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频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。本章详细介绍了频谱分析仪原理，无线频谱分析仪选购，声音频谱分析仪，手机频谱分析仪等内容。
频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。
频谱分析仪是研究电信号频谱结构的仪器，用于信号失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真等信号参数的测量，可用以测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数，是一种多用途的电子测量仪器。它又可称为频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅里叶分析仪等。现代频谱分析仪能以模拟方式或数字方式显示分析结果，能分析1赫以下的甚低频到亚毫米波段的全部无线电频段的电信号。仪器内部若采用数字电路和微处理器，具有存储和运算功能；配置标准接口，就容易构成自动测试系统。
频谱分析仪的工作原理
频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，面板上布建许多功能控制按键，作为系统功能之调整与控制，实时频谱分析仪（Real-Time Spectrum Analyzer）与扫瞄调谐频谱分析仪（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）。实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器（Detector），再经由同步的多任务扫瞄器将信号传送到CRT 屏幕上，其优点是能显示周期性杂散波（PeriodicRandom Waves）的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频宽范围、滤波器的数目与最大的多任务交换时间（Switching Time）。
最常用的频谱分析仪是扫瞄调谐频谱分析仪，可调变的本地振荡器经与CRT 同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率，经混波器与输入信号混波降频后的中频信号（IF）再放大、滤波与检波传送到CRT 的垂直方向板，因此在CRT 的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系，信号流程架构如图1.3 所示。
影响信号反应的重要部份为滤波器频宽，滤波器之特性为高斯滤波器（Gaussian-Shaped Filter），影响的功能就是量测时常见到的解析频宽（RBW，Resolution Bandwidth）。RBW 代表两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异，两个不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪的RBW，此时该两信号将重叠，难以分辨，较低的RBW 固然有助于不同频率信号的分辨与量测，低的RBW 将滤除较高频率的信号成份，导致信号显示时产生失真，失真值与设定的RBW 密切相关，较高的RBW 固然有助于宽带带信号的侦测，将增加噪声底层值（Noise Floor），降低量测灵敏度，对于侦测低强度的信号易产生阻碍，因此适当的RBW 宽度是正确使用频谱分析仪重要的概念。
另外的视频频宽（VBW，Video Bandwidth）代表单一信号显示在屏幕所需的最低频宽。如前所说明，量测信号时，视频频宽过与不及均非适宜，都将造成量测的困扰，如何调整必须加以了解。通常RBW 的频宽大于等于VBW，调整RBW 而信号振幅并无产生明显的变化，此时之RBW 频宽即可加以采用。量测RF 视频载波时，信号经设备内部的混波器降频后再加以放大、滤波（RBW 决定）及检波显示等流程，若扫描太快，RBW 滤波器将无法完全充电到信号的振幅峰值，因此必须维持足够的扫描时间，而RBW 的宽度与扫描时间呈互动关系，RBW 较大，扫描时间也较快，反之亦然，RBW 适当宽度的选择因而显现其重要性。较宽的RBW 较能充分地反应输入信号的波形与振幅，但较低的RBW 将能区别不同频率的信号。例如使用于6MHz 频宽视讯频道的量测，经验得知，RBW 为300kHz 与3MHz 时，载波振幅峰值并不产生显著变化，量测6MHz的视频信号通常选用300kHz 的RBW 以降低噪声。天线信号量测时，频谱分析仪的展频（Span）使用100MHz，获得较宽广的信号频谱需求，RBW使用3MHz。这些的量测参数并非一成不变，将会依现场状况及过去量测的经验加以调整。
频谱分析仪的选择
无线设备在工作时可能会出现周期性地挂起，干扰其他消费电子产品的工作（例如电台），或者无法完全发挥应有的功能，这些问题都会使消费者对它的技术水平和相应的产品供应商丧失信心。为了避免这种糟糕的情况，选择一种能够满足当今无线产品设计与调试需求的高性能频谱分析仪是至关重要的，这种频谱分析仪不仅要能够检验产品的真实性能，也要能够检测高度集成的无线发射器的功能。
无线技术的挑战
在过去几年中，用户所接触的产品功能越来越强大，其目的在于在移动电话这种单一设备中集成多种方便实用的技术，从而增强用户的多功能体验。新的高速数据技术，例如HSDPA/HSUPA和A版本的1xEV-DO，能够为用户提供更强大的功能，例如广播视频和高速E-mail等。而且，诸如卫星与地球视频广播、UWB和WLAN等技术也将集成到移动手持式设备之中。
这种多功能集成的趋势为设计者提出了两大严峻的挑战：处理快速变化的带宽分配需求，以及对高度集成的系统中发生的问题进行隔离。今天，大多数标准只需要在固定操作状态下进行无线发射器测试。但是，从本质上来看，高速数据服务的用户模型（例如高速上网、收发E-mail和周期性的下载等）所需的带宽是随需求而实时变化的。
如果信号的峰值功耗与平均功耗的比值变化较大，这种瞬时的带宽变化将会带来更大的挑战。当其他的无线技术引起瞬时的电池消耗，或者当带外发送的信号干扰了灵敏接收机的工作时，就会出现上述的问题。
假设某个用户希望通过移动电话通话，接通数据下载文件，利用UWB发送该文件到某个存储设备，同时通过连续视频服务观看世界杯，那么设计者如何确保这些功能都能够实现？要想完整地测试多功能集成的设备，设计者必须超越技术标准的局限，针对设备的实际工作与性能要求进行测试。
设计者所面临的另一个挑战就是：随着设备集成度的提高，检测无线发射器的问题变得越来越困难。要想在频域、时域和数字域中同时观察某个信号路径，可能需要多种测试仪器，因此要想把硬件和软件的问题隔离开就变得越来越困难。在多种仪器之间以及在整个信号路径上将信号事件之间的时间关系关联起来，这种测试功能已经成为调试现代无线设计所必不可少的一部分。
不论频谱分析仪、示波器和逻辑分析仪的存储容量有多少，它们存储事件的能力都是有限的。因此当我们需要在多个仪器之间关联某个信号事件的时候，必须在存储器存满之前，在该事件发生时实时地隔离出所关注的信号。否则，要想在多个域之间截取某个随时间变化的问题几乎是不可能的。
实现这一功能的关键在于事件的触发方式，以及以较低的延迟交叉触发其他仪器的能力。
传统工具的局限
对伪事件进行触发、跨测试环境捕捉事件数据、分析与时间相关的数据，这些功能都是查找先进无线设备问题根本来源的必要需求。随着过去几年的发展，频谱分析仪已经成为分析射频传输特性的主要工具，选择合适的工具能够加快无线设计者的开发速度，提高开发能力。
基站多载波放大器和其他一些高性能无线发射器能够利用扫频式调谐频谱分析仪的功能，对高动态范围内（high-dynamic-range）的信号进行测量。最近，人们推出了矢量信号分析仪，从而使用户能够针对调制信号分析发射器的性能特征。在某些情况下，这两类分析仪可以结合起来使用，用户利用一套仪器不但可以观察到高动态范围的信号（频谱分析），还可以观察到信号的调制状态（矢量分析）。但不幸的是，用户无法同时观察到这两种信号。
早期设计的测试工具中采用的多载波放大器（MCPA）效率较低，无法传输1xEV-DO和HSDPA这样的突发载波信号。这类老式的MCPA正在被采用最新线性化技术（例如数字预矫正）的新型MCPA器件所取代。由于采用了先进的DSP以及较高数据速率的D/A转换器，数字预矫正线性化技术能够大大提高功放的效率，降低实现所需的成本。
扫频式频谱分析仪或矢量信号分析仪能够根据技术标准验证MCPA的频谱和调制性能，但是它们无法超越技术标准的限制，解释实际条件下的器件特性。现代无线器件的实际操作要求高速数据通道要具有针对预期的用户使用模式的特性。
扫频式调谐频谱分析仪和矢量信号分析仪的架构都限制了它们检测瞬态事件的能力。捕捉频谱事件的概率取决于扫描的速度、量化范围以及对踪迹信息（trace information）的后续处理。扫频调谐式分析仪没有矢量存储器，通常只记录最小、最大和平均功耗。尽管矢量信号分析仪具有矢量踪迹存储器（vector trace memory），但是它后期捕捉信号处理的速度较慢，无法完成连续的信号分析任务。
因此，两种工具捕捉短暂瞬态事件的概率都远远小于10%。即使它们能够捕捉这种事件，信息处理带来的延迟也无法在真实的事件发生时有效触发发射器链路上的其他仪器。
实时频谱分析仪的新特性
显然，为了应对实际操作条件下的挑战，分析仪必须能够对频域事件进行触发，并交叉触发多个仪器。无线通信信号的突发特性，以及在无线设备中集成复杂的线性化技术都可能引起频谱紊乱，因此对这种事件的触发功能是极其重要的。
图1 实时频谱分析仪能够快速检测频谱紊乱（例如图中右边）
其中左边相信的频谱由于受基带瞬态事件的影响而增大了几个dB
实时频谱分析仪的架构决定了它们具有执行实时FFT分析所需的计算速度，能够利用计算结果在频谱事件发生时进行触发，并以很高的置信度将它们捕捉到存储器中。在实时处理以及捕捉信号之前，实时频谱分析仪能够将时域采样的数据转换到频域上，从而在捕捉到存储器中或者触发某个外部事件之前，对信号频谱进行预先分析。因此，实时频谱分析仪能够预先查看信号，并可以设置为只对所关心的频谱事件进行触发。
基于DSP的设备在现代无线设备的信号控制和频谱整形中扮演着极为重要的角色，这类设备的测试需求给人们提出了巨大的测试挑战，因为它们将原来由硬件实现的功能（很容易利用仪器来表征）转换为软件来实现。当不与时钟采样同步的增益变换、信号滤波和校正因数被放大时，它们本身就表现为频谱紊乱（spectrum violations）（如图1所示）。这类事件可能会引起频谱发射的失效，或者接收器的干扰。
进一步来看，频率屏蔽触发器（FMT）使得实时频谱分析仪能够检测并触发频谱中比最大信号电平小100万倍的信号。由于具有在12μs以内执行1024点FFT所需的计算速度，实时频谱分析仪能够以100%的概率完成事件捕捉，这是其他分析仪所望尘莫及的。
当出现紊乱时，FMT不仅能够触发内部存储器捕捉事件进行分析，而且能够同时发出一次事件触发给示波器，进而触发逻辑分析仪。然后，示波器和逻辑分析仪可以显示出待测设备的时域和逻辑信号的同步和时间关系。这样，我们就捕捉了完整的事件，并能够在实时频谱分析仪（频域）、示波器（时域）和逻辑分析仪（数字域）中进行各个域之间的交叉分析。这样，不论是硬件问题还是软件问题，测试人员都可以找出问题的根本来源，不必再胡乱猜测了。
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