所有電子設(shè)計(jì)工程師和科學(xué)家都曾執(zhí)行過電氣訊號(hào)分析，簡(jiǎn)稱訊號(hào)分析。透過這項(xiàng)基本量測(cè)，他們可洞察訊號(hào)細(xì)節(jié)并獲得重要的訊號(hào)特性資訊。不過訊號(hào)分析的成效，主要取決于量測(cè)儀器的效能，而頻譜分析儀與向量訊號(hào)分析儀是兩種最常用于電氣訊號(hào)分析的測(cè)試設(shè)備。

頻譜分析儀是廣為使用的多用途量測(cè)工具，可量測(cè)輸出訊號(hào)相較于頻率的大?。╩agnitude），以便瞭解已知和未知訊號(hào)的頻譜功率。向量訊號(hào)分析儀則可同時(shí)量測(cè)分析儀中頻（IF）頻寬之輸出訊號(hào)的大小與相位，并經(jīng)常用來對(duì)已知訊號(hào)執(zhí)行通道內(nèi)量測(cè)，例如誤差向量幅度（EVM）、域碼功率，及頻譜平坦度。過去，頻譜分析儀與向量訊號(hào)分析儀是兩種各自獨(dú)立的儀器，但隨著量測(cè)技術(shù)不斷突飛勐進(jìn)，量測(cè)設(shè)備商現(xiàn)在已可將它們整合于一機(jī)，并通稱為頻譜分析儀。

利用這類分析儀提供的強(qiáng)大量測(cè)與分析功能，工程師可快速而全面地洞察他們開發(fā)設(shè)計(jì)的元件或系統(tǒng)。為了善用頻譜分析儀的各項(xiàng)功能，使用者必須瞭解其運(yùn)作方式，以全面滿足特定應(yīng)用的量測(cè)需求。

認(rèn)識(shí)頻譜分析儀的基本塬理

使用者除了需瞭解分析儀的各種功能外，還需認(rèn)識(shí)頻譜分析的基本運(yùn)作塬理。過去，示波器通常被用來執(zhí)行時(shí)域量測(cè)，以便觀察電氣訊號(hào)在某一段時(shí)間內(nèi)的變化，但這樣并無法窺探訊號(hào)的全貌。為了充分掌握元件或系統(tǒng)的效能，工程師必須在頻域中分析訊號(hào)，而這正是頻譜分析儀的工作。不過，隨著數(shù)位技術(shù)大幅躍進(jìn)，各種儀器間的分野已不再那么涇渭分明。例如，有些示波器現(xiàn)在也可執(zhí)行向量訊號(hào)分析，而訊號(hào)分析儀則開始提供多項(xiàng)時(shí)域量測(cè)功能。雖然如此，示波器還是最適合用來執(zhí)行時(shí)域量測(cè)，訊號(hào)分析儀則是最理想的頻域量測(cè)工具。

在頻域中，如果訊號(hào)涵蓋一個(gè)以上的頻率，頻譜分析儀會(huì)依照頻率將其劃分為一個(gè)一個(gè)的頻譜，并且顯示各個(gè)頻率中的訊號(hào)位準(zhǔn)。此時(shí)，使用頻域量測(cè)技術(shù)有許多好處。比方說，頻譜分析儀可以清楚分辨示波器無法辨識(shí)的訊號(hào)資訊。此外，使用頻譜分析儀量測(cè)訊號(hào)時(shí)，使用者可將量測(cè)頻寬調(diào)窄，以大幅減少雜訊。由于現(xiàn)在很多系統(tǒng)都是在頻域中運(yùn)作，因此儀器必須能夠在頻域中分析訊號(hào)，以避免受到鄰近通道頻率的干擾。

執(zhí)行頻域量測(cè)時(shí)，工程師只需一臺(tái)頻譜分析儀，便可輕易量測(cè)訊號(hào)的頻率、功率、諧波內(nèi)容、調(diào)變、突波以及雜訊。完成前述量測(cè)后，工程師便可確認(rèn)總諧波失真、佔(zhàn)用頻寬、訊號(hào)穩(wěn)定度、輸出功率、交互調(diào)變失真、功率頻寬、載波雜訊比，以及其他各種量測(cè)結(jié)果。

快速傅立葉轉(zhuǎn)換（FFT）分析儀或掃描調(diào)諧（swept-tuned）分析儀，都是執(zhí)行頻域量測(cè)（或頻譜分析）的理想工具。FFT分析儀可擷取一段時(shí)域訊號(hào)，并使用數(shù)位取樣技術(shù)將訊號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)位訊號(hào)，接著再執(zhí)行必要的數(shù)學(xué)運(yùn)算將其轉(zhuǎn)換為頻域訊號(hào)，最后在螢?zāi)恢酗@示頻譜分布圖。此外，F(xiàn)FT分析儀提供即時(shí)訊號(hào)顯示功能，因此可擷取定期、隨機(jī)及暫態(tài)訊號(hào)，并可量測(cè)訊號(hào)的相位與大小。相較之下，掃描調(diào)諧分析儀可掃描工程師亟欲觀測(cè)的整個(gè)頻率範(fàn)圍，以便檢視所有頻率中的訊號(hào)。如此一來，工程師可在更寬的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍與頻率範(fàn)圍中執(zhí)行量測(cè)。掃描調(diào)諧分析儀是工程師最愛用，也是用途最廣的頻域量測(cè)工具。

不論是FFT分析儀或掃描調(diào)諧分析儀，都可用于頻譜監(jiān)測(cè)、雜波放射、純量網(wǎng)路分析，以及電磁干擾等各式各樣的量測(cè)應(yīng)用，以便量測(cè)頻率、功率調(diào)變、失真，以及雜訊等。這些分析儀支援3 Hz至325 Hz以上的頻率範(fàn)圍，動(dòng)態(tài)範(fàn)圍可達(dá)-172 dBm至+30 dBm。

剖析頻譜分析儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為了瞭解頻譜分析儀的運(yùn)作塬理，我們需剖析其內(nèi)部硬體結(jié)構(gòu)。圖一顯示傳統(tǒng)的掃描調(diào)諧分析儀的主要組成元件。本文稍后我們將看到，現(xiàn)代訊號(hào)分析儀已將其中的類比硬體元件，全面更換為數(shù)位電路，特別是中頻與基頻部分。雖然如此，檢視下面的方塊圖，有助于快速瞭解分析儀的基本運(yùn)作塬理。

圖一 傳統(tǒng)掃描頻譜分析儀方塊圖

上圖顯示的分析儀使用一個(gè)3埠混頻器，可將輸入訊號(hào)從某一個(gè)頻率轉(zhuǎn)移到另一個(gè)頻率。混頻器會(huì)將輸入訊號(hào)送至其中一個(gè)埠，然后將本地震盪器（LO）輸出訊號(hào)送至另一個(gè)埠。由于混頻器是非線性元件，因此在輸出端出現(xiàn)的頻率，并不會(huì)在輸入端出現(xiàn)。這些頻率是塬始輸入訊號(hào)，以及兩個(gè)頻率相加與相減的訊號(hào)。這種差頻訊號(hào)又稱為IF訊號(hào)。

此外，上圖顯示的IF濾波器是帶通濾波器，可作為偵測(cè)訊號(hào)的「視窗」。使用者可直接在分析儀面板上變更分析頻寬（RBW）。此分析儀提供多種可變的RBW設(shè)定，因此使用者可在不同的掃描與訊號(hào)狀況下獲得最佳量測(cè)結(jié)果，并且獲致出色的頻率選擇性（selectivity）、訊號(hào)雜訊比（SNR），以及量測(cè)速度。一般而言，將RBW調(diào)窄，有助于提昇選擇性與SNR特性，因而可觀察到更細(xì)微的頻率分布，但掃描速度與軌跡更新率會(huì)因而下滑。最佳的RBW設(shè)定與訊號(hào)特性息息相關(guān)。

檢波器可將分析儀的IF訊號(hào)轉(zhuǎn)換為基頻或視訊訊號(hào)，以便進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)為可在LCD螢?zāi)簧蠙z視的數(shù)位訊號(hào)。藉由搭配使用波封檢波器（envelope detector）與類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC），使用者可將視訊輸出訊號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)位訊號(hào)，并且在分析儀顯示器的Y軸上呈現(xiàn)訊號(hào)大小。

使用者可選擇多種不同的檢波器模式，以便清晰顯示量測(cè)訊號(hào)。在分析正弦波時(shí)，工程師通常使用正偵測(cè)模式（positive detection mode），在一段時(shí)間的曲線顯示點(diǎn)上呈現(xiàn)最大訊號(hào)，這種模式又稱為分段顯示（display bucket）或是bin。此外，負(fù)偵測(cè)模式（negative detection mode）可顯示最小訊號(hào)；而取樣偵測(cè)模式（sample detection mode）則可顯示每一個(gè)bin之時(shí)間間隔中點(diǎn)的訊號(hào)大小。

如需同時(shí)顯示訊號(hào)與雜訊的話，正常（Rosenfell）模式是最理想的偵測(cè)模式，因?yàn)檫@個(gè)「智慧型」偵測(cè)模式會(huì)隨著輸入訊號(hào)的不同而動(dòng)態(tài)地改變偵測(cè)方式。如果訊號(hào)在分段持續(xù)過程中上升又下降，則可假設(shè)此訊號(hào)為雜訊，因而輪流使用正、負(fù)偵測(cè)模式。如果過程中訊號(hào)一直上升，則推斷其為正常訊號(hào)，并使用正峰值偵測(cè)模式。

使用者可用平均偵測(cè)與視訊濾波等方式，將波封偵測(cè)振幅（envelope-detected amplitude）的變異進(jìn)行平滑處理。平均偵測(cè)使用在bin時(shí)間間隔中收集到的所有資料來進(jìn)行平滑處理。這項(xiàng)功能可有效地量測(cè)數(shù)位調(diào)變訊號(hào)中的雜訊或類雜訊訊號(hào)。工程師通常使用真均方根（RMS）檢波器來執(zhí)行功率平均偵測(cè)，例如量測(cè)復(fù)雜訊號(hào)的功率。

視訊濾波器是位在波封檢波器之后，類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器之前的低通濾波器。這項(xiàng)元件可確認(rèn)視訊放大器的頻寬，并可用來將螢?zāi)伙@示的曲線平均化或平滑化。藉由改變視訊頻寬（VBW）設(shè)定，您可降低頻譜分析儀雜訊的峰值對(duì)峰值（peak-to-peak）變異，因此可以輕易發(fā)現(xiàn)被雜訊掩蓋掉的訊號(hào)。

您還可使用視訊平均與曲線平均功能，將波封偵測(cè)振幅的變異平滑化。利用視訊平均處理功能將視訊濾波器的截止頻率降低，那么視訊系統(tǒng)便不會(huì)再隨著通過IF頻率之波封訊號(hào)，產(chǎn)生快速的變異。分析儀能夠產(chǎn)生的平滑度，由VBW對(duì)RBW的比值決定。當(dāng)比率為0.01以下，可提供更佳的平滑效果。

曲線平均功能可逐點(diǎn)平均兩個(gè)或多個(gè)頻率掃描，并將每個(gè)顯示點(diǎn)上的新值，與已經(jīng)平均過的資料再重新進(jìn)行平均處理，最后顯示的曲線會(huì)逐漸與多個(gè)掃描之平均曲線融合。曲線平均處理不會(huì)影響掃描時(shí)間。

認(rèn)識(shí)頻譜分析儀的規(guī)格

使用頻譜分析儀之前，請(qǐng)先瞭解其規(guī)格，確保該儀器能提供您需要的量測(cè)效能。確認(rèn)了規(guī)格后，您便可預(yù)測(cè)分析儀在特定量測(cè)狀況下的執(zhí)行效能，以及量測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。下面介紹主要的頻譜分析儀規(guī)格：

˙頻率範(fàn)圍

頻率範(fàn)圍是分析儀量測(cè)某一段頻率的範(fàn)圍。請(qǐng)確認(rèn)您的頻譜分析儀涵蓋量測(cè)應(yīng)用所需的基本頻率範(fàn)圍，并且確認(rèn)儀器是否支援高頻的諧波或突波訊號(hào)，或是低頻的基頻與中頻（IF）訊號(hào)。

˙頻率準(zhǔn)確度

˙頻率範(fàn)圍

頻率範(fàn)圍是分析儀量測(cè)某一段頻率的範(fàn)圍。請(qǐng)確認(rèn)您的頻譜分析儀涵蓋量測(cè)應(yīng)用所需的基本頻率範(fàn)圍，并且確認(rèn)儀器是否支援高頻的諧波或突波訊號(hào)，或是低頻的基頻與中頻（IF）訊號(hào)。

˙頻率準(zhǔn)確度

˙解析度

頻譜分析儀的解析度，是指儀器分辨兩個(gè)一樣大小之相鄰訊號(hào)的能力。當(dāng)RBW愈寬，就愈難分辨兩個(gè)相鄰的訊號(hào)。RBW濾波器的頻寬大小，關(guān)係著分析儀是否能夠分辨兩個(gè)等幅訊號(hào)，例如濾波器頻寬如為3-dB，則兩個(gè)訊號(hào)之間的間隔必須大于或等于3-dB。

圖二 在此雙音調(diào)（two-tone）測(cè)試中，兩個(gè)相鄰的訊號(hào)間隔10 kHz。

當(dāng)RBW=10-kHz時(shí)，要分辨兩個(gè)大小一樣的訊號(hào)并不難，但所產(chǎn)生的失真可能會(huì)被掩蓋掉。如果RBW為3-kHz，選擇性為15:1，就很容易出現(xiàn)這樣的問題。在此案例中，量測(cè)所需的RBW為1 kHz，則兩個(gè)大小差距60 dB的訊號(hào)，彼此間至少須間隔30-dB頻寬，才能夠分辨出較小的訊號(hào)

好在工程師所分析的訊號(hào)大小通常都不一樣。由于兩個(gè)訊號(hào)會(huì)同時(shí)描繪（trace out）濾波器形狀（filter shape），因此較小的訊號(hào)可能會(huì)被掩蓋在較大訊號(hào)的濾波器邊緣。當(dāng)訊號(hào)大小的差異愈大，出現(xiàn)這種情形的可能性就愈高，如圖二所示。

RBW選擇性即濾波器形狀，它和相位雜訊，是決定兩個(gè)不同大小之相鄰訊號(hào)，是否可被清楚分辨的重要因素。將RBW設(shè)得愈窄，頻譜分析儀的解析度就愈高，但這樣卻會(huì)拉長(zhǎng)整體頻率掃描時(shí)間，因?yàn)镽BW濾波器需要一段時(shí)間來達(dá)到完全響應(yīng)。具有自動(dòng)耦合掃描時(shí)間的頻譜分析儀，可依據(jù)選定的頻距、RBW和VBW，來自動(dòng)選擇所允許的最快掃描時(shí)間。此外，不同的頻譜分析儀，其掃描速度也各不相同。

˙靈敏度

接收器的靈敏度代表儀器在某些測(cè)試環(huán)境下能夠接收微小訊號(hào)的能力。所有接收器（包括頻譜分析儀）多多少少都會(huì)有一些內(nèi)部產(chǎn)生的雜訊，而頻譜分析儀的靈敏度以RBW設(shè)為最低時(shí)之顯示平均雜訊位準(zhǔn)（DANL）來表示，單位為dBm。

DANL亦即儀器在特定頻寬下的雜訊位準(zhǔn)。如果輸入訊號(hào)低于雜訊位準(zhǔn)時(shí)，我們就無法用頻譜分析儀量這個(gè)微小訊號(hào)。一般而言，頻譜分析儀的靈敏度約在-135 dBm到-165 dBm之間。如欲獲得最佳靈敏度，請(qǐng)將RBW設(shè)為最低、充分進(jìn)行平均處理、將射頻輸入衰減設(shè)到最小，并且使用前置放大器。不過提高頻譜分析儀的靈敏度，可能會(huì)與降到失真或是增加動(dòng)態(tài)範(fàn)圍等其他量測(cè)需求相衝突。

˙失真

叁階交互調(diào)變與諧波失真等失真量測(cè)是慣用的元件特性分析方法，但需注意頻譜分析儀本身也會(huì)產(chǎn)生失真，因而導(dǎo)致量測(cè)誤差。如果頻譜分析儀內(nèi)部失真的程度與DUT之外部失真不相上下，量測(cè)誤差便會(huì)增加。在最糟狀況下，內(nèi)部失真可能會(huì)完全蓋過DUT的失真。儀器製造商可直接設(shè)定頻譜分析儀的失真程度，或是與動(dòng)態(tài)範(fàn)圍規(guī)格整併在一起。

圖叁 二階失真會(huì)以基礎(chǔ)訊號(hào)增量的平方增加，而叁階失真則以立方增加。

叁階截?cái)帱c(diǎn)（TOI）是評(píng)量頻譜分析儀是否能夠處理大訊號(hào)而且不會(huì)失真的指標(biāo)。TOI較高的分析儀，通?？梢蕴峁┙^佳動(dòng)態(tài)範(fàn)圍與準(zhǔn)確度，以便量測(cè)失真與雜訊

在進(jìn)行量測(cè)之前，使用者須先確認(rèn)分析儀產(chǎn)生的失真是否會(huì)影響量測(cè)結(jié)果。例如，在執(zhí)行雙音調(diào)測(cè)試時(shí)，指定儀器的失真產(chǎn)物（叁階失真）大于50 dB，而二階失真（諧波失真）大于40 dB。這些數(shù)值可作為分析儀必備的最低規(guī)格。為減少內(nèi)部失真所導(dǎo)致的量測(cè)誤差，內(nèi)部失真必須比測(cè)試規(guī)格小很多。

圖叁顯示非線性元件的失真。為了確認(rèn)失真到底是由分析儀內(nèi)部所產(chǎn)生，亦或是DUT所導(dǎo)致，我們需進(jìn)行衰減測(cè)試。首先將射頻輸入訊號(hào)衰減10dB，如果螢?zāi)恢惺д娈a(chǎn)物的大小沒變，那就可確定是DUT所產(chǎn)生的失真。但如果螢?zāi)伙@示的訊號(hào)大小改變了，那么失真可能有一部分是訊號(hào)分析儀內(nèi)部所產(chǎn)生的，而非完全是DUT所致。

動(dòng)態(tài)范圍

頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍是指在一次量測(cè)中可測(cè)得的最大與最小訊號(hào)的差值，因而可量測(cè)到更小的不確定性，如圖四所示。動(dòng)態(tài)範(fàn)圍的單位為dB。分析儀的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍是指可以可靠地執(zhí)行訊號(hào)量測(cè)的範(fàn)圍。動(dòng)態(tài)範(fàn)圍經(jīng)常被誤解與誤判，因?yàn)?strong>儀器的顯示範(fàn)圍、量測(cè)範(fàn)圍、雜訊位準(zhǔn)、相位雜訊，以及突波響應(yīng)，都對(duì)于動(dòng)態(tài)範(fàn)圍影響甚鉅，如圖五所示。

圖四 您可用圖形方式呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)範(fàn)圍。

本圖顯示在同一動(dòng)態(tài)範(fàn)圍圖中的訊號(hào)對(duì)雜訊（signal-to-noise）和訊號(hào)對(duì)失真（signal-to-distortion）曲線。當(dāng)不同曲線相交時(shí)，亦即內(nèi)部產(chǎn)生的失真位準(zhǔn)等于顯示平均雜訊位準(zhǔn)（DANL），則動(dòng)態(tài)範(fàn)圍最大。這一點(diǎn)同時(shí)也是最大混頻器位準(zhǔn)。

為了獲得最佳的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍，請(qǐng)選擇具備最佳靈敏度的分析儀，亦即具有最窄RBW、最小輸入衰減，并徹底執(zhí)行平均處理的機(jī)型。請(qǐng)持續(xù)衰減輸入訊號(hào)并查看訊號(hào)大小是否改變，以確認(rèn)分析儀的失真情形。接著，請(qǐng)?jiān)诓桓淖冇嵦?hào)大小的狀況下將衰減器設(shè)為最低。

圖五 圖中顯示各個(gè)動(dòng)態(tài)範(fàn)圍的定義，藉此工程師可得知道哪一種動(dòng)態(tài)範(fàn)圍最適合哪一個(gè)特定應(yīng)用

現(xiàn)代訊號(hào)分析儀

傳統(tǒng)的頻譜分析儀無法因應(yīng)現(xiàn)代數(shù)位調(diào)變無線系統(tǒng)的測(cè)試需求，而新型分析儀的問市，則滿足了這類系統(tǒng)的通道功率測(cè)試、解調(diào)變量測(cè)等新型態(tài)測(cè)試需求。此外，新式頻譜分析儀擁有齊備的功能，可支援更廣泛的標(biāo)準(zhǔn)與特性，例如出色的振幅準(zhǔn)確度、頻距和頻率準(zhǔn)確度、修正係數(shù)，以及限制線（limit line）、測(cè)試余裕，及通過/不通過指示等等，因此可有效執(zhí)行前述測(cè)試。有些機(jī)型甚至提供即時(shí)訊號(hào)擷取功能，以便在一段時(shí)間內(nèi)，擷取與某一訊號(hào)相關(guān)之所有資訊。

圖六 現(xiàn)代頻譜分析儀之基本架構(gòu)方塊圖，本圖為Agilent X 系列訊號(hào)分析儀之方塊圖

相較于傳統(tǒng)的頻譜分析儀，新型分析儀配備各種不同的元件，并且重新安排了功能模組，并且將ADC的位置移到處理流程的前端，如圖六所示。新型分析儀的全數(shù)位化IF濾波器可用嶄新方式處理訊號(hào)，進(jìn)而大幅提昇準(zhǔn)確度、動(dòng)態(tài)範(fàn)圍及速度。

其內(nèi)建的數(shù)位訊號(hào)處理器（DSP）讓分析儀能夠量測(cè)日益復(fù)雜的訊號(hào)，同時(shí)也進(jìn)一步增加動(dòng)態(tài)範(fàn)圍與準(zhǔn)確度，并且加快掃描速度。在需要更大動(dòng)態(tài)範(fàn)圍時(shí)，可透過掃描分析模式處理訊號(hào)，但如需在窄小頻寬中快速進(jìn)行掃描的話，則可使用FFT分析模式處理訊號(hào)。

更重要的是，新型頻譜分析儀提供內(nèi)建的單鍵式功率量測(cè)功能，包含佔(zhàn)用頻寬、通道功率，以及相鄰?fù)ǖ拦β实攘繙y(cè)功能，并支援適合不同特定應(yīng)用的量測(cè)軟體，因此可針對(duì)一般測(cè)試應(yīng)用提供單鍵式量測(cè)、靈活地進(jìn)行數(shù)位調(diào)變分析，并且提供功率與數(shù)位調(diào)變量測(cè)功能，以滿足無線通訊應(yīng)用的量測(cè)需求。

這類新機(jī)型還增強(qiáng)了顯示功能，例如聲譜圖（spectrogram）功能可分析隨時(shí)間變化的訊號(hào)頻譜，而軌跡縮放功能讓使用者能輕易放大觀察軌跡資料。I/Q基頻輸入有助于彌補(bǔ)基頻與射頻訊號(hào)間的差距，如圖七所示。此外，新型頻譜分析儀提供寬頻訊號(hào)分析能力，非常適合用于頻寬高達(dá)幾百M(fèi)Hz的高速航太與國(guó)防、新興通訊和蜂巢式行動(dòng)通訊應(yīng)用。

圖七 Agilent PXA和MXA分析儀提供選配的I/Q基頻輸入以及標(biāo)配的500 MSa深度擷取記憶體

結(jié)語

訊號(hào)分析儀是量測(cè)與分析各種元件與系統(tǒng)之特性的絕佳工具。如欲善用訊號(hào)分析儀來準(zhǔn)確量測(cè)訊號(hào)并且適當(dāng)?shù)亟庾x與分析量測(cè)結(jié)果，您需對(duì)其運(yùn)作塬理與特性有基本的認(rèn)識(shí)。