為什么使用頻譜儀？

認識頻譜

電磁頻譜，是指按電磁波波長（或頻率）連續排列的電磁波族，是一種看不見摸不著但時刻伴隨我們的東西。當我們使用電磁波將一串信息發送出去時，在時域上他是一段強度不同，疏密變化的時間信號，在其中的任意時刻，你所能獲取的只有他的強度；當我們換個角度，站在頻域上來看時，在信號的每一個時刻，你都能看到他從時域的一個點延展成了頻域的一個面，你所能獲取到的信息量將成倍增加，這有助于我們從中解析出更豐富的內容。

(資料圖)

因此，電磁頻譜的觀測，或者說使用頻譜儀，我們實際上是換一個角度來看待信號，正所謂“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同”，頻譜監測其實是為我們觀察信號的傳輸提供了一個更全面且獨特的視角。

頻譜監測的作用

在當前無線通信中，我們經常會利用微波乃至毫米波（300MHz-300GHz）的光子或電磁（EM）能量，以模擬或數字數據的形式傳輸信息，以便能夠以成本效益高的方式傳遞安全、軍事、商業或消費者數據。近年來隨著用戶個人移動終端的急速增長，以及物聯網（IoT），智能城市，自動駕駛等新興技術的海量終端接入(mMTC)，從基本視頻流到整個公用電網的所有內容現在都依賴于可靠，高速和不間斷的連接。

由于實現通信技術信號傳輸和接收的組件、設備和系統需要經過設計、生產、驗證和維護等幾個階段，因此能夠測量射頻信號能量并提供工具分析這些射頻載波及其調制信號的設備是非常有價值的，而實時頻譜分析儀在描述組件特性，驗證設備行為，并確保現場操作時的正確性能方面是強大且高效的。例如，干擾監測與獲取也利用RTSA來定位破壞性設備和現象，否則，這些因素可能會對安全造成威脅，或阻礙正常通信流量的運行。

頻譜分析儀原理

實時頻譜分析實現過程

頻譜分析儀利用射頻能量捕獲技術，將射頻信號的頻域和調制信息數字化，并為進一步分析準備數字數據。由于頻譜分析儀是由非完美的設備組成的，任何給定的頻譜分析儀能夠有效捕獲和分析的射頻信號的頻率范圍、帶寬、功率水平和復雜性都有限制。

頻譜分析儀的信號一般由天線射頻輸入、射頻衰減器、預選器或低通濾波器（LPF）、混頻器、中頻增益放大器和中頻濾波器組成。然后，目標信號到達模數(ADC)轉換器，將捕獲的信號數字化，一旦射頻信號被數字化，射頻信號的時間片就會被快速傅里葉變換（FFT）計算器處理，并將其轉換為連續的頻域掃頻數據，最后經由視頻帶寬（VBW）濾波器并顯示出來。

此外，ADC在給定時間內可以轉換的頻率帶寬是有限的，也就是所謂的瞬時帶寬，較小的瞬時帶寬可以提供更高的測量精度，但代價是可查看的頻譜，但如果測量掃描范圍超出瞬時帶寬，則每段掃描的更新會有延遲。然而，如果一個測量掃描范圍超出了瞬時帶寬，那么在更新掃描的每個部分時將會有一個延遲。但對于調制通信信號、隨機信號或脈沖信號來說，這可能是一個挑戰。

頻譜分析儀的射頻前端

簡單來說，任何一臺頻譜分析儀都可以將其結構簡單化為三個部分：射頻接收前端、數字化部分以及數據處理部分。

在無線通信逐漸發展的情況下，隨著通信技術的演進，現代信號已經變得相當復雜，在這樣的情況下，頻譜分析的射頻前端也發展出了多種形式：超外差，零中頻以及直接數字化。

超外差（super-heterodyne）

在超外差接收機中，傳入的射頻信號被混頻成較低的中頻(IF)，在那里它被濾波并隨后數字化，這種方法久經檢驗，性能出色，通過適當的頻率規劃，外差接收機可以實現非常好的雜散能量和噪聲性能，但結構相對復雜。

零中頻/直接變頻(homodyne)

LO的頻率與傳入的射頻信號的頻率相同,信號被混合到一個零的中頻(基帶),之后再進行數字化，這是對ADC帶寬使用效率最高的一種，兩個數據轉換器配合工作，對I/Q信號進行采樣，從而提高用戶帶寬，同時又不會有交織難題。對于直接變頻架構，困擾多年的主要挑戰是維持I/Q平衡以實現合理水平的鏡像抑制、LO泄漏和直流失調。近年來，整個直接變頻信號鏈的先進集成加上數字校準已克服了這些挑戰，直接變頻架構在很多系統中已成為非常實用的方法。

直接采樣/直接數字化（Direct Digitization）

輸入信號將會直接進行數字化，其障礙在于很難讓轉換器工作于直接射頻采樣所需的速率并且實現大輸入帶寬以及實現大輸入帶寬。

我們將三種接收機前端的原理圖與優劣勢進行一個匯總，方便對比：

目前有很多實時頻譜分析儀會使用以上一種或多種結構來作為其射頻前端，虹科實時頻譜分析儀覆蓋頻率從9kHz-8/18/27GHz，在緊湊式機箱內同時使用了這三種前端架構，根據選擇的頻率或瞬時帶寬手動/自動進行切換，以更好的適應現代信號本身。

總結

隨著頻譜監測行業的不斷發展，頻譜儀已經不僅局限于文中所提到的頻譜監測與獲取，更進一步的實時解調與分析，對比與預警等等都已經發展極快，本文只是按照頻譜儀最基本的原理進行了介紹和補充。我們將在以后的文章中總結現有的頻譜監測方案，并就如何更好的使用頻譜分析儀做更詳細的解讀。