频谱分析仪是一种用于测量和分析电信号在频域上能量分布的关键电子测量仪器。它的核心作用是将时域信号（电压随时间变化）转换成频域表示（幅度随频率变化的图谱），从而揭示信号的频率成分和特性。

它的主要作用包括：

1. 测量信号频率成分：识别信号中包含哪些频率分量（基波、谐波、杂散信号等）。
2. 测量信号幅度：测量特定频率分量的幅度（通常以 dBm 表示）。
3. 测量谐波和失真：评估信号的非线性失真程度（如总谐波失真 THD）。
4. 测量噪声和噪声功率：分析背景噪声、信噪比、相位噪声等。
5. 测量调制特性：分析调制信号（如 AM, FM）的带宽、边带、调制深度/偏差。
6. 信号识别与诊断：检测和识别干扰信号、邻道干扰、杂散发射、电路自激振荡等。
7. 频率响应测试：测量放大器、滤波器、混频器等电路或器件的频率响应特性。
8. 验证设计规格：确保设计的射频、微波或数字通信系统符合频谱标准和法规要求。

基本原理（以最主流的超外差式频谱分析仪为例）

频谱分析仪（特别是传统的扫频调谐式或超外差式）的工作原理基于混频（乘法） 和窄带滤波：

1. 输入调理：

   • 被测信号首先进入输入衰减器。其作用是保护后续电路（特别是混频器）免受过载损坏，确保信号幅度在可测范围内。
   • 然后通过低通输入滤波器（或称为预选器）。其作用是滤除输入信号中高于仪器第一中频的、可能导致镜像响应等干扰的非常高的频率分量（在现代高性能频谱仪中，预选器通常是可调谐的跟踪滤波器或 YIG 滤波器）。

2. 混频（变频）：

   • 核心步骤。经过调理的输入信号与本地振荡器产生的一个纯净的本振信号在混频器中相乘。根据三角恒等式，乘法会产生和频项（fₛ + fₗₒ）和差频项（fₛ - fₗₒ 或 fₗₒ - fₛ）。
   • 本振信号由扫描发生器控制，其频率会随时间线性地、或按用户设定的频率范围连续变化。

3. 中频滤波（关键选择性）：

   • 混频器输出的众多频率成分进入一个或多个中频放大器和中频滤波器（通常是一个分辨率带宽滤波器）。
   • 该滤波器只允许一个固定频率（称为中频）附近一个很窄频带内的信号通过（例如：21.4 MHz, 3 GHz 等）。这个滤波器的带宽（Resolution Bandwidth - RBW）决定了频谱仪区分两个紧密相邻信号频率的能力和测量噪声功率的能力。
   • 核心概念：当扫描的本振频率 fₗₒ 变化时，如果输入信号中某个频率 fₛ 满足 |fₗₒ - fₛ| ≈ 中频频率，那么该信号分量就会被混频器有效地“转换”到中频上（成为差频分量），然后被固定的中频滤波器选中和放大。扫描的过程，实质上是让本振频率 fₗₒ 扫过输入信号可能存在的频率范围，从而将不同频率的输入信号成分依次“搬移”到这个固定的中频通道上。

4. 检波（包络检波）：

   • 通过中频滤波器的信号幅度（代表输入信号的幅度）需要被测量出来。
   • 检波器（通常是一个二极管或对数放大器）对中频信号进行包络检波，将其幅度信息（通常是交流信号的峰值或有效值）转换为直流电压。

5. 视频滤波与处理：

   • 检波后的直流信号进入视频滤波器（Video Bandwidth - VBW）。VBW 是一个低通滤波器，用于平滑检波器输出的波动（主要是由随机噪声或密集频谱引起的），使显示更清晰。VBW 的宽度影响轨迹的平滑度和响应时间。
   • 现代频谱仪还会对信号进行数字化采样和处理，应用各种检波方式（如：Peak, Sample, Normal, Negative Peak, Average）以适应不同类型的信号（如 CW 信号、脉冲信号或噪声）测量需求。

6. 显示：

   • 最终，经过检波和滤波的视频信号被送到显示系统（通常是显示屏）。
   • X 轴（水平轴）代表频率：其变化同步于扫描发生器控制的本振频率变化，扫描宽度由用户设置。
   • Y 轴（垂直轴）代表幅度（通常用对数刻度 dBm）：对应的是经过校准的输入信号在相应频率点上的幅度。
   • 这样，随着本振频率的连续扫描，屏幕上就描绘出了一幅输入信号幅度随频率变化的图形——频谱图。

总结关键过程

频谱分析仪的核心原理是利用可调谐的本地振荡器（LO）进行扫描，通过与输入信号混频，将不同频率的输入信号分量逐个“变频”（下转换）到一个固定不变的中频频率上。对这个固定中频信号施加一个带宽非常窄的滤波器（RBW）后，再检测其幅度，并最终把这个幅度值显示在与当前本振频率（对应输入频率）相对应的屏幕上的一点。整个扫描过程完成后，便形成了频谱图。

现代频谱仪还会大量运用数字信号处理（DSP），如使用 FFT（快速傅里叶变换）技术作为补充（特别是在近实时频谱分析仪或矢量信号分析仪中），但超外差混频结构仍然是高性能、宽频率范围频谱分析的基础架构。