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频谱分析仪：原理及类型介绍
您是电气工程师吗？您用过频谱分析仪吗？
大多数（希望是所有！）电气工程师都知道示波器是什么，并且也使用过，也许还有许多电气以外其他学科的工程师也是如此。我猜想在大多数电气工程师刚进入大学时，示波器就走进了他们的生活。但是，说到频谱分析仪，一些执业的电气工程师可能都不知道是什么，更不用说用过。
什么是频谱分析仪？
对于许多电气工程师来说，除了具有更多的功能和图形，频谱分析仪看起来就像示波器。但是，虽然示波器和频谱分析仪都在垂直轴上显示信号的幅度，但两者之间的差异是水平轴显示的参数，示波器显示时间，而频谱分析仪显示频率。下图显示了在 Rigol 的 DSA815-TG 频谱分析仪上显示的多个频率测量值。
图 1：频谱分析仪在水平轴上显示频率测量值。（图片来源：Rigol Technologies[1]）
据 Keysight Technologies 称，频谱分析仪“在仪器的整个频率范围内测量输入信号的幅度与频率的关系。其主要用途是测量已知和未知信号频谱的功率。”[2] 换句话说，频谱分析仪允许用户“分析频谱”，其中频谱定义为一个正弦波的集合，这些正弦波组合起来以产生时域信号。
例如，让我们在示波器上观察一个信号（图 2）。
图 2：示波器上显示的一个信号（图片来源：Agilent Technologies[3]）
该信号明显不是纯正弦波，而频谱分析仪可确定构成该信号的每个正弦波。在频谱分析仪识别出这些波形之后，即会绘制出每个波形的幅度与频率的关系。如图 3 所示，图 2 中的信号仅由两个正弦波组成。
图 3：时域信号（示波器上显示）与频域信号（频谱分析仪上显示）之间的关系（图片来源：Agilent Technologies[3]）
频谱分析仪的类型：技术类型和外形尺寸
频谱分析仪主要有两类：扫描调谐分析仪和实时分析仪，后者又称为实时频谱分析仪或 RTSA。这两种类型已经使用多年，它们在垂直轴上显示幅度，在水平轴上显示频率，但如何“分析频谱”是二者的区别所在。
鉴于扫描调谐频谱分析仪“只不过是频率范围可自动调谐（扫描）的频率选择式电压计”[4]，所以认为这些传统类型的分析仪“起源于无线电技术”就一点也不足为奇[4]。并且由于扫描调谐频谱分析仪“无法同时评估给定范围内的所有频率”[4]，因此主要用于测量稳态或重复信号。这些分析仪已经成功地服务于合规工程界几十年，例如合规前测试和 EMC/EMI 测试。
与扫描调谐频谱分析仪不同，实时频谱分析仪可同时评估所有频率。实时频谱分析仪的工作原理是，首先获取时域数据，然后使用快速傅立叶变换 (FFT) 将数据转换为频域。
频谱分析仪有各种各样的外形尺寸，包括台式（图 4）、手持式（图 5）和便携式。
图 4：Teledyne LeCroy 的 T3SA3200 台式频谱分析仪提供 9 kHz 至 3.2 GHz 的频率范围。（图片来源：Teledyne LeCroy[5]）
图 5：Seeed Technology 的 RF Explorer Model 2.4G 是一款 2.35 GHz 至 2.55 GHz 的手持式频谱分析仪。（图片来源：Seeed Technology）
台式型号的性能通常要优于手持式型号，但价格可能更高。手持式频谱分析仪既便宜又小巧，但仅提供台式分析仪的一部分功能。便携式分析仪配有电池组，因而可以携带到现场使用（包括某些台式版本）。
总结
虽然所有（我们希望是！）电气工程师都知道什么是示波器以及如何使用示波器，但估计只有部分电气工程师用过频谱分析仪。尽管示波器和某些频谱分析仪（台式版本）在外形尺寸和显示内容上看起来都相似，但其实却大不相同。频谱分析仪以幅度-频率关系的方式显示采集的数据，而示波器以幅度-时间关系的方式显示信息。不过，就像示波器一样，根据用户的需求和预算，有各种频谱分析仪类型可供选择。
参考资料：
1 – Rigol Technologies, “DSA800 Spectrum Analyzer Datasheet”（第 3 页）
2 – Keysight Technologies, “What is a Spectrum Analyzer?”
3 – Agilent Technologies, “Agilent Spectrum Analysis Basics”（第 4-5 页）
4 – Keysight Technologies, “Different Types of Analyzers”
5 – Teledyne LeCroy, “T3SA3100/T3SA3200 Data Sheet”（第 2 页）
关于此作者
Nick Davis 拥有爱达荷州大学的电气工程学士学位，该校座落于爱达荷州美丽的莫斯科市。他曾在不同规模的公司工作过，有员工不到 50 人的小公司，也有超过 30,000 人的大公司。在工程领域服务的 18 余年中，他担任过许多工程职务，包括设计工程师、系统工程师、制造工程师、测试和验证工程师。目前，他的专注领域包括开发基于微控制器的机电系统、创建 PCB 原理图和布局设计文件、3D CAD 建模以及自主创业。
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