由测量选择确定的频谱分析仪

快速傅立叶变换(FFT)基于将时域波形转换为频域。Joseph Fourier发展了傅立叶变换，将连续时域信号转换为连续频域信息。频域信息包括幅度和相位值。但是，FFT分析仪在时域的某个时间间隔上对离散点进行采样，然后以数字方式记录这些点。由于时域波形以离散值存储，因此波形不是连续的，且无法使用标准傅立叶变换转换为频域。另一种傅立叶变换，即离散傅立叶变换(DFT)，用于将离散时域波形转换为离散频域频谱。

由于DFT使用离散值将时域波形转换为频域，因此频域被划分为离散频率分量或“区间”。给定范围内频率区间的数量（称为频率分辨率）取决于采集的离散时域采样的数量。因此，为了提高频率分辨率，必须增加采样数。这里的一个限制因素是执行时间。为提高分辨率而采集的采样越多，计算DFT所需的时间就越长。FFT只是计算DFT的更快方法。它要求时域波形包含的采样数等于2的幂。

FFT分析仪由多个组件组成，每个组件都是频率分析所必需的。首先，信号必须经过衰减器或增益级，以调整信号的幅值以匹配输入范围，从而最大化信号的分辨率。信号通过一个抗混叠滤波器，我们将在后面详细讨论。然后，采样器以给定频率采集模拟波形的离散点。然后是模数转换器(ADC)，将采样转换为数字数据。使用FFT算法将数据转换为频域。分析仪可使用专用DSP电路执行FFT，或将数据传输到使用软件计算FFT的计算机。

采样率是FFT分析仪非常重要的参数。为了使模拟波形正确表示为离散值，必须以足够高的采样率对其进行采样。否则，分析仪将把输入解析为频率低于实际值的信号。根据采样定理，信号的采样率必须是最高频率分量（奈奎斯特频率）的两倍。任何频率高于奈奎斯特频率的分量都将在测量中显示为低频分量。这种现象称为混叠。为避免混叠，在采样器之前的输入端放置一个模拟低通滤波器。低通滤波器决定了FFT分析仪的最高频率。由于无误差表示信号的速率是最大采样率的一半，信号通常在较低频率被切断，以提供大于最大频率分量两倍的采样率。低通滤波器的截止频率通常比分析仪的最大采样率低2.5倍。这决定了最大频率分量。

FFT算法通过时间记录计算。每个记录包含有限个离散点。FFT将这些时域点转换为有限个频域点。频域表示法与0 Hz频率点对称。仅保留变换的上半部分，即0 Hz及以上。因此，只能分析一定数量的频率。频率分辨率或区间间的间隔必须能正确表示采集到的频率。为了提高频率分辨率，必须增加采样数。这是因为频率分辨率与时间记录的长度成反比。

变换后的频域数据的初始频率值为0 Hz，可扩展至采样频率的1/2，即FFT的最大范围。如采样数随频率范围的增加而保持相等，则频率区间间的间隔将增大。因此，频率分辨率会降低。另一种方法是增加采集的采样数。但是，增加采样数会增加计算负担。为了在不引起混叠的情况下降低采样率，可在ADC和FFT之间插入数字滤波器，以移除高于当前采样率两倍的频率分量。

由于上述条件，以高分辨率测量高频变得相当困难。但是，通过在ADC和数字滤波器之间插入数字混频器，离散正弦波可与输入信号相乘，从而有效降低信号频率。通过降低信号频率，FFT可在偏移量为0 Hz的范围内执行。该范围称为频带可选分析或缩放FFT分析。

FFT分析仪是否为实时取决于FFT的计算时间。如计算FFT的时间快于采样率，可对每个点执行FFT。但是，这将需要超出大多数仪器的计算能力。快捷方式是采集一定数量的采样并将其传输至中间缓冲区。FFT从缓冲区获取数据以进行操作。如在缓冲区中放置下一个时间记录之前计算FFT，则分析仪将实时运行。

由于时间记录中的采样数与频率范围成反比，计算较大频率范围的FFT所需的时间更少。频率跨度时间记录等于计算FFT所需时间的点称为实时带宽。为了提高分析仪执行FFT的速度，仪器上安装了专用的DSP电路。独立仪器和基于计算机的仪器使用该方法。计算机仪器使用的另一种方法是使用数字化仪采集数据，然后将数据传输至内存缓冲区。然后通过软件在主机上执行FFT。

扫频基于与FFT分析仪不同的配置。它使用所谓的超异构配置。外差指混合，超指超音频频率，或高于音频范围的频率。与FFT分析仪类似，扫频分析仪使用衰减器和增益级调整信号以适应分析仪的输入范围。压控振荡器(VCO)扫描与输入信号混合的频率范围。输入信号和VCO信号通过混频器传输。混频器是一种非线性设备，用于产生原始信号和来自VCO的信号以及原始信号及其谐波的和与差。中频(IF)滤波器提取原始信号的和或差。检测器生成的电压电平与输入信号接收的功率有关。当VCO扫描不同的频率时，检测器产生相应的电压电平或功率测量。

扫描分析仪的一个重要参数是分辨率带宽。它由小于最小插入损耗点的IF滤波器部分确定。IF滤波器部分通常由多个滤波器组成，它们共同决定了分辨率带宽。分辨率带宽受仪器扫描频率范围的速度的影响。IF滤波器需要一定的时间来响应输入端的信号，因此分析仪不能过快地扫描频率范围。过快扫描频率范围可能导致两个错误。首先，幅值比扫描速度慢。其次，信号频率上移。

由于扫描频率范围的任何时间都会由于滤波器响应时间而导致信号误差，因此仪器的扫描速度应无限慢。但是，这样做并不实际，因此必须确定可接受的误差，以从中计算扫描率。根据分辨率带宽(RBW)，使用下列公式计算最大扫描速率。

k是取决于滤波器分辨率带宽的常量。扫描率与分辨率带宽的平方成正比。

相对于FFT分析仪，扫描分析仪的主要优势之一是其频率范围。由于FFT分析仪需要采集数字时域波形，FFT分析仪的频率范围取决于ADC的采样率。分析仪的采样率决定了FFT可分析的最高频率。当前的ADC技术已将采样率引入MHz范围。另一方面，扫描频谱分析仪可测量高GHz范围内的频率。

FFT分析仪相对于扫频分析仪的一个关键优点是其速度。由于扫描速率与分辨率带宽的平方成比例，因此对于较小的分辨率带宽，扫描速率会降低。这会增加总测量时间。FFT分析仪的时间仅取决于采集数据和计算FFT所需的时间。

为了分析频率随时间变化的信号，采集足够快的数据以查看频率变化非常重要。瞬态分析就是此类信号的一个例子。扫描频谱分析仪只能检测连续波(CW)信号。扫描频谱分析仪完成一次扫频所需的时间较长，不适合测量频率较低的快速变化信号。FFT分析仪的频谱采集速度远快于扫频分析仪，尤其是在分析仪有专用DSP执行FFT时。如果FFT分析仪是实时系统，则可以测量信号l而不会随时间丢失任何频率数据。因此，FFT分析仪是采集随频率变化信号的最佳选择。

如需相位信息，必须使用FFT分析仪。FFT分析仪基于傅立叶算法，包括实数和虚数。通过这些数字可计算每个频率的幅度和相位。扫频分析仪只能采集用户的幅度信息。

选择高频频谱分析仪器时，应考虑各仪器的属性对测量的影响。进行高频测量需要具有合适信号频率范围的仪器。FFT分析仪的频率范围低于扫频分析仪，是高频范围的最佳选择。如果测量时间的长度至关重要（例如，瞬态分析），则FFT分析仪因其速度快而成为更好的选择。由于扫频分析仪不提供相位信息，如需该信息，必须选择FFT分析仪。