中心議題：

• 頻譜分析儀種類
• 頻譜分析儀應(yīng)用領(lǐng)域

頻譜分析儀（Spectrum Analyzer）主要用于顯示頻域輸入信號的頻譜特性，因此對于信號分析而言是不可缺少的量測儀器。頻譜分析儀是透過頻域?qū)π盘栠M(jìn)行分析、研究，并同時(shí) 應(yīng)用于更多不同領(lǐng)域，例如無線訊號收發(fā)器、信號干擾的檢測、頻譜監(jiān)測、以及元件特性分析等，是從事電子產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的常用工具，特別針對無線通訊 信號的測量更是必要工具，其應(yīng)用十分廣泛，因此也有工程師將之稱為射頻量測的萬用電表。其主要功能包括：頻率設(shè)置、基準(zhǔn)電平設(shè)置、跟蹤發(fā)生器設(shè)置、跟蹤控 制設(shè)置、利用標(biāo)記功能測量回波損耗，以及頻寬、掃描時(shí)間及觸發(fā)控制設(shè)置等功能。

針對時(shí)域方面的信號量測，示波器是一項(xiàng)非常重要且很有效率的量測儀器，它能直 接顯示信號波幅、頻率、周期、波形與相位等之響應(yīng)變化。一般來說，示波器都必須具備雙軌跡輸出顯示裝置，同時(shí)內(nèi)建有IEEE-488、IEEE-1394 或RS-232等介面功能以便與繪圖儀器連結(jié)，而利于后續(xù)量測顯示資訊輸出與繪圖的研究比較之用。只是示波器缺點(diǎn)在于只侷限于低頻信號，對于高頻信號的分 析便成為一大挑戰(zhàn)。

頻譜分析儀的優(yōu)勢，正是在于彌補(bǔ)示波器針對高頻信號分析的不足，并可同時(shí)將多 頻信號以頻域的方式來呈現(xiàn)，以方便辨識各不同頻率的功率裝置，并顯示信號在頻域里的特性。
                    
                                                     圖一　時(shí)域量測與頻域量測之不同

頻譜分析儀種類

頻譜分析儀（Spectrum Analyzer）主要用于顯示頻域輸入信號的頻譜特性。并依據(jù)信號處理方式的差異分為兩種類型，分別是即時(shí)頻譜 分析儀（Real-Time Spectrum Analyzer)，以及掃描調(diào)諧頻譜分析儀（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）等兩種。

即時(shí)頻譜分析儀可在同 一時(shí)間顯示頻域的信號振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號設(shè)置相對應(yīng)的濾波器與檢知器（Detector），并經(jīng)由同步多工掃瞄器將信號輸出至螢?zāi)唬瑑?yōu) 點(diǎn)在于能夠顯示周期性雜散波（Periodic Random Waves）的瞬時(shí)反應(yīng)，但缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，且頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與最大多工交換時(shí)間（Switching Time）都將對其性能表現(xiàn)造成限制。

掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀是最常用的頻譜分析儀類型，它的基本結(jié)構(gòu)與超外差式接收 器類似，主要工作原理是輸入信號透過衰減器直接加入混波器中，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)由與CRT螢?zāi)煌降膾呙楫a(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線性變化的振蕩頻率，再將 混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號（IF）放大后、濾波與檢波傳送至CRT螢?zāi)?，因此CRT螢?zāi)坏目v軸將顯示信號振幅與頻率的相對關(guān)系。

如上所言，影響信號反應(yīng)的主要關(guān)鍵為濾波器頻寬。高斯濾波器 （Gaussian-Shaped Filter）影響的功能就是量測所常見到的解析頻寬(Resolution Bandwidth；RBW)。RBW所代表的意義為兩個(gè)不同頻率信號所能夠被清楚分辨出來的最低頻寬差異，因此兩個(gè)不同頻率信號的頻寬如果低于頻譜分析 儀的解析頻寬，如此兩信號將會重疊而無法分辨。如此看似更低的RBW將有助于不同頻率信號的分辨與量測工作，然而過低的RBW有可能將較高頻率的信號給濾 除掉，因而導(dǎo)致信號顯示時(shí)產(chǎn)生失真。較高的RBW當(dāng)然有助于寬頻信號的量測，然而卻可能增加雜訊底層值（Noise Floor）、降低量測靈敏度，并對于偵測低強(qiáng)度的信號容易產(chǎn)生阻礙。失真值與設(shè)定的RBW密切相關(guān)，因此設(shè)定適當(dāng)?shù)腞BW寬度才是正確使用頻譜分析儀的 重要概念。

此外傳統(tǒng)頻譜分析儀的前端電路是在一定頻寬內(nèi)可調(diào)諧的接收器。當(dāng)輸入信號經(jīng) 變頻器變頻后，由低通濾波器輸出，濾波器所輸出的數(shù)值就是垂直分量，至于頻率則是水平分量，如此在螢?zāi)簧纤尸F(xiàn)的座標(biāo)圖就是輸入信號頻譜圖。由于變頻器可 以達(dá)到很寬的頻率（如從30Hz～30GHz），與外部混頻器配合，更可提高到100GHz以上，因此頻譜分析儀是頻率覆蓋率最寬的測量儀器之一，不管是 測量連續(xù)信號或調(diào)變信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。只是傳統(tǒng)頻譜分析儀的缺點(diǎn)在于，它只能測量頻率的幅度，但缺少相位資訊，因此在性質(zhì)上是屬于標(biāo) 量儀器而不是向量儀器。

新一代頻譜分析儀則是基于快速傅立葉轉(zhuǎn)換（FFT）的量測儀器。透過傅立葉 運(yùn)算將被測信號分解成分立的頻率分量，進(jìn)而達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。新型的頻譜分析儀采用數(shù)位方式，直接由類比/數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）對輸入信號 取樣，再經(jīng)傅立葉運(yùn)算處理后而得到頻譜分布圖。

在今天的量測中，不管是什么信號，都可以用許多方法進(jìn)行測量。通常所用的最 基本儀器都是示波器，觀察信號的波形、頻率與振幅等。但由于信號的變化非常復(fù)雜，許多資訊是用示波器檢測不出來的，例如如果要分析一個(gè)非正弦波信號，從理 論上來說，它是由不同頻率與電壓的向量所疊加而成。就分析的角度來觀察，示波器橫軸表示時(shí)間，縱軸為電壓幅度，曲線是表示隨時(shí)間變化的電壓波形，這是時(shí)域 的測量方法。如果要觀察其頻率的組成，必須用頻域法，其橫坐標(biāo)為頻率，縱軸為功率幅度。如此便可以看到在不同頻率點(diǎn)上功率幅度的分布，就可以了解這些信號 的頻譜。有了這些單一信號的頻譜，接著還能繼續(xù)把復(fù)雜信號再現(xiàn)與復(fù)制出來，這對于訊號分析來說是非常重要的。

當(dāng)一個(gè)數(shù)位訊號中包含許多影像和聲音的信號，它的頻譜分布將會相當(dāng)復(fù)雜。在 衛(wèi)星監(jiān)測上，這些信號都必須從頻譜分析的角度來獲得所需要的參數(shù)。目前有兩種方法可對信號頻率進(jìn)行分析。第一是對信號進(jìn)行時(shí)域的采集，然后對其進(jìn)行傅立葉 轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成頻域信號，這種方法稱之為動態(tài)信號分析。特色是比較快，有較高的采樣速率與較高的解析度。即使是兩個(gè)信號間隔非常近，用傅立葉轉(zhuǎn)換也可將 它們分辨出來。但由于是用數(shù)位采樣分析，所能分析信號的最高頻率受其采樣速率的影響，限制了對高頻信號的分析。因此目前最高的分析頻率只是在10MHz左 右，這樣的測量范圍是屬于是向量分析。此種分析方法一般用于低頻信號的分析，如聲音與振動等。另一種方法原理則是依靠硬體電路實(shí)現(xiàn)，而不是透過數(shù)學(xué)方程式 轉(zhuǎn)換。它可以直接接收信號，此種分析儀器稱為超外差接收直接掃描調(diào)諧分析儀，也就是前述所提及的掃描調(diào)諧頻譜分析儀。[page]

頻譜分析儀應(yīng)用領(lǐng)域

頻譜分析儀主要功能在于量測信號的大小或振幅，其應(yīng)用范圍十分廣泛，包括系 統(tǒng)維護(hù)、信號量測、組件的頻率增益與物料品管等，都在頻譜分析儀的應(yīng)用范圍之中。

放大器增益、頻率響應(yīng)與被動元件特性之量測

有線電視及通信系統(tǒng)使用大量的放大器與分接器（Tap）、接頭、同軸電纜等 被動元件，元件品質(zhì)的好壞都會影響信號的特性，因此事前的篩選有助于保證信號的品質(zhì)。例如透過頻譜分析儀的追蹤產(chǎn)生器來評估待測物件（DUT）的頻率反應(yīng) 特性，量測的結(jié)果可由繪圖儀器（Plotter）輸出而獲得資料。量測頻率的范圍可事先一次設(shè)定，并一次獲得其對應(yīng)的關(guān)系曲線，如此將大幅減少過去透過示 波器及函數(shù)產(chǎn)生器必須依不同頻率逐點(diǎn)量測的繁復(fù)操作程序。

利用頻譜分析儀本身的追蹤產(chǎn)生器（Tracking Generator）功能，產(chǎn)生掃瞄信號經(jīng)由DUT傳送到頻譜分析儀的射頻接收器，由DUT的頻率響應(yīng)和短接線的量測響應(yīng)，相互比較之，亦可得出DUT的 介入損失（Insertion Loss），同樣方式將可得到其它相關(guān)元件的頻率響應(yīng)量測值。

失真度量測

由傅立葉方程式可得知，除了不失真的諧振波（正弦波）之外，任何波形除了基 本波，都還包括高諧波的分量，例如周期性的鋸齒波（Periodic Sawtooth Wave）等，依傅立葉方程式展開，其對應(yīng)的數(shù)學(xué)式顯示出無限個(gè)諧波，而諧波成份在頻譜分析儀中可清楚顯示。

示波器無法測知信號的失真度，僅能顯示信號波形與時(shí)間的關(guān)系，但頻譜分析儀 由對應(yīng)的諧波頻譜，可準(zhǔn)確地評估信號的諧波信號與振幅，進(jìn)而評估失真度的大小。

通訊監(jiān)測

無線通訊因頻譜使用的規(guī)定，必須使用高頻，并經(jīng)由天線收發(fā)信號，透過頻譜分 析儀搭配天線很容易偵測目前通訊信號的強(qiáng)度與載波的頻率，例如使用方向性天線，二組量測設(shè)備便能找出信號源，這也是相關(guān)單位取締非法電波（如非法地下電 臺）的主要偵測技術(shù)。

依據(jù)需要可將頻譜分析儀之掃描頻寬適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，例如縮小或放大，進(jìn)行細(xì)微的 調(diào)整以評估受測地區(qū)的干擾信號狀況，這種方法可做為設(shè)計(jì)某地區(qū)通訊電臺或各類行動通訊系統(tǒng)基地臺的參考。由方向性天線的調(diào)整量所測得的最高信號振幅，便可 依天線的方向性判定信號源方向，若配合鄰近的另一組監(jiān)測裝置，由兩組天線方向的交叉點(diǎn)就可得出信號源的位置，立即可偵測得知發(fā)射源的位置，以這種方法，透 過更多組的量測將可準(zhǔn)確得到發(fā)射源。

有線電視影像資訊的量測

有線電視（CATV）是透過同軸電纜或光纜電纜等纜線傳送視訊到用戶家中。 由于科技的發(fā)展，為了減少挖馬路埋設(shè)纜線的施工困難度并降低成本，已有廠商提議開放微波傳送或透過衛(wèi)星以對點(diǎn)（Spot）的方式將訊號傳送到用戶家中，目 前北美已有服務(wù)供應(yīng)商針對北加州用戶發(fā)射具有150個(gè)視訊頻道的衛(wèi)星訊號。因此纜線、微波與衛(wèi)星傳送視訊的方式已并存應(yīng)用于市場上，提供收視戶更多元化的 選擇。

CATV系統(tǒng) 的主要功能是傳送影像節(jié)目與數(shù)據(jù)資料，并保持系統(tǒng)的正常運(yùn)作，傳輸100個(gè)左右或更多頻道視訊，以及用戶終端資料檢索控制信號的適時(shí)反應(yīng)等雙向互動式服務(wù) 等功能。在CATV系統(tǒng)中包括種類繁多的視訊信號，例如電壓與電流振幅、增益、頻率及功率等，其中增益、功率大多以對數(shù)值表示之。而射頻信號的振幅、頻率 可由一般儀器（如示波器）量測得之，信號相位（Phase）則由向量示波器（Vector Scope）量測，所謂向量示波器是具有極穩(wěn)定之環(huán)形時(shí)基示波器，可用于核對兩信號間的時(shí)間延遲。而頻譜分析儀正是CATV信號量測不可或缺的電子設(shè)備。

天線特性的量測

頻譜分析儀除了量測空氣中的信號強(qiáng)度振幅外，只要搭配橋接器 （Bridger）也能量測反射損失（Return loss）。由于行動電話的普及，基地臺在城市中數(shù)量相當(dāng)多，由于電磁輻射傷害的疑慮一直困擾著使用者，因此，電磁波強(qiáng)度量測已逐漸被大家重視。頻譜分析 儀也可針對天線輻射強(qiáng)度或任意空間電磁強(qiáng)度進(jìn)行量測。

頻譜分析儀之使用

對于測量的可測與不可測與否，完全取決于頻譜分析儀的設(shè)定。這包括了對衰減器、頻率范圍與解析度頻寬的設(shè)置。頻譜分析儀的設(shè)定包括頻率范圍、解析度和動態(tài)范圍，動態(tài)范圍又涉及最大輸入功率即燒毀功率，增益壓縮使小于1W的輸入信 號一旦超過線性工作區(qū)域便會出現(xiàn)誤差。此外靈敏度也是考慮頻譜分析儀對輸入信號可測與否的關(guān)鍵。

參數(shù)頻率范圍要從兩個(gè)方面觀察，一是頻率范圍的設(shè)定是否夠窄，以具有足夠的 頻率分辨能力，也就是夠窄的掃頻寬度。二是頻率范圍是否有足夠的寬度，是否可以測到第二次、第三次諧波。當(dāng)用頻譜分析儀測量一個(gè)放大器諧波失真的時(shí)候，若 放大器為1GHz，則它的三次諧波就是3GHz，這就是要考慮頻率范圍的最大可測寬度。如果頻譜儀是1.8GHz，就不能進(jìn)行量測，如果頻譜分析儀是 26.5GHz，就可以測到它的第三，第四次諧波。

解析度也是頻譜分析儀中非常重要的參數(shù)設(shè)定。解析度表示當(dāng)要測量兩個(gè)頻率的功率不一樣時(shí)，必須將它們區(qū)分開來。將中頻頻寬設(shè)置成三種不同的寬度，下面所對應(yīng)的就是在這一頻寬設(shè)置時(shí)所看到的曲線。中頻頻寬越窄則解析度越高，中頻頻寬越寬則解析度越低。解析度頻寬直接影響到微小信號的識別能力和測量的結(jié)果。

本文簡單介紹了頻譜分析儀的應(yīng)用與運(yùn)作，在許多應(yīng)用領(lǐng)域，頻譜分析儀都是工程師的好幫手。而頻譜分析儀的最佳狀態(tài)是由許多因素與參數(shù)所決定，因此需要全盤考量，而非追求單一指標(biāo)的完美，對各種基本因素與測量類型進(jìn)行分析，才能達(dá)到趨于完美的量測結(jié)果。