频谱剖析仪有许多功用，能发觉元件在电路中的改动，剖析其频率呼应来阐明电路特性；也能丈量信号强度，对信号失真有协助；也能丈量频率占有率，防备邻近信号搅扰；并且是兼具计频器与功率计的仪器。
日常日子里充满频谱(Spectrum)的概念，各种不同频率信号以机率分配办法存在。在一般时域剖析(Time-domain Analysis)中，很简略从时刻轴上调查到任何信号波形改动事情，只需用示波器丈量，就能看出任何具有时刻函数的电子信号事情的瞬间物理量。
频谱剖析仪的开展来历，从前期通讯体系上频率丈量开端，为实现以频率为基准点，在频域上检测信号而研制的仪器，广泛用于丈量通讯体系的各种重要参数，如均匀噪声位准(Average Noise Level)、动态规模(Dynamic Range)、频率规模(Frequency Range)等。此外还可用在时域丈量，如丈量传输输出功率等。从功用面看，一般计频器只能丈量信号频率，功率计能丈量信号功率，频谱剖析仪可视为兼具计频器与功率计的丈量仪器(表1，*：指模仿解调)。
频谱剖析与时域剖析相得益彰
如要理清信号特性，除运用示波器从时域(Time Domain)调查信号外，需从频率的视点，简称频域(Frequency Domain)去剖析信号。用示波器调查信号无法一窥全貌，只能看到组成后的波形。法国数学家傅立叶(Jean-Baptiste-Joseph Fourier)以为，任何时域上的电子信号现象，皆由多组恰当的频率、振幅与相位的弦波信号(Sine Wave)组成。因而，任何有恰当滤波功用的电子体系，必可将信号波形分解成多单个离不同的弦波或频率，不同弦波则由其所具有的振幅与相位来决议信号特性。换言之，借由这种组成剖析，可将弦波信号由时域转为频域。
对无线射频(RF)与微波信号而言，不参加剖析要素时，保存相位信息往往会使转化进程变得复杂，因而要设法阻隔相位信息。当剖析周期性信号时，经过傅立叶诠释能了解，在频域中单个组成弦波之间的间隔单位为频率(f)或1/T(T是弦波信号的周期)。由时域转化至频域，有必要对信号进行连续性核算，一般进行信号调查，只以一小段时刻规模内特性来归纳全貌。运用傅立叶改换(Fourier Transform)，能从频域观念转化至时域空间考虑，不过要先把沿着频率轴规模的频谱与单个成分之相位核算出来。例如，要将一个时域中的方波转化到频域后，再回转化回时域时，往往因相位参数未加以保存，而发生锯齿波失真。
时域中恣意信号，必为一群弦波信号的线性组合信号或组成信号，如图1所示，频谱的频域象限中呈现的弦波信号特性，可用振幅与频率来表达，而非纯弦波波形的信号，包括二次谐波(Second Harmonic)组成信号。尽管如此，但频谱剖析(Spectrum Analysis)并不能彻底替代时域剖析；后者在大部分信号丈量仍占有一席之地，且能供给信号脉波的上升与下降时刻、信号过冲与振动现象等。所以，频谱剖析与时域剖析可视为相得益彰的办法。
图1 时域与频域的差异
RF电路中或许有扩大器(Amplifier)、振动器(Oscillator)、混频器(Mixer)、滤波器(Filter)等电路元件，单纯用示波器来看，无法发觉这些元件在电路中的改动，此刻有必要运用频谱剖析仪，剖析其频率呼应来阐明电路的特性。
频域中有对应的信号强度可丈量，所以频域剖析是找出待测信号各谐波成分的最佳解决办法，特别对通讯工程人员最注重的谐波失真剖析有重要贡献。例如，在无线电话体系中的载波信号上，有必要常查看其他体系的谐波搅扰是否形成信号失真，而影响到通话质量的状况。此外，通讯工程人员也关怀载波信号上的调变信号失真程度。如发生交互调变现象所发生的失真成分，往往落在所攸关的带宽中难以滤除。
频谱的占有率，也是在频域剖析上一种重要丈量。为了防备邻近频率信号搅扰，针对调变信号所进行的展频动作，往往是根据有用标准各种发射频谱之带宽的考虑。林林总总通讯电子产品的遍及运用下，形成不必要的电磁信号无所不在，成为电磁污染源。而电磁搅扰是一种频谱的占有现象，无论是辐射式或传导式电磁搅扰，都会形成其他电子体系在操作运转上的危害，因而电子或电器产品制造厂商，都有必要根据电子电器产品相关法则标准，来进行电磁辐射测验，才干上市。
频谱剖析仪品种各有千秋
频谱剖析仪分两类，实时性(Real Time)频谱剖析仪(SA)与扫描调谐(Sweep Tuned)频谱剖析仪。
SA能立即把信号滤出来，运用许多平行架构的滤波器来散布在所有的带宽规模中，信号一经输入之后能马上表明(图2)，为实时性频谱剖析仪的架构。实时性频谱剖析仪能马上将信号滤出，滤波器的带宽能够按照不同的跨度(Span)来作调整与改动，不过这类型的频谱仪，最大的问题在运用很多滤波器作实时处理，所以价格昂贵，且带宽一般不会很高，一般约10M～30MHz左右。
图2 实时性频谱剖析仪架构
Sweep Tuned频谱剖析仪，可分为两大类，别离是RF调谐办法、超外差扫描办法。
图3为RF调谐办法架构而成的频谱剖析仪方块图，运用一个带通可调的滤波器(Tunable Filter)，由一扫描仪来调变期带通宽度，从而使得相关的频率信号经过，并加至笔直倾向版(即CRT中的横轴)，而CRT中的水平轴受扫描仪频率同步的操控，使不同的频率信号在水平轴上别离对应地呈现。
图3 RF调谐办法的频谱剖析仪架构
此种办法构成的频谱剖析仪较简略，能包括较广的频率规模，并且价格便宜，但灵敏度与频率特性等效能较差，滤波器的带宽固定，频率的分辨率无法改动。此种调谐型的频谱剖析仪较为经济，以及所能丈量的频率规模较广，故前期微波带宽常常运用这一办法。惋惜此种办法以扫描仪来调变滤波器的带通，故扫描仪的扫描速度不能太快，一般在数个MHz/s左右，当扫描超出这个比值，滤波器对信号的呼应没有到达100%时，滤波器的带通规模现已改动，所以测出的值往往较小于本来信号而不精确。
因为调谐式频谱剖析仪的灵敏度与精确性不高，所以现在运用最广的是超外差式的频谱剖析仪(图4)。此种办法是将输入滤波器的带通固定，运用一个频率可变的本地振动器(Local Oscillator, LO)，使之发生随时刻而线性改动的振动频率。将此可变的振动频率与输入信号在混波器(Mixer)混合后，发生一中频。此中频成为接纳机的输出，加至屏幕的笔直倾向板(横轴)，巨齿波电压亦一起加至水平倾向板(纵轴)，在屏幕上显现出的信号为频率与振幅的对应联系。以下将针对图4中每个单元进行介绍：
图4 超外差式频谱剖析仪简易架构
·衰减器
因为混波器的RF输入最大线性规模有限，对一般丈量不够用，因而须将过大信号预先衰减到混波器RF输入线性规模。经过混波器之后，再运用扩大器把信号复原。但这种架构会形成频谱剖析仪上的显现噪声位准，跟着衰减器(Input Attenuator)的值崎岖。
·混波器
RF信号与LO信号经过混波器之后，发生许多两者之间频率倍数相加减的信号。当输入信号与本地振动器经过混频之后，会发生三种中频的或许(或许更多)，可用以下公式来求出所要的正确中频信号：
第(1)式中fIF所发生的中频频率，远高过频谱剖析仪内中频滤波器的协振频率，故不能为此仪器所承受。第(3)式所发生的中频，其输入信号之频率fRF有必要比fLO高，所以此种fRF信号比振动频率fLO高的RF就会被扫除在外。最终只需第(2)式中所发生的中频，才为正确的中频信号。
·解析带宽
解析带宽(Resolution Bandwidth, RBW)滤波器也称中频滤波器，其作用是将RF频率与本地振动频率相检的信号，也便是所谓的IF信号，由混波器发生的很多频率中过滤出来。运用者可借由面板上的RBW操控钮，挑选不同的3dB带宽的RBW滤波器。由图5可看出，RBW设的越窄，所调查到的频率散布就越纤细，也下降噪声位准。
图5不同RBW与噪声位准联系
·电压操控振动器
频谱剖析仪上电压操控振动器(VCO)频率，有必要由高于最高输入频率延伸到至少最高输入频率两倍频率以上。对作业在1G以上的频谱剖析仪而言，这就代表着振动器至少要由1～3G。实践的规划中，大多数为2～3.5G左右。这种频率规模一般需求具有调谐电路的振动器，而非低频振动器中典型的线圈与%&&&&&%。
·检波器
若直接将中频信号输出到屏幕上，会形成一团杂波。所以有必要经过检波器(Detector)，将中频的交流电(AC)信号振幅转化为直流(DC)偏压，再输出到屏幕行程相对的传值倾向，呈现各个频率的巨细。现行的频谱剖析仪，大多以数字取样的办法，将波型呈现在屏幕上。
·视信带宽
中频振幅的直流偏压送到屏幕前，须经过视信滤波器。它是一个低通滤波器，可将屏幕的笔直偏压改动变得较陡峭。
超外差式的频谱剖析仪混频之后，因中频扩大原因，能够得到较大的灵敏度，且改动中频滤波器的带宽，能很简略的改动频率的分辨率。但因为超外差式的频谱剖析仪是在频袋内扫描原因，因而无法得到实时性剖析(瞬间剖析悉数频谱)，除非扫描时刻趋近于零。何况，若运用比中频滤波器的时刻常数小的扫描时刻来扫描的话，无法得到信号的正确振幅(即功率)，因而想要进步频谱剖析仪的频率分辨率，且得到精准的呼应，扫描速度要调整恰当。从上述得知，在超外差的频谱剖析仪中，无法剖析瞬时信号(Transient Signal)或单一脉冲信号(Impulse)，首要运用在测验周期性信号或许其他离散信号。
频谱剖析仪操作特性剖析
频率分辨率(Frequency Resolution)，是频谱剖析仪关于一些频率相隔很近之信号区别的才能。决议此分辨率有两个要素，一是中频扩大器的带宽(Bandwidth)或挑选性(Selectivity)；另一个为频谱剖析仪自身的频率安稳度(Stability)，此安稳度决议于频率漂移(Drift)、剩余的FM信号(Residual FM)，以及本地振动器上面的噪声巨细。
频谱剖析仪的扫描速度太快，会导致扫描灵敏度的衰检(Sweep Desensitization)，将形成振幅、挑选性与分辨率的丢失，可经过以下办法改进：当扫描信号被维持在中频滤波器的带宽，而有够长时刻答应信号起伏在滤波器树立一个恰当值时，只需扫描的速度(Hz/s)不超越中频滤波器3dB带宽的平方，就能防止扫描灵敏度的衰减。
衡量最弱小信号检出的才能称为灵敏度。最大灵敏度是由频谱剖析仪内所发生的噪声来决议。一般内部的噪声分红两种，热噪声与其他噪声。热噪声的电功率为：
PN=杂音电功率(KTB)
K：Boltzman Constant(1.38 x 10-23Joul/oK)
T：绝对温度
B：用Hz表明体系的带宽
由此可知噪声巨细与带宽成份额，因而当带宽下降1/10时，噪声水平(Noise Floor)会削减10dB，灵敏度也改进10dB。
理清根本参数界说
频谱剖析仪几个根本设定参数，如图6所示。频率显现的规模，能够经由设定开端频率和截止频率，也便是频率的最大值与最小值，或许也能够设定想要的中心频率，再设定所要打开的带宽；位准显现规模有助于最大位准的显现与距离；当频谱剖析仪以外差式原理来操作，频率的分辨率是由IF滤波器的带宽来设定的，也便是上面所说到的RBW。扫描时刻(Sweep Time)首要针对外差式的频谱剖析仪设定，指纪录所要悉数频率规模所需时刻。假如期望得到较小的解析带宽，扫描时刻会变长。
图6 频谱剖析仪示意图
频谱剖析仪RF输出端，一般有两种不同的接头，BNC头跟N-Type头(图7)两种。BNC接头一般能测验规模较小，且经过BNC测验出来的高频部分较易发生差错，所以如今的高频测验仪器，简直都以N-Type接头为主。
图7 频谱剖析仪RF端测验接头N Type接头
在测验体系中有各类型接头做测验。除N Type、BNC接头外，还有SMA接头、F接头号常见的接头。SMA接头常用在高频测验或许电路板衔接部分，F接头较常运用在有线电视体系，或在AV信号。其他还有像是TNC接头、M接头、UHF接头号接头，较常在无线电体系中被运用。这些类型的接头尽管在RF通讯体系中并不常用，但是在丈量某些特别标准或许测验进程中，仍是有或许用到。
线材的分类是以信号衰减量、阻抗值、导体资料等单位来区别。常见RF线材RG223、RG316等，较常运用在高频通讯上；RG58、RG59等较常用在低频测验上。RF部分的丈量，常以RG316线材作测验线材。
不同待测物/信号可改动各式测验办法
频谱剖析仪运用十分广，按照不同待测物、不同信号即可改动出林林总总的测验办法。傅立叶改换，是现在十分重要且广泛运用于各行业的数字信号剖析技能，当仪器丈量所得的信号为时刻-振幅的数据时，能够用傅立叶改换将此一信号转化为频率-振幅，来进行此一信号的频率特性剖析。
傅立叶积分的界说为：
满意狄里赫利条件的周期信号，可打开成对应的数学式为：
其间
式中a0、an、bn为傅立叶系数；T0为周期，也便是信号基频成分的周期；为信号的基频，nW0为次谐波。
正弦波、方波、三角波等的频谱，如图8、9、10所示，运用信号源输入到频谱剖析仪中，即可验证各波形的频谱改动。
图8 正弦波信号与频谱
图9 方波信号与频谱
图10 三角波信号与频谱
谐波丈量也是一种丈量办法，任何的信号都会有所谓的谐波效应，比较不同的是电路的规划将谐波效应按捺下来，如运用一台信号源送入100MHz信号，在其N倍频下一般能看到其谐波的信号(图11)。
图11 主波与谐波表明图
别的，在频谱剖析仪上装设天线，能够接纳到天线呼应规模内信号，如电台信号、无线电信号、手机信号等。如图12所示，在接纳规模内有125MHz、700MHz、1GHz等信号呈现，在频谱仪上就可清楚接纳。
图12 通讯监测示意图
再来是相位噪声测验。抱负信号在频谱剖析仪上可用一条笔直线代表，换言之，只需在此频率上才有信号功率值，在信号的左右彻底没有功率。但实在国际中，因物理特性联系，不或许有如此完美的信号存在，如图13所示。一个信号除自身频率外，还会有残留功率在邻近，称为相位噪声。
图13 相位噪声表明图
信道功率是以设定信道宽度巨细的带宽测定，并核算其间的总功率值。如信号带宽设定1MHz(即中心频率左右各500kHz)，通道功率就以这规模来丈量整个带宽中的总功率。换言之，假如带宽设定在100kHz，那通道功率就会以100kHz内的总功率来核算(图14)。
图14 通道功率示意图
然后是调变信号测验。现在数字信号简直是归于调变往后的信号，因为调变信号能够加强信号的安全性，常见的调变信号有AM、FM、FSK以及其他常被提及的调变办法。不同的调变信号可让规划者或体系来判别，接纳到的信号是否为所想要信号，图15、16、17便是运用频谱剖析仪来作信号检测的图例。
图15 AM信号测验(调变信号测验图)
图16 FM信号测验(调变信号测验图)
图17 FSK信号测验(调变信号测验图)
最终是Gain/Loss的丈量。频谱剖析仪结合信号追寻器(Tracking Generator, TG)就成为一个激起呼应(Stimulus Response)丈量体系。运用TG来发射信号可当作一信号发生器，把RF接纳端当成接纳器；因为TG与RF的信号同步，所以可简略找出产品频率呼应点(Insertion Loss)，假如调配Directional Coupler配件，可丈量回来丢失(Return Loss)。不管测验频率呼应点或许回来丢失，测验时都须先标准化，标准化有两种办法：短路与开路(图18、19)。标准化含义在将仪器、制具、接头、线材等丢失先扣除，就能够直接丈量出待测物宣布信号的成果。
图18 测验Insertion Loss前标准化与标准化后将待测物放上(Gain/Loss丈量办法)
图19 测验Return前标准化与标准化后将待测物放上(Gain/Loss丈量办法)
一般直接运用TG来传送信号、用RF来接纳信号的测验办法(即中心无耦合器等线路)，其标准化会先将待测物拿掉，先即将两头短路，然后运用频谱剖析仪内的标准化功用(一般须加装TG才会敞开这功用)。校正后再将待测物放上，即可测验。另一种运用Coupler办法，运用网桥当作中心Coupler，这样的测验办法，会先将网桥的来历(Source)端接上TG、Reflected接到RF端，然后将待测设备(DUT)端先行开路，等标准化后再将待测物接上DUT端，即可测验完结。
