中心議題：

• 頻譜分析儀種類
• 頻譜分析儀應用領域

頻譜分析儀（Spectrum Analyzer）主要用於顯示頻域輸入信號的頻譜特性，因此對於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對信號進行分析
、研究，並同時 應用於更多不同領域
，例如無線訊號收發器

、信號幹擾的檢測
、頻譜監測、以及元件特性分析等，是從事電子產品研發、生產、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：頻率設置、基準電平設置

、跟蹤發生器設置、跟蹤控 製設置、利用標記功能測量回波損耗，以及頻寬、掃描時間及觸發控製設置等功能。

針對時域方麵的信號量測


，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。一般來說
，示波器都必須具備雙軌跡輸出顯示裝置，同時內建有IEEE-488、IEEE-1394 或RS-232等deng介jie麵mian功gong能neng以yi便bian與yu繪hui圖tu儀yi器qi連lian結jie，而er利li於yu後hou續xu量liang測ce顯xian示shi資zi訊xun輸shu出chu與yu繪hui圖tu的de研yan究jiu比bi較jiao之zhi用yong。隻zhi是shi示shi波bo器qi缺que點dian在zai於yu隻zhi侷侷限xian於yu低di頻pin信xin號hao，對dui於yu高gao頻pin信xin號hao的de分fen 析便成為一大挑戰。

頻譜分析儀的優勢，正是在於彌補示波器針對高頻信號分析的不足，並可同時將多 頻信號以頻域的方式來呈現
，以方便辨識各不同頻率的功率裝置，並顯示信號在頻域裏的特性。
                    
                                                     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）主要用於顯示頻域輸入信號的頻譜特性。並依據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置相對應的濾波器與檢知器（Detector），並經由同步多工掃瞄器將信號輸出至螢幕，優 點在於能夠顯示周期性雜散波（Periodic Random Waves）的瞬時反應
，但缺點是價格昂貴，且頻寬範圍、濾波器的數目與最大多工交換時間（Switching Time）都將對其性能表現造成限製。

掃瞄調諧頻譜分析儀是最常用的頻譜分析儀類型
，它的基本結構與超外差式接收 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，可調變的本地振蕩器經由與CRT螢幕同步的掃瞄產生器產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後的中頻信號（IF）放大後、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係。

如上所言，影響信號反應的主要關鍵為濾波器頻寬。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於頻譜分析 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將有助於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，因而導致信號顯示時產生失真。較高的RBW當然有助於寬頻信號的量測
，然而卻可能增加雜訊底層值（Noise Floor）、降低量測靈敏度，並對於偵測低強度的信號容易產生阻礙。失真值與設定的RBW密切相關，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 bianpinqibianpinhou
，youditonglvboqishuchu
，lvboqisuoshuchudeshuzhijiushichuizhifenliang

，zhiyupinlvzeshishuipingfenliang，rucizaiyingmushangsuochengxiandezuobiaotujiushishuruxinhaopinputu。youyubianpinqike 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 celianglianxuxinhaohuotiaobianxinhao
，pinpufenxiyidoushihenlixiangdecelianggongju。zhishichuantongpinpufenxiyidequedianzaiyu

，tazhinengceliangpinlvdefudu

，danqueshaoxiangweizixun，yincizaixingzhishangshishuyubiao 量儀器而不是向量儀器。

新一代頻譜分析儀則是基於快速傅立葉轉換（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，直接由類比/數位轉換器（ADC）對輸入信號 取樣，再經傅立葉運算處理後而得到頻譜分布圖。

在今天的量測中
，不管是什麼信號
，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。但由於信號的變化非常複雜，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lun上shang來lai說shuo
，它ta是shi由you不bu同tong頻pin率lv與yu電dian壓ya的de向xiang量liang所suo疊die加jia而er成cheng。就jiu分fen析xi的de角jiao度du來lai觀guan察cha，示shi波bo器qi橫heng軸zhou表biao示shi時shi間jian，縱zong軸zhou為wei電dian壓ya幅fu度du，曲qu線xian是shi表biao示shi隨sui時shi間jian變bian化hua的de電dian壓ya波bo形xing，這zhe是shi時shi域yu 的(de)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)。如(ru)果(guo)要(yao)觀(guan)察(cha)其(qi)頻(pin)率(lv)的(de)組(zu)成(cheng)，必(bi)須(xu)用(yong)頻(pin)域(yu)法(fa)
，其(qi)橫(heng)坐(zuo)標(biao)為(wei)頻(pin)率(lv)
，縱(zong)軸(zhou)為(wei)功(gong)率(lv)幅(fu)度(du)。如(ru)此(ci)便(bian)可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)在(zai)不(bu)同(tong)頻(pin)率(lv)點(dian)上(shang)功(gong)率(lv)幅(fu)度(du)的(de)分(fen)布(bu)
，就(jiu)可(ke)以(yi)了(le)解(jie)這(zhe)些(xie)信(xin)號(hao) 的頻譜。有了這些單一信號的頻譜，接著還能繼續把複雜信號再現與複製出來，這對於訊號分析來說是非常重要的。

當一個數位訊號中包含許多影像和聲音的信號，它的頻譜分布將會相當複雜。在 衛(wei)星(xing)監(jian)測(ce)上(shang)，這(zhe)些(xie)信(xin)號(hao)都(dou)必(bi)須(xu)從(cong)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)的(de)角(jiao)度(du)來(lai)獲(huo)得(de)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)參(can)數(shu)。目(mu)前(qian)有(you)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)可(ke)對(dui)信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)。第(di)一(yi)是(shi)對(dui)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)時(shi)域(yu)的(de)采(cai)集(ji)，然(ran)後(hou)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)傅(fu)立(li)葉(ye) 轉zhuan換huan，將jiang其qi轉zhuan換huan成cheng頻pin域yu信xin號hao，這zhe種zhong方fang法fa稱cheng之zhi為wei動dong態tai信xin號hao分fen析xi。特te色se是shi比bi較jiao快kuai
，有you較jiao高gao的de采cai樣yang速su率lv與yu較jiao高gao的de解jie析xi度du。即ji使shi是shi兩liang個ge信xin號hao間jian隔ge非fei常chang近jin，用yong傅fu立li葉ye轉zhuan換huan也ye可ke將jiang 它ta們men分fen辨bian出chu來lai。但dan由you於yu是shi用yong數shu位wei采cai樣yang分fen析xi，所suo能neng分fen析xi信xin號hao的de最zui高gao頻pin率lv受shou其qi采cai樣yang速su率lv的de影ying響xiang，限xian製zhi了le對dui高gao頻pin信xin號hao的de分fen析xi。因yin此ci目mu前qian最zui高gao的de分fen析xi頻pin率lv隻zhi是shi在zai10MHz左 右(you)
，這(zhe)樣(yang)的(de)測(ce)量(liang)範(fan)圍(wei)是(shi)屬(shu)於(yu)是(shi)向(xiang)量(liang)分(fen)析(xi)。此(ci)種(zhong)分(fen)析(xi)方(fang)法(fa)一(yi)般(ban)用(yong)於(yu)低(di)頻(pin)信(xin)號(hao)的(de)分(fen)析(xi)，如(ru)聲(sheng)音(yin)與(yu)振(zhen)動(dong)等(deng)。另(ling)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)原(yuan)理(li)則(ze)是(shi)依(yi)靠(kao)硬(ying)體(ti)電(dian)路(lu)實(shi)現(xian)
，而(er)不(bu)是(shi)透(tou)過(guo)數(shu)學(xue)方(fang)程(cheng)式(shi) 轉換。它可以直接接收信號，此種分析儀器稱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。[page]

頻譜分析儀應用領域

頻譜分析儀主要功能在於量測信號的大小或振幅，其應用範圍十分廣泛，包括係 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範圍之中。

放大器增益、頻率響應與被動元件特性之量測

有線電視及通信係統使用大量的放大器與分接器（Tap）、接頭、同軸電纜等 beidongyuanjian，yuanjianpinzhidehaohuaidouhuiyingxiangxinhaodetexing，yincishiqiandeshaixuanyouzhuyubaozhengxinhaodepinzhi。lirutouguopinpufenxiyidezhuizongchanshengqilaipinggudaicewujian（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。量測頻率的範圍可事先一次設定，並一次獲得其對應的關係曲線，如此將大幅減少過去透過示 波器及函數產生器必須依不同頻率逐點量測的繁複操作程序。

利用頻譜分析儀本身的追蹤產生器（Tracking Generator）功能
，產生掃瞄信號經由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，其對應的數學式顯示出無限個諧波
，而諧波成份在頻譜分析儀中可清楚顯示。

示波器無法測知信號的失真度，僅能顯示信號波形與時間的關係，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
，進而評估失真度的大小。

通訊監測

無線通訊因頻譜使用的規定，必須使用高頻，並經由天線收發信號，透過頻譜分 析(xi)儀(yi)搭(da)配(pei)天(tian)線(xian)很(hen)容(rong)易(yi)偵(zhen)測(ce)目(mu)前(qian)通(tong)訊(xun)信(xin)號(hao)的(de)強(qiang)度(du)與(yu)載(zai)波(bo)的(de)頻(pin)率(lv)，例(li)如(ru)使(shi)用(yong)方(fang)向(xiang)性(xing)天(tian)線(xian)
，二(er)組(zu)量(liang)測(ce)設(she)備(bei)便(bian)能(neng)找(zhao)出(chu)信(xin)號(hao)源(yuan)
，這(zhe)也(ye)是(shi)相(xiang)關(guan)單(dan)位(wei)取(qu)締(di)非(fei)法(fa)電(dian)波(bo)（如非法地下電 台）的主要偵測技術。

依據需要可將頻譜分析儀之掃描頻寬適當地調整，例如縮小或放大，進行細微的 調tiao整zheng以yi評ping估gu受shou測ce地di區qu的de幹gan擾rao信xin號hao狀zhuang況kuang
，這zhe種zhong方fang法fa可ke做zuo為wei設she計ji某mou地di區qu通tong訊xun電dian台tai或huo各ge類lei行xing動dong通tong訊xun係xi統tong基ji地di台tai的de參can考kao。由you方fang向xiang性xing天tian線xian的de調tiao整zheng量liang所suo測ce得de的de最zui高gao信xin號hao振zhen幅fu，便bian可ke yitianxiandefangxiangxingpandingxinhaoyuanfangxiang，ruopeihelinjindelingyizujiancezhuangzhi，youliangzutianxianfangxiangdejiaochadianjiukedechuxinhaoyuandeweizhi

，lijikezhencedezhifasheyuandeweizhi，yizhezhongfangfa，tou 過更多組的量測將可準確得到發射源。

有線電視影像資訊的量測

有線電視（CATV）是透過同軸電纜或光纜電纜等纜線傳送視訊到用戶家中。 由於科技的發展，為了減少挖馬路埋設纜線的施工困難度並降低成本
，已有廠商提議開放微波傳送或透過衛星以對點（Spot）的方式將訊號傳送到用戶家中
，目 前北美已有服務供應商針對北加州用戶發射具有150個視訊頻道的衛星訊號。因此纜線
、微波與衛星傳送視訊的方式已並存應用於市場上，提供收視戶更多元化的 選擇。

CATV係統 的主要功能是傳送影像節目與數據資料，並保持係統的正常運作，傳輸100個左右或更多頻道視訊
，以及用戶終端資料檢索控製信號的適時反應等雙向互動式服務 等功能。在CATV係統中包括種類繁多的視訊信號
，例如電壓與電流振幅
、增益、頻率及功率等
，其中增益、功率大多以對數值表示之。而射頻信號的振幅、頻率 可由一般儀器（如示波器）量測得之，信號相位（Phase）則由向量示波器（Vector Scope）量測，所謂向量示波器是具有極穩定之環形時基示波器
，可用於核對兩信號間的時間延遲。而頻譜分析儀正是CATV信號量測不可或缺的電子設備。

天線特性的量測

頻譜分析儀除了量測空氣中的信號強度振幅外，隻要搭配橋接器 （Bridger）也能量測反射損失（Return loss）。由(you)於(yu)行(xing)動(dong)電(dian)話(hua)的(de)普(pu)及(ji)，基(ji)地(di)台(tai)在(zai)城(cheng)市(shi)中(zhong)數(shu)量(liang)相(xiang)當(dang)多(duo)，由(you)於(yu)電(dian)磁(ci)輻(fu)射(she)傷(shang)害(hai)的(de)疑(yi)慮(lv)一(yi)直(zhi)困(kun)擾(rao)著(zhe)使(shi)用(yong)者(zhe)
，因(yin)此(ci)，電(dian)磁(ci)波(bo)強(qiang)度(du)量(liang)測(ce)已(yi)逐(zhu)漸(jian)被(bei)大(da)家(jia)重(zhong)視(shi)。頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi) 儀也可針對天線輻射強度或任意空間電磁強度進行量測。

頻譜分析儀之使用

對於測量的可測與不可測與否，完全取決於頻譜分析儀的設定。這包括了對衰減器、頻率範圍與解析度頻寬的設置。頻譜分析儀的設定包括頻率範圍、解析度和動態範圍，動態範圍又涉及最大輸入功率即燒毀功率
，增益壓縮使小於1W的輸入信 號一旦超過線性工作區域便會出現誤差。此外靈敏度也是考慮頻譜分析儀對輸入信號可測與否的關鍵。

參數頻率範圍要從兩個方麵觀察
，一是頻率範圍的設定是否夠窄，以具有足夠的 頻率分辨能力，也就是夠窄的掃頻寬度。二是頻率範圍是否有足夠的寬度，是否可以測到第二次
、第三次諧波。當用頻譜分析儀測量一個放大器諧波失真的時候，若 放大器為1GHz，則它的三次諧波就是3GHz，這就是要考慮頻率範圍的最大可測寬度。如果頻譜儀是1.8GHz，就不能進行量測，如果頻譜分析儀是 26.5GHz，就可以測到它的第三，第四次諧波。

解(jie)析(xi)度(du)也(ye)是(shi)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)中(zhong)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)參(can)數(shu)設(she)定(ding)。解(jie)析(xi)度(du)表(biao)示(shi)當(dang)要(yao)測(ce)量(liang)兩(liang)個(ge)頻(pin)率(lv)的(de)功(gong)率(lv)不(bu)一(yi)樣(yang)時(shi)，必(bi)須(xu)將(jiang)它(ta)們(men)區(qu)分(fen)開(kai)來(lai)。將(jiang)中(zhong)頻(pin)頻(pin)寬(kuan)設(she)置(zhi)成(cheng)三(san)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)寬(kuan)度(du)，下(xia)麵(mian)所(suo)對(dui)應(ying)的(de)就(jiu)是(shi)在(zai)這(zhe)一(yi)頻(pin)寬(kuan)設(she)置(zhi)時(shi)所(suo)看(kan)到(dao)的(de)曲(qu)線(xian)。中(zhong)頻(pin)頻(pin)寬(kuan)越(yue)窄(zhai)則(ze)解(jie)析(xi)度(du)越(yue)高(gao)，中(zhong)頻(pin)頻(pin)寬(kuan)越(yue)寬(kuan)則(ze)解(jie)析(xi)度(du)越(yue)低(di)。解(jie)析(xi)度(du)頻(pin)寬(kuan)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)到(dao)微(wei)小(xiao)信(xin)號(hao)的(de)識(shi)別(bie)能(neng)力(li)和(he)測(ce)量(liang)的(de)結(jie)果(guo)。

本(ben)文(wen)簡(jian)單(dan)介(jie)紹(shao)了(le)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)的(de)應(ying)用(yong)與(yu)運(yun)作(zuo)，在(zai)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)，頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)都(dou)是(shi)工(gong)程(cheng)師(shi)的(de)好(hao)幫(bang)手(shou)。而(er)頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)的(de)最(zui)佳(jia)狀(zhuang)態(tai)是(shi)由(you)許(xu)多(duo)因(yin)素(su)與(yu)參(can)數(shu)所(suo)決(jue)定(ding)
，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)全(quan)盤(pan)考(kao)量(liang)，而(er)非(fei)追(zhui)求(qiu)單(dan)一(yi)指(zhi)標(biao)的(de)完(wan)美(mei)，對(dui)各(ge)種(zhong)基(ji)本(ben)因(yin)素(su)與(yu)測(ce)量(liang)類(lei)型(xing)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)，才(cai)能(neng)達(da)到(dao)趨(qu)於(yu)完(wan)美(mei)的(de)量(liang)測(ce)結(jie)果(guo)。