頻譜分析儀的種類(lèi)與應用

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(guò)頻域對信號進(jìn)行分析、研究，并同時(shí) 應用于更多不同領(lǐng)域，例如無(wú)線(xiàn)訊號收發(fā)器、信號干擾的檢測、頻譜監測、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(wú)線(xiàn)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(chēng)為射頻量測的萬(wàn)用電表。其主要功能包括：頻率設置、基準電平設置、跟蹤發(fā)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(shí)間及觸發(fā)控制設置等功能。

　　針對時(shí)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(lái)說(shuō)，示波器都必須具備雙軌跡輸出顯示裝置，同時(shí)內建有IEEE-488、IEEE-1394 或RS-232等介面功能以便與繪圖儀器連結，而利于后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(diǎn)在于只I限于低頻信號，對于高頻信號的分 析便成為一大挑戰。

　　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(shí)將多 頻信號以頻域的方式來(lái)呈現，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(shí)域量測與頻域量測之不同

頻譜分析儀種類(lèi)

　　頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)主要用于顯示頻域輸入信號的頻譜特性。并依據信號處理方式的差異分為兩種類(lèi)型，分別是即時(shí)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(shí)頻譜分析儀可在同 一時(shí)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)，并經(jīng)由同步多工掃瞄器將信號輸出至螢幕，優(yōu) 點(diǎn)在于能夠顯示周期性雜散波(Periodic Random Waves)的瞬時(shí)反應，但缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，且頻寬范圍、濾波器的數目與最大多工交換時(shí)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(lèi)型，它的基本結構與超外差式接收 器類(lèi)似，主要工作原理是輸入信號透過(guò)衰減器直接加入混波器中，可調變的本地振蕩器經(jīng)由與CRT螢幕同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線(xiàn)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螢幕，因此CRT螢幕的縱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(jiàn)到的解析頻寬(Resolution Bandwidth;RBW)。RBW所代表的意義為兩個(gè)不同頻率信號所能夠被清楚分辨出來(lái)的最低頻寬差異，因此兩個(gè)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(huì )重疊而無(wú)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(guò)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(shí)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。失真值與設定的RBW密切相關(guān)，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(jīng) 變頻器變頻后，由低通濾波器輸出，濾波器所輸出的數值就是垂直分量，至于頻率則是水平分量，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?jì)x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(diǎn)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?jì)x器而不是向量?jì)x器。

　　新一代頻譜分析儀則是基于快速傅立葉轉換(FFT)的量測儀器。透過(guò)傅立葉 運算將被測信號分解成分立的頻率分量，進(jìn)而達到與傳統頻譜分析儀同樣的結果。新型的頻譜分析儀采用數位方式，直接由類(lèi)比/數位轉換器(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(jìn)行測量。通常所用的最 基本儀器都是示波器，觀(guān)察信號的波形、頻率與振幅等。但由于信號的變化非常復雜，許多資訊是用示波器檢測不出來(lái)的，例如如果要分析一個(gè)非正弦波信號，從理 論上來(lái)說(shuō)，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(lái)觀(guān)察，示波器橫軸表示時(shí)間，縱軸為電壓幅度，曲線(xiàn)是表示隨時(shí)間變化的電壓波形，這是時(shí)域 的測量方法。如果要觀(guān)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(diǎn)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(zhù)還能繼續把復雜信號再現與復制出來(lái)，這對于訊號分析來(lái)說(shuō)是非常重要的。

　　當一個(gè)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(huì )相當復雜。在 衛星監測上，這些信號都必須從頻譜分析的角度來(lái)獲得所需要的參數。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(shí)域的采集，然后對其進(jìn)行傅立葉 轉換，將其轉換成頻域信號，這種方法稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)信號分析。特色是比較快，有較高的采樣速率與較高的解析度。即使是兩個(gè)信號間隔非常近，用傅立葉轉換也可將 它們分辨出來(lái)。但由于是用數位采樣分析，所能分析信號的最高頻率受其采樣速率的影響，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，這樣的測量范圍是屬于是向量分析。此種分析方法一般用于低頻信號的分析，如聲音與振動(dòng)等。另一種方法原理則是依靠硬體電路實(shí)現，而不是透過(guò)數學(xué)方程式 轉換。它可以直接接收信號，此種分析儀器稱(chēng)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(lǐng)域

　　頻譜分析儀主要功能在于量測信號的大小或振幅，其應用范圍十分廣泛，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范圍之中。

　　放大器增益、頻率響應與被動(dòng)元件特性之量測

　　有線(xiàn)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(dòng)元件，元件品質(zhì)的好壞都會(huì )影響信號的特性，因此事前的篩選有助于保證信號的品質(zhì)。例如透過(guò)頻譜分析儀的追蹤產(chǎn)生器來(lái)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。量測頻率的范圍可事先一次設定，并一次獲得其對應的關(guān)系曲線(xiàn)，如此將大幅減少過(guò)去透過(guò)示 波器及函數產(chǎn)生器必須依不同頻率逐點(diǎn)量測的繁復操作程序。

　　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的頻率響應和短接線(xiàn)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(guān)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(kāi)，其對應的數學(xué)式顯示出無(wú)限個(gè)諧波，而諧波成份在頻譜分析儀中可清楚顯示。

　　示波器無(wú)法測知信號的失真度，僅能顯示信號波形與時(shí)間的關(guān)系，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(jìn)而評估失真度的大小。