針對時域方面的信號量測，示波器是一項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、週期、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)，而利於後續(xù)量測顯示資訊輸出與繪圖的研究比較之用。只是示波器缺點在於只侷限於低頻信號，對於高頻信號的分析便成為一大挑戰(zhàn)。

頻譜分析儀的優(yōu)勢，正是在於彌補示波器針對高頻信號分析的不足，並可同時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，並顯示信號在頻域裡的特性。

《圖一　時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）主要用於顯示頻域輸入信號的頻譜特性。並依據(jù)信號處理方式的差異分為兩種類型，分別是即時頻譜分析儀（Real-Time Spectrum Analyzer)，以及掃描調(diào)諧頻譜分析儀（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）等兩種。

即時頻譜分析儀可在同一時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），並經(jīng)由同步多工掃瞄器將信號輸出至螢?zāi)唬瑑?yōu)點在於能夠顯示週期性雜散波（Periodic Random Waves）的瞬時反應(yīng)，但缺點是價格昂貴，且頻寬範(fàn)圍、濾波器的數(shù)目與最大多工交換時間（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)變的本地振盪器經(jīng)由與CRT螢?zāi)煌降膾呙楫a(chǎn)生器產(chǎn)生隨時間作線性變化的振盪頻率，再將混波器與輸入信號混波降頻後的中頻信號（IF）放大後、濾波與檢波傳送至CRT螢?zāi)唬虼薈RT螢?zāi)坏目v軸將顯示信號振幅與頻率的相對關(guān)係。

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，因此兩個不同頻率信號的頻寬如果低於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將有助於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)致信號顯示時產(chǎn)生失真。較高的RBW當(dāng)然有助於寬頻信號的量測，然而卻可能增加雜訊底層值（Noise Floor）、降低量測靈敏度，並對於偵測低強度的信號容易產(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)變頻器變頻後，由低通濾波器輸出，濾波器所輸出的數(shù)值就是垂直分量，至於頻率則是水平分量，如此在螢?zāi)簧纤尸F(xiàn)的座標(biāo)圖就是輸入信號頻譜圖。由於變頻器可以達(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)頻譜分析儀的缺點在於，它只能測量頻率的幅度，但缺少相位資訊，因此在性質(zhì)上是屬於標(biāo)量儀器而不是向量儀器。

新一代頻譜分析儀則是基於快速傅立葉轉(zhuǎn)換（FFT）的量測儀器。透過傅立葉運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。新型的頻譜分析儀採用數(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)傅立葉運算處理後而得到頻譜分佈圖。

在今天的量測中，不管是什麼信號，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。但由於信號的變化非常複雜，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，示波器橫軸表示時間，縱軸為電壓幅度，曲線是表示隨時間變化的電壓波形，這是時域的測量方法。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上功率幅度的分佈，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)把複雜信號再現(xiàn)與複製出來，這對於訊號分析來說是非常重要的。

當(dāng)一個數(shù)位訊號中包含許多影像和聲音的信號，它的頻譜分佈將會相當(dāng)複雜。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)行時域的採集，然後對其進(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，有較高的採樣速率與較高的解析度。即使是兩個信號間隔非常近，用傅立葉轉(zhuǎn)換也可將它們分辨出來。但由於是用數(shù)位採樣分析，所能分析信號的最高頻率受其採樣速率的影響，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，這樣的測量範(fàn)圍是屬於是向量分析。此種分析方法一般用於低頻信號的分析，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。

頻譜分析儀應(yīng)用領(lǐng)域

頻譜分析儀主要功能在於量測信號的大小或振幅，其應(yīng)用範(fàn)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)用範(fàn)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於保證信號的品質(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。量測頻率的範(fàn)圍可事先一次設(shè)定，並一次獲得其對應(yīng)的關(guān)係曲線，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量測的繁複操作程序。

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，例如週期性的鋸齒波（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間的關(guān)係，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，並經(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。由於科技的發(fā)展，為了減少挖馬路埋設(shè)纜線的施工困難度並降低成本，已有廠商提議開放微波傳送或透過衛(wèi)星以對點（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並存應(yīng)用於市場上，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，並保持系統(tǒng)的正常運作，傳輸100個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)形時基示波器，可用於核對兩信號間的時間延遲。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度振幅外，只要搭配橋接器（Bridger）也能量測反射損失（Return loss）。由於行動電話的普及，基地臺在城市中數(shù)量相當(dāng)多，由於電磁輻射傷害的疑慮一直困擾著使用者，因此，電磁波強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度或任意空間電磁強度進(jìn)行量測。

頻譜分析儀之使用

對於測量的可測與不可測與否，完全取決於頻譜分析儀的設(shè)定。這包括了對衰減器、頻率範(fàn)圍與解析度頻寬的設(shè)置。頻譜分析儀的設(shè)定包括頻率範(fàn)圍、解析度和動態(tài)範(fàn)圍，動態(tài)範(fàn)圍又涉及最大輸入功率即燒毀功率，增益壓縮使小於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)頻率範(fàn)圍要從兩個方面觀察，一是頻率範(fàn)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。二是頻率範(fàn)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放大器諧波失真的時候，若放大器為1GHz，則它的三次諧波就是3GHz，這就是要考慮頻率範(fàn)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)要測量兩個頻率的功率不一樣時，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。

結(jié)語

本文簡單介紹了頻譜分析儀的應(yīng)用與運作，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)到趨於完美的量測結(jié)果。