一、頻譜儀

　　頻譜分析儀又名頻譜分析儀，是一種測試測量設備，主要用于射頻和微波信號的頻域分析，包括測量信號的功率，頻率，失真產物等。

　　按照工作原理分，頻譜有兩種基本的類型：實時頻譜儀和掃頻調諧式頻譜儀。實時頻譜儀包括多通道濾波器（并聯型）頻譜儀和FFT頻譜儀。掃頻調諧式頻譜儀包括掃描射頻調諧型頻譜儀和超外差式頻譜儀。

　　頻譜儀的原理

　　實時頻率分析儀是針對不同的頻率信號而有相對應的濾波器和檢知器，再有同步的多任務掃描器將信號傳送到CRT屏幕上。

　　掃描調諧頻譜分析儀是輸入信號經衰減器直接外加到混波器再調變的本地振蕩器經和CRT同步的掃描產生器產生隨時間作線性變化的振蕩頻率，經混波器和輸入信號混波。

　　二、示波器

　　示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質的屏面上，就可產生細小的光點（這是傳統的模擬示波器的工作原理）。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。

　　工作原理

　　示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質的屏面上，就可產生細小的光點。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。

　　三、頻譜儀與示波器有什么區別

　　從實時帶寬、動態范圍、靈敏度和功率測量準確度四個方面比較了示波器和頻譜儀的分析性能指標的區別。

　　1、實時帶寬

　　對于示波器來說，帶寬通常是其測量頻率范圍。而頻譜儀則有中頻帶寬、分辨帶寬等帶寬定義。這里，我們以能對信號進行實時分析的實時帶寬作為討論對象。

　　對于頻譜儀來說，末級模擬中頻的帶寬通常可以作為其信號分析的實時帶寬，大多數的頻譜分析的實時帶寬只有幾兆赫茲，通常較寬的實時帶寬通常為幾十兆赫茲，當然目前帶寬最寬的FSW頻譜儀可以達到500兆赫茲。而示波器的實時帶寬為其實時取樣的有效模擬帶寬，一般為數百兆赫茲，高的可達數千兆赫茲。

　　這里需要指出的是，大多數的示波器在垂直刻度設置不同時，其實時帶寬可能并不一致，在垂直刻度設置到最靈敏時，其實時帶寬通常會下降。

　　從實時帶寬來說，示波器普遍優于頻譜儀，這對于某些超寬帶信號分析尤其有好處，特別是在調制分析上有著無可比擬的優勢。

　　2、動態范圍

　　動態范圍指標因其定義不同而有所不同，很多情況下，動態范圍被描述為儀器測量最大信號和最小信號的電平差值。當改變測量設置時，儀器測量大信號和小信號的能力是不一樣的，例如頻譜分析儀在衰減設置不一樣的情況下，其測量大信號所帶來的失真是不一樣的。在這里，我們討論儀器能夠同時測量大小信號的能力，即在不改變任何測量設置的情況下，示波器和頻譜儀在合適設置情況下的最佳動態范圍。

　　對于頻譜儀來說，在不考慮相位噪聲等近端噪聲和雜散情況下，平均噪聲電平、二階失真、三階失真是制約動態范圍的最主要因素，以主流頻譜儀的技術指標計算，其理想動態范圍約為90dB（受二階失真限制）。

　　大多數的示波器由于受其AD有效取樣位數和噪聲底的限制，傳統示波器的理想動態范圍通常不超過50dB。（對于R&S RTO示波器，在100KHz RBW時，其動態范圍可高達86dB）

　　從動態范圍來看，頻譜儀要優于示波器。但這里要指出的是，這對于常在信號的頻譜分析來說確實如此，然而示波器的頻譜是同一幀數據，頻譜儀的頻譜大多數情況下都不是同一幀數據，因而對于瞬變信號來說，頻譜儀可能無法測量到。而示波器發現瞬變信號（信號滿足動態范圍的情況下）的概率要大得多。

　　3、靈敏度

　　這里討論的靈敏度，是指示波器和頻譜儀所能測試到最小信號的水平。這個指標與儀器設置緊密相關。

　　對于示波器而言，示波器在Y軸設置至最靈敏檔時，通常為1mV/div時示波器所能測試到最小信號，拋開端口不匹配等因素來看，示波器的信號通道產生的噪聲以及軌跡不穩定帶來的噪聲是制約示波器靈敏度的最重要因素。

　　從圖一中我們可以看出，因為采樣點數的增加，頻譜噪聲底可以下降到比較理想的程度。然而，當在時域已經無法清晰準確的再現信號時，在頻域就產生了非常多的雜波，這就限制了我們觀測小信號的能力。

　　圖1 受噪聲影響的的靈敏度限制

　　大多數示波器與圖一所示一樣，能夠穩定測量0.2mV的信號，對應到頻域，這相當于-60dBm的水平。事實上，示波器能否準確的測量小信號，不僅與垂直系統的靈敏度有關，還與X軸的抖動、觸發靈敏度等性能有關。

　　筆者為了對比文中所分析的技術指標，特地到R&S公司成都的開放實驗室（感謝成都分部提供的幫助）進行了指標對比，讓人驚訝的是，RTO示波器在靈敏度指標上非常優秀，如下圖所示：

　　圖2 RTO示波器的全頻段頻譜圖

　　從圖二可以看出，RTO能夠準確測量-60dBm的信號，其噪聲底在-80dBm左右。而最讓人感到高興的是，在整個頻段（DC-4GHz），沒有發現能夠影響靈敏度的大的雜波，從而大幅提高了測量靈敏度。

　　在沒有雜波的情況下，通過增加取樣點數可以得到更低的噪聲。例如圖3所示，將Span和RBW設置得更小的情況下，RTO示波器的底噪聲可以降低至-100dBm以下。

　　圖3 RTO示波器的窄帶頻譜圖

　　從這點來說，RTO絕對能夠讓測量人員改變“示波器是頻域分析雞肋”的感受。

　　對于頻譜儀來說，同樣拋開端口不匹配等因素來討論，頻譜儀的在增益最大、衰減器設置最小情況下，平均噪聲電平可以看作頻譜儀測量小信號的極限。在不涉及前置放大器的情況下，大多數性能良好的頻譜儀可以達到-150dBm。

　　4、功率測量準確度

　　對于頻域分析來說，功率測量準確度是非常重要的技術指標。無論是示波器還是頻譜儀，對功率測量準確度的影響量都是非常多的，下面分別列出其主要的影響量：

　　對于示波器來說，功率測量準確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、垂直系統誤差、頻率響應、AD量化誤差、校準信號誤差等。

　　對于頻譜儀來說，功率測量準確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、參考電平誤差、衰減器誤差、帶寬轉換誤差、頻率響應、校準信號誤差等。

　　此處我們不對影響量進行逐一分析比較，我們通過對1GHz頻率信號的進行功率測量來對比，通過RTO示波器和FSW頻譜儀的測量對比可以看出，在1GHz處，示波器與頻譜儀的功率測量值僅相差0.2dB左右，這是非常好的測量準確度指標。因為頻譜儀在1GHz處的測量準確度是非常好的。

　　另外，在頻率范圍內，示波器的頻率響應指標也是很好的，4GHz范圍內不超過0.5dB，從這點來說，示波器甚至優于頻譜儀的性能。

　　總的來說，示波器與頻譜儀在頻域分析性能上各有所長，頻譜儀在靈敏度等技術指標上更勝一籌，示波器在實時帶寬上較頻譜儀更為出色。在測量不同類型的信號時，可根據測試需求和儀器的不同技術特點進行選擇。