一、頻譜儀

　　頻譜分析儀又名頻譜分析儀，是一種測(cè)試測(cè)量設(shè)備，主要用于射頻和微波信號(hào)的頻域分析，包括測(cè)量信號(hào)的功率，頻率，失真產(chǎn)物等。

　　按照工作原理分，頻譜有兩種基本的類(lèi)型：實(shí)時(shí)頻譜儀和掃頻調(diào)諧式頻譜儀。實(shí)時(shí)頻譜儀包括多通道濾波器（并聯(lián)型）頻譜儀和FFT頻譜儀。掃頻調(diào)諧式頻譜儀包括掃描射頻調(diào)諧型頻譜儀和超外差式頻譜儀。

　　頻譜儀的原理

　　實(shí)時(shí)頻率分析儀是針對(duì)不同的頻率信號(hào)而有相對(duì)應(yīng)的濾波器和檢知器，再有同步的多任務(wù)掃描器將信號(hào)傳送到CRT屏幕上。

　　掃描調(diào)諧頻譜分析儀是輸入信號(hào)經(jīng)衰減器直接外加到混波器再調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)和CRT同步的掃描產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器和輸入信號(hào)混波。

　　二、示波器

　　示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。它能把肉眼看不見(jiàn)的電信號(hào)變換成看得見(jiàn)的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過(guò)程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)（這是傳統(tǒng)的模擬示波器的工作原理）。在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。

　　工作原理

　　示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)。在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測(cè)試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。

　　三、頻譜儀與示波器有什么區(qū)別

　　從實(shí)時(shí)帶寬、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和功率測(cè)量準(zhǔn)確度四個(gè)方面比較了示波器和頻譜儀的分析性能指標(biāo)的區(qū)別。

　　1、實(shí)時(shí)帶寬

　　對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)，帶寬通常是其測(cè)量頻率范圍。而頻譜儀則有中頻帶寬、分辨帶寬等帶寬定義。這里，我們以能對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的實(shí)時(shí)帶寬作為討論對(duì)象。

　　對(duì)于頻譜儀來(lái)說(shuō)，末級(jí)模擬中頻的帶寬通?？梢宰鳛槠湫盘?hào)分析的實(shí)時(shí)帶寬，大多數(shù)的頻譜分析的實(shí)時(shí)帶寬只有幾兆赫茲，通常較寬的實(shí)時(shí)帶寬通常為幾十兆赫茲，當(dāng)然目前帶寬最寬的FSW頻譜儀可以達(dá)到500兆赫茲。而示波器的實(shí)時(shí)帶寬為其實(shí)時(shí)取樣的有效模擬帶寬，一般為數(shù)百兆赫茲，高的可達(dá)數(shù)千兆赫茲。

　　這里需要指出的是，大多數(shù)的示波器在垂直刻度設(shè)置不同時(shí)，其實(shí)時(shí)帶寬可能并不一致，在垂直刻度設(shè)置到最靈敏時(shí)，其實(shí)時(shí)帶寬通常會(huì)下降。

　　從實(shí)時(shí)帶寬來(lái)說(shuō)，示波器普遍優(yōu)于頻譜儀，這對(duì)于某些超寬帶信號(hào)分析尤其有好處，特別是在調(diào)制分析上有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　2、動(dòng)態(tài)范圍

　　動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)因其定義不同而有所不同，很多情況下，動(dòng)態(tài)范圍被描述為儀器測(cè)量最大信號(hào)和最小信號(hào)的電平差值。當(dāng)改變測(cè)量設(shè)置時(shí)，儀器測(cè)量大信號(hào)和小信號(hào)的能力是不一樣的，例如頻譜分析儀在衰減設(shè)置不一樣的情況下，其測(cè)量大信號(hào)所帶來(lái)的失真是不一樣的。在這里，我們討論儀器能夠同時(shí)測(cè)量大小信號(hào)的能力，即在不改變?nèi)魏螠y(cè)量設(shè)置的情況下，示波器和頻譜儀在合適設(shè)置情況下的最佳動(dòng)態(tài)范圍。

　　對(duì)于頻譜儀來(lái)說(shuō)，在不考慮相位噪聲等近端噪聲和雜散情況下，平均噪聲電平、二階失真、三階失真是制約動(dòng)態(tài)范圍的最主要因素，以主流頻譜儀的技術(shù)指標(biāo)計(jì)算，其理想動(dòng)態(tài)范圍約為90dB（受二階失真限制）。

　　大多數(shù)的示波器由于受其AD有效取樣位數(shù)和噪聲底的限制，傳統(tǒng)示波器的理想動(dòng)態(tài)范圍通常不超過(guò)50dB。（對(duì)于R&S RTO示波器，在100KHz RBW時(shí)，其動(dòng)態(tài)范圍可高達(dá)86dB）

　　從動(dòng)態(tài)范圍來(lái)看，頻譜儀要優(yōu)于示波器。但這里要指出的是，這對(duì)于常在信號(hào)的頻譜分析來(lái)說(shuō)確實(shí)如此，然而示波器的頻譜是同一幀數(shù)據(jù)，頻譜儀的頻譜大多數(shù)情況下都不是同一幀數(shù)據(jù)，因而對(duì)于瞬變信號(hào)來(lái)說(shuō)，頻譜儀可能無(wú)法測(cè)量到。而示波器發(fā)現(xiàn)瞬變信號(hào)（信號(hào)滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)范圍的情況下）的概率要大得多。

　　3、靈敏度

　　這里討論的靈敏度，是指示波器和頻譜儀所能測(cè)試到最小信號(hào)的水平。這個(gè)指標(biāo)與儀器設(shè)置緊密相關(guān)。

　　對(duì)于示波器而言，示波器在Y軸設(shè)置至最靈敏檔時(shí)，通常為1mV/div時(shí)示波器所能測(cè)試到最小信號(hào)，拋開(kāi)端口不匹配等因素來(lái)看，示波器的信號(hào)通道產(chǎn)生的噪聲以及軌跡不穩(wěn)定帶來(lái)的噪聲是制約示波器靈敏度的最重要因素。

　　從圖一中我們可以看出，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)數(shù)的增加，頻譜噪聲底可以下降到比較理想的程度。然而，當(dāng)在時(shí)域已經(jīng)無(wú)法清晰準(zhǔn)確的再現(xiàn)信號(hào)時(shí)，在頻域就產(chǎn)生了非常多的雜波，這就限制了我們觀測(cè)小信號(hào)的能力。

　　圖1 受噪聲影響的的靈敏度限制

　　大多數(shù)示波器與圖一所示一樣，能夠穩(wěn)定測(cè)量0.2mV的信號(hào)，對(duì)應(yīng)到頻域，這相當(dāng)于-60dBm的水平。事實(shí)上，示波器能否準(zhǔn)確的測(cè)量小信號(hào)，不僅與垂直系統(tǒng)的靈敏度有關(guān)，還與X軸的抖動(dòng)、觸發(fā)靈敏度等性能有關(guān)。

　　筆者為了對(duì)比文中所分析的技術(shù)指標(biāo)，特地到R&S公司成都的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室（感謝成都分部提供的幫助）進(jìn)行了指標(biāo)對(duì)比，讓人驚訝的是，RTO示波器在靈敏度指標(biāo)上非常優(yōu)秀，如下圖所示：

　　圖2 RTO示波器的全頻段頻譜圖

　　從圖二可以看出，RTO能夠準(zhǔn)確測(cè)量-60dBm的信號(hào)，其噪聲底在-80dBm左右。而最讓人感到高興的是，在整個(gè)頻段（DC-4GHz），沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能夠影響靈敏度的大的雜波，從而大幅提高了測(cè)量靈敏度。

　　在沒(méi)有雜波的情況下，通過(guò)增加取樣點(diǎn)數(shù)可以得到更低的噪聲。例如圖3所示，將Span和RBW設(shè)置得更小的情況下，RTO示波器的底噪聲可以降低至-100dBm以下。

　　圖3 RTO示波器的窄帶頻譜圖

　　從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，RTO絕對(duì)能夠讓測(cè)量人員改變“示波器是頻域分析雞肋”的感受。

　　對(duì)于頻譜儀來(lái)說(shuō)，同樣拋開(kāi)端口不匹配等因素來(lái)討論，頻譜儀的在增益最大、衰減器設(shè)置最小情況下，平均噪聲電平可以看作頻譜儀測(cè)量小信號(hào)的極限。在不涉及前置放大器的情況下，大多數(shù)性能良好的頻譜儀可以達(dá)到-150dBm。

　　4、功率測(cè)量準(zhǔn)確度

　　對(duì)于頻域分析來(lái)說(shuō)，功率測(cè)量準(zhǔn)確度是非常重要的技術(shù)指標(biāo)。無(wú)論是示波器還是頻譜儀，對(duì)功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量都是非常多的，下面分別列出其主要的影響量：

　　對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)，功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、垂直系統(tǒng)誤差、頻率響應(yīng)、AD量化誤差、校準(zhǔn)信號(hào)誤差等。

　　對(duì)于頻譜儀來(lái)說(shuō)，功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、參考電平誤差、衰減器誤差、帶寬轉(zhuǎn)換誤差、頻率響應(yīng)、校準(zhǔn)信號(hào)誤差等。

　　此處我們不對(duì)影響量進(jìn)行逐一分析比較，我們通過(guò)對(duì)1GHz頻率信號(hào)的進(jìn)行功率測(cè)量來(lái)對(duì)比，通過(guò)RTO示波器和FSW頻譜儀的測(cè)量對(duì)比可以看出，在1GHz處，示波器與頻譜儀的功率測(cè)量值僅相差0.2dB左右，這是非常好的測(cè)量準(zhǔn)確度指標(biāo)。因?yàn)轭l譜儀在1GHz處的測(cè)量準(zhǔn)確度是非常好的。

　　另外，在頻率范圍內(nèi)，示波器的頻率響應(yīng)指標(biāo)也是很好的，4GHz范圍內(nèi)不超過(guò)0.5dB，從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，示波器甚至優(yōu)于頻譜儀的性能。

　　總的來(lái)說(shuō)，示波器與頻譜儀在頻域分析性能上各有所長(zhǎng)，頻譜儀在靈敏度等技術(shù)指標(biāo)上更勝一籌，示波器在實(shí)時(shí)帶寬上較頻譜儀更為出色。在測(cè)量不同類(lèi)型的信號(hào)時(shí)，可根據(jù)測(cè)試需求和儀器的不同技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行選擇。