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频谱分析仪仪器特性
分析频谱分析仪的讯息处理过程
在量测高频信号时，外差式的频谱分析仪混波以后的中频因放大之故，能得到较高的灵敏度，且改变中频滤波器的频带宽度，能容易地改变频率的分辨率，但由于超外差式的频谱分析仪是在频带内扫瞄之故，因此，除非使扫瞄时间趋近于零，无法得到输入信号的实时（Real Time）反应，故欲得到与实时分析仪的性能一样的超外差式频谱分析仪，其扫瞄速度要非常之快，若用比中频滤波器之时间常数小的扫瞄时间来扫瞄的话，则无法得到信号正确的振幅，因此欲提高频谱分析仪之频率分辨率，且要能得到准确之响应，要有适当的扫瞄速度。由以上之叙述，可以得知超外差式频谱分析仪无法分析瞬时信号（TransientSignal）或脉冲信号（Impulse Signal）的频谱，而其主要应用则在测试周期性的信号及其它杂散信号（Random Signal）的频谱。频谱分析仪系统内部及面板显示的特性，详如附录一的说明，对该内容的了解将有助于频谱分析仪的操作使用。一般本地振荡器输出信号的频率均高于中频信号的频率，本地振荡器输出信号的频率可被调整在谐波之频率，亦即?IN=n??LO±?I F n=1,2,3.......⑵
由式⑵得知，频谱分析仪的信号量测范围，无形中己被拓宽，低于或高于本地振荡器或其它谐波频率的输入信号，均能被混波产生中频。延伸输入信号频率的混波原理，其中纵轴代表输入信号（?IN），横轴代表本地振荡频率（?LO），图中的正负整数代表公式⑵中频放大器对应的正负号。
可体会频谱分析仪利用本地振荡的谐波信号延伸输入信号频率的工作原理。然而可能对应多个输入信号频率，为消除此一现象，在衰减器前面加入频率预选器（Preselector），用来提升频谱分析仪的范围，同时使输出的结果能去除其它不必要的频率而真正反应输入信号的频率。
图1.4：利用本地振荡之谐波信号拓展信号频率的原理
由以上得知超外差或频谱分析仪无法分析瞬时信号（TransientSignal）或脉冲信号（Impulse Signal）的频谱，而其主要应用则在测试周期性的信号及其它随机信号（Random Signal）的频谱。

基于快速傅里叶变换(FFT）的现代频谱分析仪，通过傅里叶运算将被测信号分解成分立的频率分量，达到与传统频谱分析仪同样的结果。这种新型的频谱分析仪采用数字方法直接由模拟/数字转换器（ADC）对输入信号取样,再经FFT处理后获得频谱分布图。
在这种频谱分析仪中，为获得良好的仪器线性度和高分辨率，对信号进行数据采集时 ADC的取样率少等于输入信号频率的两倍，亦即频率上限是100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200MS/S的取样率。
半导体工艺水平可制成分辨率8位和取样率4GS/S的ADC或者分辨率12位和取样率800MS/S的ADC，亦即，原理上仪器可达到2GHz的带宽，为了扩展频率上限，可在ADC前端增加下变频器，本振采用数字调谐振荡器。这种混合式的频谱分析仪可扩展到几GHz以下的频段使用。
FFT的性能用取样点数和取样率来表征，例如用100KS/S的取样率对输入信号取样1024点，则输入频率是50KHz和分辨率是50Hz。如果取样点数为2048点，则分辨率提高到25Hz。由此可知，输人频率取决于取样率，分辨率取决于取样点数。FFT运算时间与取样，点数成对数关系，频谱分析仪需要高频率、高分辨率和高速运算时，要选用高速的FFT硬件，或者相应的数字信号处理器(DSP）芯片。例如，10MHz输入频率的1024点的运算时间80μs，而10KHz的1024点的运算时间变为ms,1KHz的1024点的运算时间增加至640ms。当运算时间超过200ms时，屏幕的反应变慢，不适于眼睛的观察，补救办法是减少取样点数，使运算时间降低至200ms以下。

MXA N9020A是agilent公司在2005年推出的一款中档生产级信号分析仪，流通至今，它是agilent在售的新一代中档频谱分析仪+矢量信号分析仪，也是我司主营的信号分析仪。工作方式为FFT+扫频，支持2G、3G和3.9G通信标准，广泛应用在元器件、直放站和基站部件的带内及带外测试，矢量信号分析测量速度是目前agilent推出的成熟的产品中快的。并拥有40MHz的分析带宽。
 主要特性与技术指标
 频率范围为：20Hz--3.6/8.4/13.6/26.5GHz
平均噪声电平：≤-166dBm
测量精度：≤±0.23dB
小分辨率带宽：1Hz
可配置25或40MHz的分析带宽选件
带有可到26.5GHz的内置前置放大器
支持GSM/EDGE、CDMA2000、WCDMA、HSDPA、HSUPA、EVDO、TD-SCDMA、LTE、WLAN、相位噪声和噪声系数等的测量选件。

噪声特性
由于电阻的热敏效应，任何设备均具有噪声，频谱分析仪亦不例外，频谱分析仪的噪声，本质上是热噪声，属于随机性（Random），它能被放大与衰减，由于系随机性信号，两噪声的结合只有相加而无法产生相减的效果。在频带范围内也相当平坦，其频宽远大于设备内部电路的频宽，检测器检知的噪声值与设定的分辨率频宽（RBW）有关。由于噪声是随机性迭加于信号功率上，因此显示的噪声准位与分辨率频宽成对数的关系，改变分辨率频宽时噪声随之变化，噪声改变量相关的数学式如下所示：
例如：频宽从100kHz（BW1）调整到10kHz（BW2），则噪声改变量为：
亦即降低噪声量10dB （为原来的1/10），相对提高讯号与噪声比10dB。由此可知，纯粹要降低噪声量，使用窄宽度的频宽将能达到目的。不论噪声来之于外部或内部产生，量测时均将影响信号振幅的准确性，特别在低准位信号时，更是如此，噪声太大时，甚至掩盖信号以致无确判断信号的大小，影响量测质量的两种噪声可概括为下列项：
⑴.产生于交换功能的数字电路、点火系统与DC 马达脉冲噪声，这类噪声常见于EMI（Electromagnetic Interference）的讨论领域里。
⑵. 随机性噪声来之于自然界或电路的电子移动，又称之为KTBW （或称热敏）噪声、Johnson 噪声、宽带噪声或白氏（White）噪声等，本书主要以热敏噪声为重点，数学式为：
Pn =kTBW ，⑸
其中：Pn =噪声功率= 3.98*10?21 瓦/Hz 或-174dB/Hz
k=Boltzman 常数，1.38*10?23 joule/oK
T=温度表示的常温=290 oK
BW=系统的噪声功率频宽（Hz）。
在4MHz、75 Ω、290 oK 时的噪声功率为-59.1dBm。由噪声功率得知，信号频宽降低，系统噪声功率随之降低，信号的质量以信号噪声比表示
（SNR；Signal-to-Noise Ratio），信号强度（单位为dBm）与系统噪声功
率（单位为dBm）的相减值即为信号噪声比，数学式为：
匹配因素
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