頻譜分析儀(Spectrum Analyzer)是電子工程領(lǐng)域中不可或缺的核心測(cè)量?jī)x器，被譽(yù)為射頻量測(cè)的“萬(wàn)用表”。它通過(guò)將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域圖譜，直觀呈現(xiàn)信號(hào)的頻率成分與功率分布，廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、雷達(dá)、廣播電視、電磁兼容(EMC)測(cè)試及科研教育等領(lǐng)域。

圖一時(shí)域量測(cè)與頻域量測(cè)之不同

頻譜分析儀種類

根據(jù)工作原理，頻譜分析儀主要分為兩大類：掃描調(diào)諧式(Sweep-Tuned)與實(shí)時(shí)頻譜分析儀(Real-Time Spectrum Analyzer, RTSA)。掃描調(diào)諧式頻譜儀基于超外差接收原理，通過(guò)本地振蕩器掃頻，將輸入信號(hào)混頻至固定中頻進(jìn)行處理，逐點(diǎn)繪制頻譜。其優(yōu)勢(shì)在于頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大，適用于穩(wěn)態(tài)信號(hào)測(cè)量，如連續(xù)波、廣播信號(hào)等。然而，其掃描機(jī)制導(dǎo)致存在“盲區(qū)”，難以捕獲瞬態(tài)、跳頻或偶發(fā)信號(hào)。實(shí)時(shí)頻譜分析儀則采用高速ADC與FFT(快速傅里葉變換)技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行全時(shí)域數(shù)字化處理，實(shí)現(xiàn)無(wú)遺漏的信號(hào)捕獲。它具備高捕獲概率(POI)與微秒級(jí)響應(yīng)能力，可清晰呈現(xiàn)信號(hào)隨時(shí)間變化的頻譜軌跡，特別適用于電子戰(zhàn)、5G通信、PLL鎖定過(guò)程分析及干擾源定位等復(fù)雜動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。

此外，按形態(tài)與應(yīng)用還可細(xì)分為：便攜式頻譜儀，便于現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與干擾排查;音頻頻譜儀，專用于20Hz–20kHz音頻信號(hào)分析;以及基于PC的軟件定義頻譜儀，成本低、靈活性強(qiáng)，適合教學(xué)與業(yè)余無(wú)線電應(yīng)用。

頻譜分析儀應(yīng)用領(lǐng)域

頻譜分析儀主要功能在于量測(cè)信號(hào)的大小或振幅，其應(yīng)用范圍十分廣泛，包括系統(tǒng)維護(hù)、信號(hào)量測(cè)、組件的頻率增益與物料品管等，都在頻譜分析儀的應(yīng)用范圍之中。

放大器增益、頻率響應(yīng)與被動(dòng)元件特性之量測(cè)

有線電視及通信系統(tǒng)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(hào)的特性，因此事前的篩選有助于保證信號(hào)的品質(zhì)。 例如透過(guò)頻譜分析儀的追蹤產(chǎn)生器來(lái)評(píng)估待測(cè)物件(DUT)的頻率反應(yīng)特性，量測(cè)的結(jié)果可由繪圖儀器(Plotter)輸出而獲得資料。 量測(cè)頻率的范圍可事先一次設(shè)定，并一次獲得其對(duì)應(yīng)的關(guān)系曲線，如此將大幅減少過(guò)去透過(guò)示波器及函數(shù)產(chǎn)生器必須依不同頻率逐點(diǎn)量測(cè)的繁復(fù)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(hào)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(yīng)和短接線的量測(cè)響應(yīng)，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(yīng)量測(cè)值。

失真度量測(cè)

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(duì)應(yīng)的數(shù)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(cè)知信號(hào)的失真度，僅能顯示信號(hào)波形與時(shí)間的關(guān)系，但頻譜分析儀由對(duì)應(yīng)的諧波頻譜，可準(zhǔn)確地評(píng)估信號(hào)的諧波信號(hào)與振幅，進(jìn)而評(píng)估失真度的大小。

通訊監(jiān)測(cè)

無(wú)線通訊因頻譜使用的規(guī)定，必須使用高頻，并經(jīng)由天線收發(fā)信號(hào)，透過(guò)頻譜分析儀搭配天線很容易偵測(cè)目前通訊信號(hào)的強(qiáng)度與載波的頻率，例如使用方向性天線，二組量測(cè)設(shè)備便能找出信號(hào)源，這也是相關(guān)單位取締非法電波(如非法地下電臺(tái))的主要偵測(cè)技術(shù)。

依據(jù)需要可將頻譜分析儀之掃描頻寬適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，例如縮小或放大，進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整以評(píng)估受測(cè)地區(qū)的干擾信號(hào)狀況，這種方法可做為設(shè)計(jì)某地區(qū)通訊電臺(tái)或各類行動(dòng)通訊系統(tǒng)基地臺(tái)的參考。 由方向性天線的調(diào)整量所測(cè)得的最高信號(hào)振幅，便可依天線的方向性判定信號(hào)源方向，若配合鄰近的另一組監(jiān)測(cè)裝置，由兩組天線方向的交叉點(diǎn)就可得出信號(hào)源的位置，立即可偵測(cè)得知發(fā)射源的位置，以這種方法，透過(guò)更多組的量測(cè)將可準(zhǔn)確得到發(fā)射源。

有線電視影像資訊的量測(cè)

有線電視(CATV)是透過(guò)同軸電纜或光纜電纜等纜線傳送視訊到用戶家中。 由于科技的發(fā)展，為了減少挖馬路埋設(shè)纜線的施工困難度并降低成本，已有廠商提議開(kāi)放微波傳送或透過(guò)衛(wèi)星以對(duì)點(diǎn)(Spot)的方式將訊號(hào)傳送到用戶家中，目前北美已有服務(wù)供應(yīng)商針對(duì)北加州用戶發(fā)射具有150個(gè)視訊頻道的衛(wèi)星訊號(hào)。 因此纜線、微波與衛(wèi)星傳送視訊的方式已并存應(yīng)用于市場(chǎng)上，提供收視戶更多元化的選擇。

CATV系統(tǒng)的主要功能是傳送影像節(jié)目與數(shù)據(jù)資料，并保持系統(tǒng)的正常運(yùn)作，傳輸100個(gè)左右或更多頻道視訊，以及用戶終端資料檢索控制信號(hào)的適時(shí)反應(yīng)等雙向互動(dòng)式服務(wù)等功能。 在CATV系統(tǒng)中包括種類繁多的視訊信號(hào)，例如電壓與電流振幅、增益、頻率及功率等，其中增益、功率大多以對(duì)數(shù)值表示之。 而射頻信號(hào)的振幅、頻率可由一般儀器(如示波器)量測(cè)得之，信號(hào)相位(Phase)則由向量示波器(Vector Scope)量測(cè)，所謂向量示波器是具有極穩(wěn)定之環(huán)形時(shí)基示波器，可用于核對(duì)兩信號(hào)間的時(shí)間延遲。 而頻譜分析儀正是CATV信號(hào)量測(cè)不可或缺的電子設(shè)備。

天線特性的量測(cè)

頻譜分析儀除了量測(cè)空氣中的信號(hào)強(qiáng)度振幅外，只要搭配橋接器(Bridger)也能量測(cè)反射損失(Return loss)。 由于行動(dòng)電話的普及，基地臺(tái)在城市中數(shù)量相當(dāng)多，由于電磁輻射傷害的疑慮一直困擾著使用者，因此，電磁波強(qiáng)度量測(cè)已逐漸被大家重視。 頻譜分析儀也可針對(duì)天線輻射強(qiáng)度或任意空間電磁強(qiáng)度進(jìn)行量測(cè)。

頻譜分析儀之使用

對(duì)于測(cè)量的可測(cè)與不可測(cè)與否，完全取決于頻譜分析儀的設(shè)定。 這包括了對(duì)衰減器、頻率范圍與解析度頻寬的設(shè)置。 頻譜分析儀的設(shè)定包括頻率范圍、解析度和動(dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)范圍又涉及最大輸入功率即燒毀功率，增益壓縮使小于1W的輸入信號(hào)一旦超過(guò)線性工作區(qū)域便會(huì)出現(xiàn)誤差。 此外靈敏度也是考慮頻譜分析儀對(duì)輸入信號(hào)可測(cè)與否的關(guān)鍵。

參數(shù)頻率范圍要從兩個(gè)方面觀察，一是頻率范圍的設(shè)定是否夠窄，以具有足夠的頻率分辨能力，也就是夠窄的掃頻寬度。 二是頻率范圍是否有足夠的寬度，是否可以測(cè)到第二次、第三次諧波。 當(dāng)用頻譜分析儀測(cè)量一個(gè)放大器諧波失真的時(shí)候，若放大器為1GHz，則它的三次諧波就是3GHz，這就是要考慮頻率范圍的最大可測(cè)寬度。 如果頻譜儀是1.8GHz，就不能進(jìn)行量測(cè)，如果頻譜分析儀是26.5GHz，就可以測(cè)到它的第三，第四次諧波。

解析度也是頻譜分析儀中非常重要的參數(shù)設(shè)定。 解析度表示當(dāng)要測(cè)量?jī)蓚€(gè)頻率的功率不一樣時(shí)，必須將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)。 將中頻頻寬設(shè)置成三種不同的寬度，下面所對(duì)應(yīng)的就是在這一頻寬設(shè)置時(shí)所看到的曲線。 中頻頻寬越窄則解析度越高，中頻頻寬越寬則解析度越低。 解析度頻寬直接影響到微小信號(hào)的識(shí)別能力和測(cè)量的結(jié)果。

頻譜分析儀的最佳狀態(tài)是由許多因素與參數(shù)所決定，因此需要全盤考量，而非追求單一指標(biāo)的完美，對(duì)各種基本因素與測(cè)量類型進(jìn)行分析，才能達(dá)到趨于更精確的量測(cè)結(jié)果。