細說頻譜分析儀之種類與應(yīng)用

　　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行分析、研究，并同時應(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、基準電平設(shè)置、跟蹤發(fā)生器設(shè)置、跟蹤控制設(shè)置、利用標記功能測量回波損耗，以及頻寬、掃描時間及觸發(fā)控制設(shè)置等功能。

　　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(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。只是示波器缺點在于只局限于低頻信號，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，正是在于彌補示波器針對高頻信號分析的不足，并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，并顯示信號在頻域里的特性。

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），并經(jīng)由同步多工掃瞄器將信號輸出至螢?zāi)?，?yōu)點在于能夠顯示周期性雜散波（Periodic Random Waves）的瞬時反應(yīng)，但缺點是價格昂貴，且頻寬范圍、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)變的本地振蕩器經(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)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)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)致信號顯示時產(chǎn)生失真。較高的RBW當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?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)的座標圖就是輸入信號頻譜圖。由于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(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。透過傅立葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量，進而達到與傳統(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(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。