儀器大不同（一） ─ 頻譜分析儀種類介紹

在通信上，量測頻率中有一項工作室檢測信號在頻域的情況。而頻譜分析儀就是為了這個目的而研發出來的儀器，并且被廣泛使用在測量通信的參數，如average noise level、dynamic range、frequency range或是其它。除此之外，還可以利用在時域的量測，像是測量傳輸輸出功率等項目。

依功能來區分，可以將頻譜分析儀想成：計頻器 + 功率計。因為計頻器只能量測訊號的頻率，而功率計只能量測訊號的功率，若兩者要同時得到，頻譜分析儀就可以達到此目地。

如果要*地分析且清楚一個信號的特性，除了使用示波器從時域 （Time Domain）去觀察信號外，還需要從頻率的角度（簡稱頻域：Frequency Domain）去分析信號。只用示波器來觀察信號并不能看出信號全部真正的面貌，只能看到組成之后的波形；例如方波，它其實是經過許多信號的累積而形成的一種信號。

圖1 時域與頻域的差異

在射頻電路中可能會有放大器（Amplifier）、振蕩器（Oscillator）、混頻器（Mixer）、濾波器（Filter）等電路組件，單純只用示波器來觀察的話，根本無法察覺該組件在電路中的變化，這時候就必須使用頻譜分析儀，分析其頻率響應來說明電路的特性。圖1說明了時域與頻域上的差別。

頻譜分析儀的種類

頻譜分析儀一般而言分成兩種類型，Real Time頻譜分析儀（SA）與Sweep Tuned頻譜分析儀兩種類型。

Real Time頻譜分析儀（SA）

這類型的SA稱為實時性頻譜分析儀，顧名思義是能立即把信號濾出來，所以它使用了許多平行架構的濾波器來分布在所有的頻寬范圍中，而信號一經輸入之后沒有Delay就能馬上表示出來，如圖2所示，為實時性頻譜分析儀的架構。

實時性頻譜分析儀的好處即是可以立即的將信號濾出來，而且Filter的頻寬可以依照不同的span來作調整與改變，不過這類型的頻譜儀，zui大的問題在于因為它使用大量的濾波器來作實時處理，所以價格非常昂貴，且頻寬都不會很高，一般而言約10MHz-30MHz左右。

圖2 實時性頻譜分析儀的架構

Sweep Tuned頻譜分析儀

在這類型的頻譜分析儀當中，又可區分為兩大類，RF調諧方式、超外差掃描方式。

（A）RF調諧方式

圖3所示的為RF調諧方式架構而成的頻譜分析儀方塊圖，它是使用一個帶通可調的濾波器（Tunable Filter），由一掃描儀來調變期帶通寬度，進而使得相關的頻率信號通過并加至垂直偏向版（即CRT中的橫軸），而CRT中的水平軸受掃描儀頻率同步的控制，使不同的頻率信號在水平軸上分別對應地呈現。

使用此種方式構成的頻譜分析儀較為簡單，能包含較廣的頻率范圍且價格便宜，但是靈敏度與頻率特性等效能較差，且濾波器的帶寬固定，即頻率的分辨率無法改變。由于此種調諧型的頻譜分析儀較為經濟以及所能測量的頻率范圍較廣，故早期的微波頻帶的頻譜分析常常使用這一方式；但是較可惜的，因為此種方式是以掃瞄器來調變濾波器的帶通，故掃描儀的掃描速度不能太快，通常在數個MHz/s左右，當掃描超出這個比值，濾波器對于信號的響應尚未達到100%時，濾波器的帶通范圍已經改變，所以所測出的值往往會較小于原來的信號而不準確。

圖3 RF調諧方式的頻譜分析儀架構

（B）超外差式頻譜分析儀

由于調諧式的頻譜分析儀的靈敏度與準確性不高，所以目前使用zui廣的頻譜分析儀是超外差式的頻譜分析儀，如圖4。此種方式乃將輸入濾波器的帶通固定，使用一個頻率可變的本地振蕩器（Local Oscillator），使之產生隨著時間而作線性變化的振蕩頻率。將此可變的振蕩頻率與輸入信號在混波器（Mixer）混合后，產生一中頻。此中頻成為接收機的輸出，加至屏幕的垂直偏向版（橫軸），且巨齒波電壓亦同時加至水平偏向板（縱軸），結果在屏幕上顯示出的信號為頻率與振幅的對應關系。現在就根據圖4中每一個單元作簡單的介紹：

圖4 超外差式頻譜分析儀架構

1. 衰減器（Input Attenuator）：因為混波器的RF輸入zui大線性范圍有限，這對一般的量測是不夠用的，因此必須將過大的信號預先衰減到混波器的RF輸入線性范圍。經過混波器之后，在利用放大器將之還原。但這種架構會造成頻譜分析儀上的顯示噪聲位準，隨著衰減器的值而起伏。
2. 混波器（Mixer）：RF信號與本地振蕩器（LO）信號經過混波器之后，會產生許多兩者之間頻率倍數相加減的信號。而當輸入信號與本地振蕩器經過混頻之后，會產生三種中頻的可能（或者更多），可用以下公式來求出所要的正確中頻信號：

從（1）式來看， 所產生的中頻頻率遠高過頻譜分析儀內中頻濾波器的協振頻率，故不能為此儀器所接受。而（3）式所產生之中頻，其輸入信號之頻率 必須比 高，所以此種 信號比振蕩頻率 高的射頻就會被排除在外。故zui后只有第（2）式中所產生之中頻才為政確之中頻信號。

1. 解析頻寬（Resolution Bandwidth, RBW）濾波器：RBW濾波器也稱中頻濾波器，他的作用是將RF頻率與本地振蕩頻率相檢的信號，也就是所謂的IF信號，由混波器產生的眾多頻率中過濾出來。使用者可藉由頻譜分析一面板上的RBW控制鈕選擇不同的3dB頻寬的RBW濾波器。由圖5中可看出，RBW設的愈窄，所觀察到的頻率分布就越細微，也降低了噪聲位準。

圖5 不同的RBW與噪聲位準關系

1. 電壓控制振蕩器（VCO）：頻譜分析儀上VCO的頻率，必須由高于zui高輸入頻率延伸到至少zui高輸入頻率兩倍的頻率以上。對工作在1GHz以上的頻譜分析儀而言，這就代表著振蕩器至少要由1GHz到3GHz。在實際的設計中，大多數為2GHz到3.5GHz左右。這種頻率范圍通常需要具有調諧電路的振蕩器，而非低頻振蕩器中典型的線圈與電容。
2. 檢波器（Detector）：我們若直接將中頻信號輸出到屏幕上，會造成一團雜波。所以必須透過檢波器，將中頻的AC信號振幅轉換為直流偏壓，再輸出到屏幕行程相對的傳值偏向，已呈現各個頻率的大小。現行的頻譜分析儀，大多以數字取樣的方式，將波型呈現在屏幕上。
3. 視訊頻寬（Video Bandwidth, VBW）：中頻振幅的直流偏壓送到屏幕之前，還要經過視訊濾波器。它是一個低通濾波器，可將屏幕的垂直偏壓變化變的比較平緩。

一般來說，超外差式的頻譜分析儀混頻之后因為中頻放大的緣故，可以得到較大的靈敏度，且改變中頻濾波器的頻帶寬度，能夠很容易的改變頻率的分辨率。但由于超外差式的頻譜分析儀是在頻袋內掃描的緣故，因此無法得到實時性（Real Time）的分析（瞬間分析全部頻譜），除非要使掃描時間趨近于零。況且，若使用比中頻濾波器的時間常數小的掃描時間來掃描的話，則無法得到信號的正確振幅（即功率），因此想要提高頻譜分析儀的頻率分辨率，且要得到的響應，掃描的速度要調整的很適當。

由上面的理由可以得之，在超外差的頻譜分析儀中，較無法分析瞬時信號（Transient Signal）或單一脈沖信號（Impulse），而主要應用在測試周期性訊號或者其它離散訊號。

（續待…）