直读光谱仪分析谱线_频谱分析仪主要有哪几种

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为什么使用频谱仪？

01 认识频谱

    电磁频谱，是指按电磁波波长（或频率）连续排列的电磁波族，是一种看不见摸不着但时刻伴随我们的东西。当我们使用电磁波将一串信息发送出去时，在时域上他是一段强度不同，疏密变化的时间信号，在其中的任意时刻，你所能获取的只有他的强度；当我们换个角度，站在频域上来看时，在信号的每一个时刻，你都能看到他从时域的一个点延展成了频域的一个面，你所能获取到的信息量将成倍增加，这有助于我们从中解析出更丰富的内容。

 因此，电磁频谱的观测，或者说使用频谱仪，我们实际上是换一个角度来看待信号，正所谓“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”，频谱监测其实是为我们观察信号的传输提供了一个更全面且独特的视角。

02 频谱监测的作用

    在当前无线通信中，我们经常会利用微波乃至毫米波（300MHz-300GHz）的光子或电磁（EM）能量，以模拟或数字数据的形式传输信息，以便能够以成本效益高的方式传递安全、军事、商业或消费者数据。近年来随着用户个人移动终端的急速增长，以及物联网（IoT），智能城市，自动驾驶等新兴技术的海量终端接入(mMTC)，从基本视频流到整个公用电网的所有内容现在都依赖于可靠，高速和不间断的连接。

由于实现通信技术信号传输和接收的组件、设备和系统需要经过设计、生产、验证和维护等几个阶段，因此能够测量射频信号能量并提供工具分析这些射频载波及其调制信号的设备是非常有价值的，而实时频谱分析仪在描述组件特性，验证设备行为，并确保现场操作时的正确性能方面是强大且高效的。例如，干扰监测与获取也利用RTSA来定位破坏性设备和现象，否则，这些因素可能会对安全造成威胁，或阻碍正常通信流量的运行。

频谱分析仪原理

01 实时频谱分析实现过程

    频谱分析仪利用射频能量捕获技术，将射频信号的频域和调制信息数字化，并为进一步分析准备数字数据。由于频谱分析仪是由非完美的设备组成的，任何给定的频谱分析仪能够有效捕获和分析的射频信号的频率范围、带宽、功率水平和复杂性都有限制。

    频谱分析仪的信号一般由天线射频输入、射频衰减器、预选器或低通滤波器（LPF）、混频器、中频增益放大器和中频滤波器组成。然后，目标信号到达模数(ADC)转换器，将捕获的信号数字化，一旦射频信号被数字化，射频信号的时间片就会被快速傅里叶变换（FFT）计算器处理，并将其转换为连续的频域扫频数据，最后经由视频带宽（VBW）滤波器并显示出来。

 此外，ADC在给定时间内可以转换的频率带宽是有限的，也就是所谓的瞬时带宽，较小的瞬时带宽可以提供更高的测量精度，但代价是可查看的频谱，但如果测量扫描范围超出瞬时带宽，则每段扫描的更新会有延迟。然而，如果一个测量扫描范围超出了瞬时带宽，那么在更新扫描的每个部分时将会有一个延迟。但对于调制通信信号、随机信号或脉冲信号来说，这可能是一个挑战。

02 频谱分析仪的射频前端

    简单来说，任何一台频谱分析仪都可以将其结构简单化为三个部分：射频接收前端、数字化部分以及数据处理部分。

在无线通信逐渐发展的情况下，随着通信技术的演进，现代信号已经变得相当复杂，在这样的情况下，频谱分析的射频前端也发展出了多种形式：超外差，零中频以及直接数字化。

超外差（super-heterodyne）

    在超外差接收机中，传入的射频信号被混频成较低的中频(IF)，在那里它被滤波并随后数字化，这种方法久经检验，性能出色，通过适当的频率规划，外差接收机可以实现非常好的杂散能量和噪声性能，但结构相对复杂。

零中频/直接变频(homodyne)

    LO的频率与传入的射频信号的频率相同,信号被混合到一个零的中频(基带),之后再进行数字化，这是对ADC带宽使用效率最高的一种，两个数据转换器配合工作，对I/Q信号进行采样，从而提高用户带宽，同时又不会有交织难题。对于直接变频架构，困扰多年的主要挑战是维持I/Q平衡以实现合理水平的镜像抑制、LO泄漏和直流失调。近年来，整个直接变频信号链的先进集成加上数字校准已克服了这些挑战，直接变频架构在很多系统中已成为非常实用的方法。

直接采样/直接数字化（Direct Digitization）

输入信号将会直接进行数字化，其障碍在于很难让转换器工作于直接射频采样所需的速率并且实现大输入带宽以及实现大输入带宽。

我们将三种接收机前端的原理图与优劣势进行一个汇总，方便对比：

目前有很多实时频谱分析仪会使用以上一种或多种结构来作为其射频前端，以虹科实时频谱分析仪HK-R5550为例，覆盖频率从9kHz-8/18/27GHz，在紧凑式机箱内同时使用了这三种前端架构，根据选择的频率或瞬时带宽手动/自动进行切换，以更好的适应现代信号本身。

总结

    随着频谱监测行业的不断发展，频谱仪已经不仅局限于文中所提到的频谱监测与获取，更进一步的实时解调与分析，对比与预警等等都已经发展极快，本文只是按照频谱仪最基本的原理进行了介绍和补充。

    我们将在以后的文章中总结现有的频谱监测方案，并就如何更好的使用频谱分析仪做更详细的解读。