頻譜分析儀的種類與應用

頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)主要用於顯示頻域輸入信號的頻譜特性，因此對於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對信號進行分析、研究，並同時 應用於更多不同領域，例如無線訊號收發器、信號幹擾的檢測、頻譜監測、以及元件特性分析等，是從事電子產品研發、生產、檢驗的常用工具，特別針對無線通訊 信號的測量更是必要工具，其應用十分廣泛，因此也有工程師將之稱為射頻量測的萬用電錶。其主要功能包括：頻率設置、基準電平設置、跟蹤發生器設置、跟蹤控 制設置、利用標記功能測量回波損耗，以及頻寬、掃描時間及觸發控制設置等功能。

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　　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、周期、波形與相位等之響應變化。一般來說，示波器都必須具備雙軌跡輸出顯示裝置，同時內建有IEEE-488、IEEE-1394 或RS-232等介面功能以便與繪圖儀器連結，而利於後續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I限於低頻信號，對於高頻信號的分 析便成為一大挑戰。

　　頻譜分析儀的優勢，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，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置相對應的濾波器與檢知器(Detector)，並經由同步多工掃瞄器將信號輸出至螢幕，優 點在於能夠顯示周期性雜散波(Periodic Random Waves)的瞬時反應，但缺點是價格昂貴，且頻寬範圍、濾波器的數目與最大多工交換時間(Switching Time)都將對其性能表現造成限制。

　　掃瞄調諧頻譜分析儀是最常用的頻譜分析儀類型，它的基本結構與超外差式接收 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，可調變的本地振蕩器經由與CRT螢幕同步的掃瞄產生器產生隨時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後的中頻信號(IF)放大後、濾波與檢波傳送至CRT螢幕，因此CRT螢幕的縱軸將顯示信號振幅與頻率的相對關係。

　　如上所言，影響信號反應的主要關鍵為濾波器頻寬。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，因而導致信號顯示時產生失真。較高的RBW當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生阻礙。失真值與設定的RBW密切相關，因此設定適當的RBW寬度才是正確使用頻譜分析儀的 重要概念。

　　此外傳統頻譜分析儀的前端電路是在一定頻寬內可調諧的接收器。當輸入信號經 變頻器變頻後，由低通濾波器輸出，濾波器所輸出的數值就是垂直分量，至於頻率則是水平分量，如此在螢幕上所呈現的座標圖就是輸入信號頻譜圖。由於變頻器可 以達到很寬的頻率(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 測量連續信號或調變信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。只是傳統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，因此在性質上是屬於標 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，進而達到與傳統頻譜分析儀同樣的結果。新型的頻譜分析儀採用數位方式，直接由類比/數位轉換器(ADC)對輸入信號 取樣，再經傅立葉運算處理後而得到頻譜分布圖。

　　在今天的量測中，不管是什麼信號，都可以用許多方法進行測量。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，接著還能繼續把複雜信號再現與複製出來，這對於訊號分析來說是非常重要的。

　　當一個數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複雜。在 衛星監測上，這些信號都必須從頻譜分析的角度來獲得所需要的參數。目前有兩種方法可對信號頻率進行分析。第一是對信號進行時域的採集，然後對其進行傅立葉 轉換，將其轉換成頻域信號，這種方法稱之為動態信號分析。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，用傅立葉轉換也可將 它們分辨出來。但由於是用數位採樣分析，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，而不是透過數學方程式 轉換。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諧分析儀，也就是前述所提及的掃描調諧頻譜分析儀。

　　頻譜分析儀應用領域

　　頻譜分析儀主要功能在於量測信號的大小或振幅，其應用範圍十分廣泛，包括系 統維護、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用範圍之中。

　　放大器增益、頻率響應與被動元件特性之量測

　　有線電視及通信系統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。例如透過頻譜分析儀的追蹤產生器來評估待測物件(DUT)的頻率反應 特性，量測的結果可由繪圖儀器(Plotter)輸出而獲得資料。量測頻率的範圍可事先一次設定，並一次獲得其對應的關係曲線，如此將大幅減少過去透過示 波器及函數產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生器(Tracking Generator)功能，產生掃瞄信號經由DUT傳送到頻譜分析儀的射頻接收器，由DUT的頻率響應和短接線的量測響應，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元件的頻率響應量測值。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，其對應的數學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係，但頻譜分析儀 由對應的諧波頻譜，可準確地評估信號的諧波信號與振幅，進而評估失真度的大小。