽，进一步提升信号呈现的清晰度。使用频谱仪的标记功能，利用“光标”对频率、功率值进行精准读取。频谱仪普遍设有峰值搜索功能，可以对信号峰值进行快速测量与定位。

所有非线性器件都会有谐波产生，或者出现杂散的情况，可以使用频谱仪进行测量。该测量的具体场景为功放性能评估或者产品预兼容性测试，测量内容包括二次谐波、三次谐波和本振泄漏等杂散信号。在实际操作的过程中，工程师使用低通滤波器进行测量，获取基波功率之后，将滤波器接入输出端，用于抑制基波频率，使谐波能够清晰呈现[3]。合理设置输入衰减器，避免大信号将前端损坏。如果对大功率信号进行测量，必须使用外置衰减器，这样才能保障测量精度。

调制信号分析也是频谱仪的主要功能，通常在数字通信系统发射机质量以及调制误差诊断中应用。主要对邻道功率比、发射频谱模板、误差矢量幅度三项内容进行测量。在实际操作的过程中，现代频谱仪已经普遍应用矢量信号分析软件，能够对调制信号进行深度分析。在实际测量的过程中，必须严格遵守技术标准，合理设置分辨率带宽和视频带宽。

此外，频谱仪还具有电磁干扰预测试、信道功率测量等功能，由于功能丰富，所以应用场景十分广泛。未来会逐步向技术高端化的方向发展，满足实时分析的需求，并且覆盖更高频段。

结语：

综上所述，频谱仪将超外差原理作为基础，采用频率扫描与滤波的方式，直观地呈现信号频率特性。频谱仪的应用场景十分丰富，不论是信号观测，还是故障诊断，都具有明显的应用优势。随着技术的不断发展，频谱仪的精度日益提升，目前正在向软件定义、更宽频带、更强分析的方向演进，逐步成为科研、国防、航天等领域不可或缺的设备仪器。

参考文献：

[1]郭少杰,沈发新,高冠男,等.超宽带超高分辨率太阳射电频谱仪的研发[J].天文研究与技术,2023,20(06):518-526.

[2]赵自鹏,刘良斌,李娅.基于 STM32F407 的声音信号频谱仪设计[J].电脑与电信,2024,(07):57-61.

[3]石旭,薛静.频谱仪显示屏技术的演进与应用[J].中国信息界,2024,(01):23-26.