頻譜分析基礎

如圖1所示，可以在時域或頻域中觀察信號的不同特性：

在時域中，傳統上示波器被用作為觀測幅度隨時間變化的儀器。在頻域中，傳統上頻譜分析儀被用作為觀測幅度隨頻率變化的儀器。我們可以看出，在這兩種情況下，信號是相同的。時域信號是大量離散的正弦波的復合體，每個正弦波都有自己的幅度和相對相位。頻譜分析儀中顯示的“頻譜”只是簡單地把信號分解成構成的頻率成分。

傳統掃頻分析儀

圖2是傳統掃頻分析儀簡化的結構方框圖：

掃頻超外差頻譜分析儀是幾十年前第一次使得工程師能夠進行頻域測量的傳統結構。頻譜分析儀最初是使用純模擬器件構建的，之后與所應對的應用一起不斷演變。當前一代頻譜分析儀包括各種數字元器件，如ADC、DSP和微處理器。但是，基本掃頻方法仍大體相同，最適合觀察受控的靜態信號。掃頻式頻譜分析儀通過下變頻所輸入的射頻信號，在分辨率帶寬(RBW)濾波器的通帶范圍內掃描，來測量功率隨頻率的變化。RBW濾波器后面有一個檢測器，檢測器計算選定跨度中每個頻率點上的幅度。盡管這種方法可以提供高動態范圍，但它的缺點是每一次只能計算一個頻率點的幅度數據。這種方法基于的假設是，分析儀在完成至少一次掃描的時間內，被測信號在此其間沒有明顯的變化。結果，測量只對相對穩定不變的輸入信號有效。如果信號快速變化，那么在統計概率上說，部分變化極可能會被漏掉。

傳統掃頻分析儀在觀察隨時間變化的RF射頻信號方面是一種有缺欠的工具。如果分析儀在掃描通過該頻帶后，某突發信號才出現在已掃描過的頻帶內，那么這個突發信號將不能被捕獲。看一下圖3：

圖3. 由于掃頻結構限制了分析過程中關心的頻率，傳統頻譜分析儀可能會漏掉一些隨時間變化的突變信號。Fb處關心的信號以間歇方式廣播。在分析儀從Fa掃描到Fb時，如果在分析儀掃描通過Fb時信號恰好沒有廣播，那么信號就可能被漏掉。

讓我們再觀察另外一個實例。圖4顯示了傳統頻譜分析儀設置成以20 kHz RBW掃描通過20 MHz的頻譜。默認掃描時長為146 ms，我們打開Max Hold曲線(藍色曲線)和Normal曲線(黃色曲線)，觀察頻譜響應。

圖4：傳統頻譜分析儀以20 kHz RBW測量20 MHz頻譜中的信號。

圖5是使用MDO4000混合域示波器的時域和頻域畫面觀察相同的信號。在顯示Max Hold曲線和Normal曲線時，信號Normal曲線顯示的信號看上去要干凈得多。Normal曲線顯示了隨時間變化的信號非常簡短的部分的FFT。在20 kHz RBW下，頻譜時間不到115 us。

MDO4000的時域畫面顯示了標為“f”的橙色曲線代表著信號的頻率隨時間的變化。頻率標度設置為2.00 MHz/格。頻率隨時間變化畫面的粗略視圖顯示了這個信號在大約1.4 ms時間周期上似乎在三個不同的頻率之間跳動。每個頻率似乎穩定了大約400 us，而頻率之間的跳變用了大約100 us。這些事件要比傳統掃頻分析儀的掃描時間快得多。根據圖4中選擇的設置，傳統頻譜分析儀每個掃描期間(146 ms的掃描時間)已經有100多個這樣的事件集合發生了。

圖6. 正常曲線現在位于跳頻信號較高頻率上。