頻譜分析儀
光譜分析儀測量了儀器的全頻率範圍內輸入信號與頻率的大小。主要用途是測量已知和未知信號頻譜的功率。最常見的頻譜分析儀測量值是電氣的輸入信號。但是，可以通過使用適當的換能器來考慮其他信號的光譜組合物，例如聲壓波和光波波。還存在用於其他類型信號的頻譜分析儀，例如使用直接光譜技術（例如單色儀）進行測量的光譜分析儀。
通過分析電信號的光譜，可以觀察到信號的主要頻率，功率，扭曲，諧波，帶寬和其他光譜成分，可以觀察到在時域波形中不容易檢測到的信號。這些參數可用於表徵電子設備，例如無線發射器。
頻譜分析儀的顯示器具有在水平軸上顯示的頻率，垂直軸上顯示了振幅。對於休閒觀察者來說，光譜分析儀看起來像示波器，該示波器繪製在垂直軸上，但時間在水平軸上。實際上，某些實驗室儀器可以作為示波器或光譜分析儀起作用。
歷史
1960年代的第一頻譜分析儀是掃蕩的儀器。
在1965年發現快速傅立葉變換（FFT）之後，1967年引入了第一個基於FFT的分析儀。
如今，有三種基本類型的分析儀：掃描的頻譜分析儀，矢量信號分析儀和實時頻譜分析儀。
類型
頻譜分析儀類型由用於獲得信號光譜的方法區分。基於掃描的調整和快速的傅立葉變換（FFT）頻譜分析儀：
- 一個掃描的分析儀使用超近似接收器將一部分輸入信號光譜轉換為狹窄的帶通濾波器的中心頻率，狹窄的帶通濾波器的中心頻率將其瞬時輸出功率記錄或顯示為時間的函數。通過通過一系列頻率掃描接收器的中心頻率（使用電壓控制的振盪器），輸出也是頻率的函數。但是，儘管掃描以任何特定的頻率為中心，但它可能會在其他頻率下缺少短期事件。
- FFT分析儀計算週期圖的時間序列。 FFT是指該過程中使用的特定數學算法。這通常與接收器和類似物到數字轉換器結合使用。如上所述，接收器減少了輸入信號譜的一部分的中心頻率，但該部分不被掃除。接收器的目的是降低分析儀必須抗衡的採樣率。通過足夠低的樣品率，FFT分析儀可以處理所有樣品（100％佔空比），因此能夠避免缺失短期事件。
構成因素
頻譜分析儀傾向於屬於四個形式：台式，便攜式，手持和網絡。
台式
此形式對於可以將頻譜分析器插入交流電源的應用很有用，這通常意味著在實驗室環境或生產/製造區域中。與便攜式或手持式外形相比，台式頻譜分析儀歷史上提供了更好的性能和規格。台式頻譜分析儀通常有多個風扇（帶有相關的通風孔）來消散處理器產生的熱量。由於它們的建築，台式譜分析儀通常重30磅（14公斤）。一些台式頻譜分析儀提供可選的電池組，從而使其遠離交流電源。這種類型的分析儀通常被稱為“便攜式”頻譜分析儀。
便攜的
此形式對於任何需要在外部進行測量或在使用時簡單地攜帶的頻譜分析儀的應用都是有用的。有用的便攜式光譜分析儀的屬性包括：
- 可選的電池供電操作，使用戶可以自由移動外部。
- 可以清晰可見的顯示器，可以在明亮的陽光，黑暗或塵土飛揚的條件下閱讀屏幕。
- 重量輕（通常小於15磅（6.8 kg））。
手持式
該外形對於任何需要非常輕巧的應用都有用。相對於較大系統，手持分析儀通常提供有限的功能。有助於有用的手持頻譜分析儀的屬性包括：
- 功耗非常低。
- 電池供電的操作在現場時，可以使用戶自由移動外部。
- 尺寸很小
- 重量輕（通常小於2磅（0.9千克））。
網絡
此形式不包括顯示屏，這些設備旨在啟用一類新的地理分佈光譜監視和分析應用程序。關鍵屬性是能夠將分析器連接到網絡並通過網絡監視此類設備。儘管許多頻譜分析儀具有以太網端口以進行控制，但它們通常缺乏有效的數據傳輸機制，並且太笨重或昂貴，無法以這種分佈式方式部署。此類設備的關鍵應用包括禁止無線信號的安全設施的RF入侵檢測系統。而且，細胞操作員正在使用此類分析儀來遠程監測許可光譜帶的干擾。此類設備的分佈式性質可實現發射機的地理位置，動態頻譜訪問的頻譜監視以及許多其他此類應用。
此類設備的關鍵屬性包括：
- 網絡有效的數據傳輸
- 低功耗
- 在分析儀網絡上同步數據捕獲的能力
- 低成本以實現大規模部署。
操作理論
掃蕩
如上所述，掃描的頻譜分析儀通過掃描電壓控制的振盪器通過一系列頻率通過一系列頻率掃描，將一部分輸入信號譜轉換為帶通濾波器的中心頻率，從而實現了對頻率的範圍的考慮。樂器的全頻範圍。
帶寬的帶寬決定了分辨率帶寬，這與儀器可檢測到的最小帶寬有關。正如右側的動畫所證明的那樣，帶寬越小，光譜分辨率就越多。但是，在顯示的速度可以更新正在考慮的整個頻率跨度與頻率分辨率之間存在權衡，這與區分近距離的頻率組件有關。對於橫掃調整的體系結構，這種掃描時間的關係很有用：
如果ST在幾秒鐘內進行掃描時間，則K是比例性常數，跨度是Hertz中正在考慮的頻率範圍，而RBW是Hertz中的分辨率帶寬。但是，掃描太快會導致顯示幅度下降和顯示頻率的變化。
同樣，動畫還包含向上和下轉換的光譜，這是由於頻率混合器同時產生和差異頻率。局部振盪器進料是由於與混合器中的IF信號路徑的不完善分離所致。
對於非常弱的信號，使用前放大器，儘管諧波和調整失真可能導致創建原始信號中不存在的新頻率組件。
基於FFT
使用基於FFT的頻譜分析儀，頻率分辨率為
通過數字頻譜分析儀中的傅立葉變換分析，有必要以採樣頻率採樣輸入信號
雜交超墨件-FFT
由於基於FFT的分析儀只能考慮狹窄的頻帶，因此一種技術是將掃描和FFT分析結合在一起，以考慮寬和狹窄的跨度。這種技術可以更快地進行掃描時間。
首先向下轉換信號，然後使用中間頻率進行數字化並使用超近似或FFT技術來獲取光譜，從而使該方法成為可能。
數字化中間頻率的一個好處是使用數字過濾器的能力，該數字過濾器比模擬過濾器具有一系列優勢，例如接近完美的形狀因子和改善過濾器結算時間。同樣，為了考慮狹窄的跨度，可以使用FFT來增加掃描時間，而不會扭曲顯示的光譜。
實時FFT
實時頻譜分析儀沒有任何盲時間 - 最大跨度，通常稱為“實時帶寬”。分析儀能夠在時域中採樣傳入的RF頻譜，並使用FFT過程將信息轉換為頻域。 FFT並行處理，無間隙和重疊，因此計算出的RF頻譜中沒有差距，也不會遺漏任何信息。
實時和離線實時
從某種意義上說，具有矢量信號分析儀功能的任何頻譜分析儀都是實時分析儀。它足夠快地對數據進行採樣，以滿足定理的Nyquist採樣，並將數據存儲在存儲器中以進行以後處理。這種分析儀僅適用於它可以存儲在內存中的數據 /捕獲時間的量，並且在處理時間內仍會在頻譜中產生差距和結果。
FFT重疊
在所有頻譜分析儀中，最大程度地減少信息失真是重要的。 FFT過程應用窗口技術來改善由於產生較少的側葉而導致的輸出光譜。窗口的效果還可以降低信號的水平，該信號在一個FFT和另一個FFT之間的邊界上捕獲。因此，FFT在實時頻譜分析儀中重疊。重疊率約為80％。利用1024點FFT過程的分析儀將重複使用上一個FFT過程中的819個樣本。
最小信號檢測時間
這與分析儀的採樣率和FFT速率有關。實時頻譜分析儀具有良好的水平準確性也很重要。
示例：對於具有40 MHz實時帶寬的分析儀（可以實時處理的最大RF跨度），需要大約50 ms樣本/秒（複雜）。如果頻譜分析儀產生250 000 FFT/s，則每4μs產生FFT計算。對於1024點FFT，將產生全光譜1024 x（1/50 x 10 6 ），大約每20μs。這也使我們的重疊速率為80％（20μs -4μs） /20μs= 80％。
持久性
實時頻譜分析儀能夠為用戶提供更多信息，以更詳細地檢查頻譜。正常的掃描頻譜分析儀將產生最大峰值，最小峰值顯示器，例如，實時頻譜分析儀能夠在給定的時間段內繪製所有計算出的FFT，其中添加的顏色編碼代表信號出現頻率。例如，此圖像顯示了在正常掃描視圖中顯示頻譜的差異，並在實時頻譜分析儀上使用“持久性”視圖。
隱藏的信號
實時頻譜分析儀能夠看到隱藏在其他信號後面的信號。這是可能的，因為沒有遺漏信息，並且向用戶顯示的顯示是FFT計算的輸出。一個例子可以在右邊看到。
典型功能
中心頻率和跨度
在典型的頻譜分析儀中，有選項可以設置開始，停止和中心頻率。頻譜分析儀顯示器上的停止頻率和啟動頻率之間的頻率被稱為中心頻率。這是顯示頻率軸中間的頻率。跨度指定開始頻率和停止頻率之間的範圍。這兩個參數允許調整儀器頻率範圍內的顯示，以增強測量光譜的可見性。
分辨率帶寬
如操作部分所述，分辨率帶寬過濾器或RBW濾波器是IF路徑中的帶通濾波器。它是檢測器之前的RF鏈的帶寬（功率測量設備）。它確定了RF噪聲底，分析儀仍可以將兩個信號分為兩個單獨的峰。調整此過濾器的帶寬允許歧視具有緊密間隔頻率組件的信號，同時還會更改測得的噪聲底。降低RBW濾波器的帶寬可降低測得的噪聲底，反之亦然。這是由於將更高的RBW過濾器傳遞到包膜檢測器的頻率要高於較低的帶寬RBW過濾器，因此較高的RBW導致較高的測量噪聲底線。
視頻帶寬
視頻帶寬過濾器或VBW過濾器是信封檢測器之後的低通濾波器。這是檢測器之後信號鏈的帶寬。然後，平均檢測或峰值檢測是指設備的數字存儲部分如何記錄樣本 - 每次步驟需要幾個樣本，並且僅存儲一個樣本，即樣本的平均值或最高樣本。視頻帶寬決定了區分兩個不同功率水平的能力。這是因為較窄的VBW將消除檢測器輸出中的噪聲。該過濾器用於通過從信封中刪除噪聲來“平滑”顯示器。與RBW類似，如果VBW小於RBW，則VBW會影響顯示的掃描時間。如果VBW小於RBW，則對掃描時間的這種關係很有用：
在這裡，掃描是掃描時間， k是無尺寸的比例常數， f 2 -f 1是掃描的頻率範圍，rbw是分辨率帶寬，而VBW是視頻帶寬。
探測器
隨著基於數字的顯示的出現，一些現代頻譜分析儀在VBW濾波器後使用類似於數字的轉換器來樣品頻譜振幅。由於顯示器具有離散數量的點，因此測量的頻率跨度也被數字化。檢測器用於嘗試充分地將正確的信號功率映射到顯示屏上的適當頻率點。通常有三種類型的探測器：樣本，峰值和平均
- 樣本檢測- 樣品檢測只是將給定間隔的中點用作顯示點值。儘管此方法確實很好地表示隨機噪聲，但並不總是捕獲所有正弦信號。
- 峰值檢測- 峰檢測使用給定間隔內的最大測量點作為顯示點值。這確保最大正弦曲線是在間隔內測量的。但是，可能無法測量間隔內較小的正弦體。同樣，峰檢測不能很好地表示隨機噪聲。
- 平均檢測- 平均檢測使用間隔內的所有數據點來考慮顯示點值。這是通過電源（ RMS ）平均，平均或原木功率平均來完成的。
顯示平均噪音水平
顯示的平均噪聲水平（DANL）正是它所說的 - 分析儀上顯示的平均噪聲水平。這可以具有特定的分辨率帶寬（例如-120 dBm @1 kHz rbw），也可以標準化為1 Hz（通常在dbm/hz中），例如-150 dbm（Hz）。這也稱為Spectrum分析儀的敏感性。如果信號水平等於平均噪聲水平，則將顯示3 dB的顯示。為了增加頻譜分析儀的靈敏度，在頻譜分析儀的輸入中，可能會連接具有較低噪聲圖的前置放大器。
射頻用途
光譜分析儀通過比較輸入和輸出光譜，廣泛用於測量各種射頻（RF）電路的頻率響應，噪聲和失真特性。例如，在RF混合器中，Spectrum Analyzer用於查找三階調製產品和轉化損耗的水平。在RF振盪器中，光譜分析儀用於找到不同諧波的水平。
在電信中，光譜分析儀用於確定佔據的帶寬和軌道干擾源。例如，細胞計劃者使用此設備來確定GSM頻帶和UMTS頻段中的干擾源。
在EMC測試中，頻譜分析儀用於基本的固定預測。但是，它不能用於完整的測試和認證。相反，使用EMI接收器。
頻譜分析儀用於確定無線發射器是否根據排放純度的定義標準工作。除預期通信頻率以外的其他頻率的輸出信號顯示為顯示屏上的垂直線（PIP）。光譜分析儀還用於通過直接觀察數字或模擬信號的帶寬來確定。
Spectrum Analyzer接口是一種連接到無線接收器或個人計算機的設備，可在定義的頻率頻段上進行視覺檢測和分析電磁信號。這稱為全景接收，它用於確定無線網絡設備（例如Wi-Fi和無線路由器）干擾源的頻率。
光譜分析儀也可以用於評估RF屏蔽。 RF屏蔽對於磁共振成像機的位置特別重要，因為流浪RF場將導致MR圖像中的偽影。
音頻用途
頻譜分析可在音頻頻率上使用來分析音頻信號的諧波。一個典型的應用是測量名義上正弦信號的失真；將非常低的正弦波用作測試設備的輸入，並且Spectrum Analyzer可以檢查輸出，該輸出將添加失真產物，並確定基本每個諧波的每種諧波的百分比失真百分比。此類分析儀一次被描述為“波浪分析儀”。可以通過通用數字計算機使用聲卡來進行分析，以適當的性能和適當的軟件進行。可以從輸出中減去輸入，衰減和相校正，而不是使用低距離正弦波，而是給出添加的失真和噪聲，可以分析。
一種替代技術，總的諧波失真測量，用凹口濾波器取消基本，並測量總剩餘信號，即總諧波失真加噪聲；它沒有提供分析儀的諧音細節。
音頻工程師還使用頻譜分析儀來評估其工作。在這些應用中，頻譜分析儀將顯示典型的人類聽力範圍內的頻帶的體積水平，而不是顯示波浪。在實時聲音應用程序中，工程師可以使用它們來查明反饋。
光譜分析儀
光譜分析儀使用反射或折射技術將光的波長分開。電流檢測器用於測量光的強度，然後通常以與射電或音頻頻譜分析儀相似的方式在屏幕上顯示。
光譜分析儀的輸入可以簡單地通過儀器情況下的光圈，光纖或光纖電纜連接到的光纖連接器。
存在分離波長的不同技術。一種方法是使用單色儀，例如切爾尼 - 扭轉器設計，並放置在輸出縫隙處的光學檢測器。隨著單色器移動中的光柵，檢測器“看到”不同頻率（顏色）的頻帶，然後可以將所得信號繪製在顯示屏上。可以通過掃描Fabry -Pérot干涉儀以及模擬或數字控制電子設備進行更精確的測量（在光譜中的MHz）進行，從而掃除光學諧振的諧振頻率，並使用電壓坡道到壓電電動機，從而變化。兩個高度反射鏡之間的距離。嵌入在空腔中的敏感光電二極管提供了一個強度信號，該強度信號在斜坡電壓上繪製，以產生光功率譜的視覺表示。
光譜分析儀的頻率響應往往相對有限，例如800–1600 nm （近紅外），具體取決於預期目的，儘管（某種程度上）可以使用較寬的帶寬通用儀器。
振動頻譜分析儀
振動頻譜分析儀允許在各種組件頻率下分析振動幅度，以這種方式，可以識別和跟踪以特定頻率發生的振動。由於特定的機械問題會在特定頻率下產生振動，因此可以檢測或診斷機械故障。振動光譜分析儀使用來自不同類型的傳感器的信號，例如：加速度計，速度傳感器和接近傳感器。振動頻譜分析儀在機器狀況監測中的使用允許檢測和識別機器故障，例如：轉子不平衡，軸錯位，機械放鬆，軸承缺陷等。振動分析也可以用於結構以識別結構共振或進行模態分析。