頻譜分析儀應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

無(wú)線通訊量測(cè)之專用儀器包括頻譜分析儀、計(jì)頻器與功率計(jì)等。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)線通訊射頻頻率涵蓋範(fàn)圍可從500KHz到300GHz。在如此寬的頻譜中，依據(jù)所應(yīng)用之無(wú)線通訊技術(shù)不同而佔(zhàn)用不同頻率範(fàn)圍。針對(duì)無(wú)線通訊射頻量測(cè)，常用的頻譜分析儀基本量測(cè)項(xiàng)目包括頻率及功率兩個(gè)主要項(xiàng)目。一旦頻率量測(cè)值的準(zhǔn)確度不足，便會(huì)與其它頻道的使用者互相干擾，而功率的量測(cè)也很重要，功率不足將造成斷訊，功率若是太強(qiáng)也會(huì)造成干擾問(wèn)題的產(chǎn)生。因此，若依功能區(qū)分，便可了解頻譜分析儀相當(dāng)於計(jì)頻器與功率計(jì)兩者的整合。畢竟計(jì)頻器只能量測(cè)訊號(hào)頻率，而功率計(jì)也只能量測(cè)訊號(hào)功率，若需要兩者同時(shí)進(jìn)行量測(cè)，便需要使用頻譜分析儀。因此，頻譜分析儀對(duì)射頻研發(fā)人員來(lái)說(shuō)是不可缺少的測(cè)試工具，本文也將針對(duì)無(wú)線通訊射頻量測(cè)專用之頻譜分析儀進(jìn)行介紹。

工程師都知道，示波器是針對(duì)時(shí)域量測(cè)極為重要且有效的工具，它能直接顯示信號(hào)波幅、頻率、週期、波形與相位之響應(yīng)變化，但它僅侷限於低頻信號(hào)，對(duì)於高頻信號(hào)量測(cè)則有困難，而頻譜分析儀正可彌補(bǔ)此缺失，同時(shí)將一個(gè)含有許多頻率的信號(hào)，以頻域方式呈現(xiàn)，以方便識(shí)別各個(gè)頻率的功率裝置，並顯示信號(hào)在頻域裡的特性。針對(duì)高頻信號(hào)領(lǐng)域，頻譜分析儀為一適當(dāng)而必備的量測(cè)儀器，頻譜分析儀的主要功能是量測(cè)信號(hào)的頻率響應(yīng)，橫軸代表頻率，縱軸代表信號(hào)功率或電壓的數(shù)值，可用線性或?qū)?shù)刻度顯示量測(cè)的結(jié)果。另外它的信號(hào)追蹤產(chǎn)生器（Tracking Generator）可直接量測(cè)待測(cè)件（Device Under Test；DUT）的頻率響應(yīng)特性，缺點(diǎn)在於但它只能量測(cè)振幅而無(wú)法量測(cè)相位。

頻譜分析儀分類

頻譜分析儀被稱為工程師稱之為射頻量測(cè)的萬(wàn)用電錶，分有傳統(tǒng)頻譜分析儀與現(xiàn)代頻譜分析儀兩種。

傳統(tǒng)頻譜分析儀

傳統(tǒng)的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，輸入信號(hào)經(jīng)變頻器變頻後，由低通濾波器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，如此便可在示波器螢?zāi)簧侠L出座標(biāo)圖，這就是輸入信號(hào)的頻譜圖。由於變頻器可以達(dá)到很寬頻率（30Hz～30GHz），若與外部混頻器配合更可擴(kuò)展到100GHz以上，因此頻譜分析儀是頻率覆蓋範(fàn)圍最寬的測(cè)量?jī)x器之一。無(wú)論測(cè)量連續(xù)信號(hào)或調(diào)變信號(hào)，頻譜分析儀都是很理想的測(cè)量工具。但是,傳統(tǒng)的頻譜分析儀也有明顯的缺點(diǎn)，它只能測(cè)量頻率的幅度，卻缺少相位資訊，因此屬於標(biāo)量?jī)x器而不是向量?jī)x器。

現(xiàn)代頻譜分析儀

基於快速傅立葉變換（FFT）的現(xiàn)代頻譜分析儀，透過(guò)傅立葉運(yùn)算將被測(cè)信號(hào)分解成獨(dú)立的頻率分量，進(jìn)而達(dá)到與傳統(tǒng)頻譜分析儀相同的結(jié)果。這類新型頻譜分析儀採(cǎi)用數(shù)位方法直接由類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)輸入信號(hào)取樣，再經(jīng)FFT處理後獲得頻譜圖。

在這類頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高解析度，對(duì)信號(hào)進(jìn)行資料取得時(shí)，ADC的取樣率最少等於輸入信號(hào)最高頻率的兩倍，亦即頻率上限為100MHz的即時(shí)頻譜分析儀需要ADC有200Msps的取樣率。

應(yīng)用領(lǐng)域

頻譜分析儀的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，諸如衛(wèi)星接收系統(tǒng)、無(wú)線電通信系統(tǒng)、行動(dòng)電話系統(tǒng)基地臺(tái)輻射場(chǎng)強(qiáng)的量測(cè)、電磁干擾等高頻信號(hào)的偵測(cè)與分析，同時(shí)也是研究信號(hào)成份、信號(hào)失真度、信號(hào)衰減量、電子組件增益等特性的主要儀器。

頻譜分析儀架構(gòu)猶如時(shí)域用途的示波器，許多功能控制按鍵可作為系統(tǒng)功能之調(diào)整與控制，而系統(tǒng)的主要功能是在頻域裡顯示輸入信號(hào)的頻譜特性。頻譜分析儀依信號(hào)處理方式不同分為兩類，一是即時(shí)頻譜分析儀（Real-Time Spectrum Analyzer），另一則是掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）。即時(shí)頻率分析儀的功能是在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅，其工作原理是針對(duì)不同頻率的信號(hào)具有相對(duì)應(yīng)的濾波器與檢知器（Detector），再經(jīng)由同步多工掃瞄器將信號(hào)傳送到CRT螢?zāi)簧�。主要�?yōu)點(diǎn)在於擁有顯示週期性雜散波（Periodic Random Waves）瞬間反應(yīng)的能力，但缺點(diǎn)則是價(jià)格昂貴，且其性能受限於頻寬範(fàn)圍、濾波器數(shù)目與最大多工交換時(shí)間（Switching Time）等特性。

掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀是最常用的頻譜分析儀類型，其基本結(jié)構(gòu)與超外差式接收器雷同，工作原理則是輸入信號(hào)經(jīng)由衰減器直接外加至混波器，可調(diào)變的本地振盪器，經(jīng)CRT同步掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間不同而進(jìn)行線性變化的振盪頻率，再經(jīng)由混波器與輸入信號(hào)混波降頻後的中頻信號(hào)再放大、濾波與檢波同時(shí)傳送至CRT垂直方向板，因此在CRT縱軸可顯示信號(hào)振幅與頻率的相對(duì)應(yīng)關(guān)係。

影響信號(hào)反應(yīng)的重要部份為濾波器頻寬。濾波器之特性為高斯濾波器（Gaussian-Shaped Filter），影響的功能就是量測(cè)時(shí)常見(jiàn)到的解析頻寬（Resolution Bandwidth；RBW)。RBW代表兩種不同頻率的信號(hào)能夠清楚分辨的最低頻寬差異，當(dāng)兩個(gè)不同頻率的信號(hào)頻寬低於頻譜分析儀的RBW值時(shí)，此時(shí)兩信號(hào)將重疊而無(wú)法分辨，較低RBW有助於不同頻率信號(hào)的分辨與量測(cè)，可濾除高頻信號(hào)，但將導(dǎo)致信號(hào)顯示時(shí)產(chǎn)生失真；而較高RBW值有助於寬頻帶信號(hào)的偵測(cè)，可增加雜訊底層值（Noise Floor），並降低量測(cè)靈敏度，但對(duì)於偵測(cè)低強(qiáng)度的信號(hào)則易產(chǎn)生干擾，因此正確的RBW寬度將是頻譜分析儀使用的最重要概念。

頻譜分析儀訊息處理

在量測(cè)高頻信號(hào)時(shí)，外差式頻譜分析儀混波以後的中頻因?yàn)榉糯蟮脑颍虼四塬@得較高靈敏度，同時(shí)改變中頻濾波器的頻寬也能容易改變頻率解析度，但由於超外差式頻譜分析儀是在頻帶內(nèi)掃瞄，因此除非使掃瞄時(shí)間趨近於零，否則無(wú)法得到輸入信號(hào)的即時(shí)反應(yīng)。若欲得到與即時(shí)分析儀性能一致的超外差式頻譜分析儀，掃瞄速度便需非常快，此時(shí)若使用比中頻濾波器時(shí)間常數(shù)還小的掃瞄時(shí)間來(lái)掃瞄，將無(wú)法正確獲得信號(hào)振幅。因此若要提高頻譜分析儀之頻率解析度，同時(shí)獲得準(zhǔn)確的響應(yīng)，便需要適當(dāng)?shù)膾呙樗俣�。由此可知超外差式頻譜分析儀無(wú)法分析瞬間信號(hào)（Transient Signal）或脈衝信號(hào)（Impulse Signal）的頻譜，主要是應(yīng)用於測(cè)試週期性的信號(hào)，以及其它雜散信號(hào)（Random Signal）的頻譜。

頻譜分析儀應(yīng)用領(lǐng)域

放大器增益、頻率響應(yīng)與被動(dòng)元件特性的量測(cè)

在通信系統(tǒng)上通常使用大量放大器與分接器（Tap）、接頭及同軸電纜等被動(dòng)元件，因此元件品質(zhì)將直接影響信號(hào)特性，如此一來(lái)事前的篩選對(duì)於確保信號(hào)品質(zhì)將有很大幫助。透過(guò)頻譜分析儀的追蹤產(chǎn)生器來(lái)評(píng)估待測(cè)件（DUT）的頻率反應(yīng)特性，其量測(cè)結(jié)果可由繪圖儀（Plotter）輸出。頻率的量測(cè)範(fàn)圍可先設(shè)定，再擷取其對(duì)應(yīng)關(guān)係曲線，如此將減少過(guò)去示波器及函數(shù)產(chǎn)生器必須依不同頻率逐點(diǎn)量測(cè)的繁瑣操作程序。利用頻譜分析儀本身追蹤產(chǎn)生器（Tracking Generator）的功能，所產(chǎn)生的掃瞄信號(hào)透過(guò)DUT傳送到頻譜分析儀的RF接收端，再經(jīng)由DUT的頻率響應(yīng)和短接線的量測(cè)響應(yīng)相互比較，即可獲得該DUT的介入損失（Insertion Loss）。

失真度量測(cè)

示波器無(wú)法測(cè)知信號(hào)的失真度，僅能顯示信號(hào)波形與時(shí)間的關(guān)係，但頻譜分析儀由對(duì)應(yīng)的諧波頻譜，可準(zhǔn)確地評(píng)估信號(hào)的諧波信號(hào)與振幅，進(jìn)而評(píng)估失真度的大小。

通訊監(jiān)測(cè)

無(wú)線通訊因頻譜使用的規(guī)定，必須透過(guò)高頻經(jīng)由天線收發(fā)信號(hào)，使用頻譜分析儀配合天線相當(dāng)容易偵測(cè)目前通訊信號(hào)的強(qiáng)度與載波的頻率，在螢?zāi)簧系男盘?hào)源頻率、數(shù)量及振幅將一覽無(wú)遺。而若改用方向性天線，再使用二組量測(cè)設(shè)備，如此便能追蹤信號(hào)源，相關(guān)單位取締非法傳送電波電視透過(guò)這種方式。

正確使用頻譜分析儀

射頻功率的頻域測(cè)量是傳統(tǒng)頻譜分析儀和現(xiàn)代向量訊號(hào)分析儀的基本測(cè)試，正確的測(cè)試將可避免結(jié)果出現(xiàn)重大誤差，因此在配置頻譜分析儀時(shí)，必須選用頻率控制和幅度控制。

幅度控制

基準(zhǔn)電平（Ref Level）可設(shè)置頻譜分析儀的最大輸入範(fàn)圍。基準(zhǔn)電平控制儀器的y軸參數(shù)，類似於示波器上的V/Div（電壓標(biāo)示格）�；鶞�(zhǔn)電平應(yīng)設(shè)置為比測(cè)試中估計(jì)出現(xiàn)之最大功率電平略高。最佳基準(zhǔn)電平位於儀器失真和最小儀器背景造訊間的平衡點(diǎn)上，通常對(duì)於寬頻噪音測(cè)試，刻意設(shè)置低基準(zhǔn)電平也有益處，好處是可以改善測(cè)試靈敏度，但容易產(chǎn)生儀器失真。此外，也可透過(guò)衰減器設(shè)置控制來(lái)設(shè)定儀器輸入範(fàn)圍。通常這種控制設(shè)置為自動(dòng)進(jìn)行，如此一來(lái)軟體也可根據(jù)基準(zhǔn)電平設(shè)置來(lái)調(diào)整衰減量。檢測(cè)模式是另一類的幅度控制，適用於傳統(tǒng)掃描式頻譜分析儀，而非FFT分析儀。

頻率控制

中心頻率是控制測(cè)量的中心頻率，測(cè)試頻寬定義了儀器捕捉到的總頻譜量，並以中心頻率為主。中心頻率與測(cè)試頻寬共同定義了儀器面板上的頻率範(fàn)圍。

解析度頻寬（RBW）則控制頻率軸的頻率解析度。傳統(tǒng)頻譜分析儀透過(guò)一個(gè)窄頻濾波器在測(cè)試頻寬上進(jìn)行掃描以產(chǎn)生頻譜並顯示。濾波器頻寬可確定頻率軸上的頻率解析度，但在FFT分析儀中並沒(méi)有類比濾波器，而是透過(guò)FFT相應(yīng)的濾波窗口參數(shù)來(lái)確定頻率解析度或解析度頻寬。

在掃描式分析儀中，由於類比濾波器設(shè)定時(shí)間的影響，因此掃描時(shí)間將與RBW的平方成反比。一旦必須透過(guò)減少RBW來(lái)改善頻率解析度時(shí)，掃描時(shí)間便將呈指數(shù)增加。對(duì)於FFT訊號(hào)分析儀來(lái)說(shuō)，RBW的減少所代表的是必須執(zhí)行更長(zhǎng)的採(cǎi)集和更多FFT運(yùn)算。由於DSP元件速度持續(xù)提升，因此對(duì)更高解析度、更窄RBW的測(cè)量設(shè)備來(lái)說(shuō)，F(xiàn)FT在測(cè)試速度方面將具有更大優(yōu)勢(shì)。

結(jié)語(yǔ)

頻譜分析儀對(duì)於射頻量測(cè)工程師而言，是非常重要的一種量測(cè)儀器。而工程師對(duì)於使用傳統(tǒng)頻譜分析儀和FFT訊號(hào)分析儀進(jìn)行功率與頻率測(cè)試時(shí)，也必須深入了解並掌握頻譜分析儀的基本知識(shí)，如此才可讓頻譜分析儀發(fā)揮最大功效，而非產(chǎn)生巨大誤差。