所有電子設計工程師和科學家都曾執行過電氣訊號分析，簡稱訊號分析。透過這項基本量測，他們可洞察訊號細節并獲得重要的訊號特性資訊。不過訊號分析的成效，主要取決于量測儀器的效能，而頻譜分析儀與向量訊號分析儀是兩種最常用于電氣訊號分析的測試設備。

　　頻譜分析儀是廣為使用的多用途量測工具，可量測輸出訊號相較于頻率的大小（magnitude），以便瞭解已知和未知訊號的頻譜功率。向量訊號分析儀則可同時量測分析儀中頻（IF）頻寬之輸出訊號的大小與相位，并經常用來對已知訊號執行通道內量測，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分析儀是兩種各自獨立的儀器，但隨著量測技術不斷突飛勐進，量測設備商現在已可將它們整合于一機，并通稱為頻譜分析儀。

　　利用這類分析儀提供的強大量測與分析功能，工程師可快速而全面地洞察他們開發設計的元件或系統。為了善用頻譜分析儀的各項功能，使用者必須瞭解其運作方式，以全面滿足特定應用的量測需求。

　　認識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，還需認識頻譜分析的基本運作塬理。過去，示波器通常被用來執行時域量測，以便觀察電氣訊號在某一段時間內的變化，但這樣并無法窺探訊號的全貌。為了充分掌握元件或系統的效能，工程師必須在頻域中分析訊號，而這正是頻譜分析儀的工作。不過，隨著數位技術大幅躍進，各種儀器間的分野已不再那么涇渭分明。例如，有些示波器現在也可執行向量訊號分析，而訊號分析儀則開始提供多項時域量測功能。雖然如此，示波器還是最適合用來執行時域量測，訊號分析儀則是最理想的頻域量測工具。

　　在頻域中，如果訊號涵蓋一個以上的頻率，頻譜分析儀會依照頻率將其劃分為一個一個的頻譜，并且顯示各個頻率中的訊號位準。此時，使用頻域量測技術有許多好處。比方說，頻譜分析儀可以清楚分辨示波器無法辨識的訊號資訊。此外，使用頻譜分析儀量測訊號時，使用者可將量測頻寬調窄，以大幅減少雜訊。由于現在很多系統都是在頻域中運作，因此儀器必須能夠在頻域中分析訊號，以避免受到鄰近通道頻率的干擾。

　　執行頻域量測時，工程師只需一臺頻譜分析儀，便可輕易量測訊號的頻率、功率、諧波內容、調變、突波以及雜訊。完成前述量測后，工程師便可確認總諧波失真、佔用頻寬、訊號穩定度、輸出功率、交互調變失真、功率頻寬、載波雜訊比，以及其他各種量測結果。

　　快速傅立葉轉換（FFT）分析儀或掃描調諧（swept-tuned）分析儀，都是執行頻域量測（或頻譜分析）的理想工具。FFT分析儀可擷取一段時域訊號，并使用數位取樣技術將訊號轉為數位訊號，接著再執行必要的數學運算將其轉換為頻域訊號，最后在螢幕中顯示頻譜分布圖。此外，FFT分析儀提供即時訊號顯示功能，因此可擷取定期、隨機及暫態訊號，并可量測訊號的相位與大小。相較之下，掃描調諧分析儀可掃描工程師亟欲觀測的整個頻率範圍，以便檢視所有頻率中的訊號。如此一來，工程師可在更寬的動態範圍與頻率範圍中執行量測。掃描調諧分析儀是工程師最愛用，也是用途最廣的頻域量測工具。

　　不論是FFT分析儀或掃描調諧分析儀，都可用于頻譜監測、雜波放射、純量網路分析，以及電磁干擾等各式各樣的量測應用，以便量測頻率、功率調變、失真，以及雜訊等。這些分析儀支援3 Hz至325 Hz以上的頻率範圍，動態範圍可達-172 dBm至+30 dBm。

　　剖析頻譜分析儀內部結構

　　為了瞭解頻譜分析儀的運作塬理，我們需剖析其內部硬體結構。圖一顯示傳統的掃描調諧分析儀的主要組成元件。本文稍后我們將看到，現代訊號分析儀已將其中的類比硬體元件，全面更換為數位電路，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作塬理。

　　

圖一 傳統掃描頻譜分析儀方塊圖

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

　　此外，上圖顯示的IF濾波器是帶通濾波器，可作為偵測訊號的「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設定，因此使用者可在不同的掃描與訊號狀況下獲得最佳量測結果，并且獲致出色的頻率選擇性（selectivity）、訊號雜訊比（SNR），以及量測速度。一般而言，將RBW調窄，有助于提昇選擇性與SNR特性，因而可觀察到更細微的頻率分布，但掃描速度與軌跡更新率會因而下滑。最佳的RBW設定與訊號特性息息相關。

　　檢波器可將分析儀的IF訊號轉換為基頻或視訊訊號，以便進一步將其轉為可在LCD螢幕上檢視的數位訊號。藉由搭配使用波封檢波器（envelope detector）與類比數位轉換器（ADC），使用者可將視訊輸出訊號轉成數位訊號，并且在分析儀顯示器的Y軸上呈現訊號大小。

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

　　如需同時顯示訊號與雜訊的話，正常（Rosenfell）模式是最理想的偵測模式，因為這個「智慧型」偵測模式會隨著輸入訊號的不同而動態地改變偵測方式。如果訊號在分段持續過程中上升又下降，則可假設此訊號為雜訊，因而輪流使用正、負偵測模式。如果過程中訊號一直上升，則推斷其為正常訊號，并使用正峰值偵測模式。

　　使用者可用平均偵測與視訊濾波等方式，將波封偵測振幅（envelope-detected amplitude）的變異進行平滑處理。平均偵測使用在bin時間間隔中收集到的所有資料來進行平滑處理。這項功能可有效地量測數位調變訊號中的雜訊或類雜訊訊號。工程師通常使用真均方根（RMS）檢波器來執行功率平均偵測，例如量測復雜訊號的功率。

　　視訊濾波器是位在波封檢波器之后，類比數位轉換器之前的低通濾波器。這項元件可確認視訊放大器的頻寬，并可用來將螢幕顯示的曲線平均化或平滑化。藉由改變視訊頻寬（VBW）設定，您可降低頻譜分析儀雜訊的峰值對峰值（peak-to-peak）變異，因此可以輕易發現被雜訊掩蓋掉的訊號。

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

　　曲線平均功能可逐點平均兩個或多個頻率掃描，并將每個顯示點上的新值，與已經平均過的資料再重新進行平均處理，最后顯示的曲線會逐漸與多個掃描之平均曲線融合。曲線平均處理不會影響掃描時間。

　　認識頻譜分析儀的規格

　　使用頻譜分析儀之前，請先瞭解其規格，確保該儀器能提供您需要的量測效能。確認了規格后，您便可預測分析儀在特定量測狀況下的執行效能，以及量測結果的準確度。下面介紹主要的頻譜分析儀規格：

　　˙頻率範圍

　　頻率範圍是分析儀量測某一段頻率的範圍。請確認您的頻譜分析儀涵蓋量測應用所需的基本頻率範圍，并且確認儀器是否支援高頻的諧波或突波訊號，或是低頻的基頻與中頻（IF）訊號。

　　˙頻率準確度

　　˙頻率範圍

　　頻率範圍是分析儀量測某一段頻率的範圍。請確認您的頻譜分析儀涵蓋量測應用所需的基本頻率範圍，并且確認儀器是否支援高頻的諧波或突波訊號，或是低頻的基頻與中頻（IF）訊號。

　　˙頻率準確度

　　˙解析度

　　頻譜分析儀的解析度，是指儀器分辨兩個一樣大小之相鄰訊號的能力。當RBW愈寬，就愈難分辨兩個相鄰的訊號。RBW濾波器的頻寬大小，關係著分析儀是否能夠分辨兩個等幅訊號，例如濾波器頻寬如為3-dB，則兩個訊號之間的間隔必須大于或等于3-dB。

　　

圖二 在此雙音調（two-tone）測試中，兩個相鄰的訊號間隔10 kHz。

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

　　好在工程師所分析的訊號大小通常都不一樣。由于兩個訊號會同時描繪（trace out）濾波器形狀（filter shape），因此較小的訊號可能會被掩蓋在較大訊號的濾波器邊緣。當訊號大小的差異愈大，出現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，是決定兩個不同大小之相鄰訊號，是否可被清楚分辨的重要因素。將RBW設得愈窄，頻譜分析儀的解析度就愈高，但這樣卻會拉長整體頻率掃描時間，因為RBW濾波器需要一段時間來達到完全響應。具有自動耦合掃描時間的頻譜分析儀，可依據選定的頻距、RBW和VBW，來自動選擇所允許的最快掃描時間。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試環境下能夠接收微小訊號的能力。所有接收器（包括頻譜分析儀）多多少少都會有一些內部產生的雜訊，而頻譜分析儀的靈敏度以RBW設為最低時之顯示平均雜訊位準（DANL）來表示，單位為dBm。

　　DANL亦即儀器在特定頻寬下的雜訊位準。如果輸入訊號低于雜訊位準時，我們就無法用頻譜分析儀量這個微小訊號。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，請將RBW設為最低、充分進行平均處理、將射頻輸入衰減設到最小，并且使用前置放大器。不過提高頻譜分析儀的靈敏度，可能會與降到失真或是增加動態範圍等其他量測需求相衝突。

　　˙失真

　　叁階交互調變與諧波失真等失真量測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產生失真，因而導致量測誤差。如果頻譜分析儀內部失真的程度與DUT之外部失真不相上下，量測誤差便會增加。在最糟狀況下，內部失真可能會完全蓋過DUT的失真。儀器製造商可直接設定頻譜分析儀的失真程度，或是與動態範圍規格整併在一起。

　　

圖叁 二階失真會以基礎訊號增量的平方增加，而叁階失真則以立方增加。

??????? 叁階截斷點（TOI）是評量頻譜分析儀是否能夠處理大訊號而且不會失真的指標。TOI較高的分析儀，通常可以提供絕佳動態範圍與準確度，以便量測失真與雜訊

　　在進行量測之前，使用者須先確認分析儀產生的失真是否會影響量測結果。例如，在執行雙音調測試時，指定儀器的失真產物（叁階失真）大于50 dB，而二階失真（諧波失真）大于40 dB。這些數值可作為分析儀必備的最低規格。為減少內部失真所導致的量測誤差，內部失真必須比測試規格小很多。

　　圖叁顯示非線性元件的失真。為了確認失真到底是由分析儀內部所產生，亦或是DUT所導致，我們需進行衰減測試。首先將射頻輸入訊號衰減10dB，如果螢幕中失真產物的大小沒變，那就可確定是DUT所產生的失真。但如果螢幕顯示的訊號大小改變了，那么失真可能有一部分是訊號分析儀內部所產生的，而非完全是DUT所致。

　　˙動態范圍

　　頻譜分析儀的動態範圍是指在一次量測中可測得的最大與最小訊號的差值，因而可量測到更小的不確定性，如圖四所示。動態範圍的單位為dB。分析儀的動態範圍是指可以可靠地執行訊號量測的範圍。動態範圍經常被誤解與誤判，因為儀器的顯示範圍、量測範圍、雜訊位準、相位雜訊，以及突波響應，都對于動態範圍影響甚鉅，如圖五所示。

　

　圖四 您可用圖形方式呈現動態範圍。

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??????? 本圖顯示在同一動態範圍圖中的訊號對雜訊（signal-to-noise）和訊號對失真（signal-to-distortion）曲線。當不同曲線相交時，亦即內部產生的失真位準等于顯示平均雜訊位準（DANL），則動態範圍最大。這一點同時也是最大混頻器位準。

　　為了獲得最佳的動態範圍，請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，并徹底執行平均處理的機型。請持續衰減輸入訊號并查看訊號大小是否改變，以確認分析儀的失真情形。接著，請在不改變訊號大小的狀況下將衰減器設為最低。

　　

圖五 圖中顯示各個動態範圍的定義，

　　藉此工程師可得知道哪一種動態範圍最適合哪一個特定應用

　　現代訊號分析儀

　　傳統的頻譜分析儀無法因應現代數位調變無線系統的測試需求，而新型分析儀的問市，則滿足了

　　這類系統的通道功率測試、解調變量測等新型態測試需求。此外，新式頻譜分析儀擁有齊備的功

　　能，可支援更廣泛的標準與特性，例如出色的振幅準確度、頻距和頻率準確度、修正係數，以及

　　限制線（limit line）、測試余裕，及通過/不通過指示等等，因此可有效執行前述測試。有些機型甚至

　　提供即時訊號擷取功能，以便在一段時間內，擷取與某一訊號相關之所有資訊。

　　

圖六 現代頻譜分析儀之基本架構方塊圖，本圖為Agilent X 系列訊號分析儀之方塊圖

　　相較于傳統的頻譜分析儀，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。新型分析儀的全數位化IF濾波器可用嶄新方式處理訊號，進而大幅提昇準確度、動態範圍及速度。

　　其內建的數位訊號處理器（DSP）讓分析儀能夠量測日益復雜的訊號，同時也進一步增加動態範圍與準確度，并且加快掃描速度。在需要更大動態範圍時，可透過掃描分析模式處理訊號，但如需在窄小頻寬中快速進行掃描的話，則可使用FFT分析模式處理訊號。

　　更重要的是，新型頻譜分析儀提供內建的單鍵式功率量測功能，包含佔用頻寬、通道功率，以及相鄰通道功率等量測功能，并支援適合不同特定應用的量測軟體，因此可針對一般測試應用提供單鍵式量測、靈活地進行數位調變分析，并且提供功率與數位調變量測功能，以滿足無線通訊應用的量測需求。

　　這類新機型還增強了顯示功能，例如聲譜圖（spectrogram）功能可分析隨時間變化的訊號頻譜，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基頻與射頻訊號間的差距，如圖七所示。此外，新型頻譜分析儀提供寬頻訊號分析能力，非常適合用于頻寬高達幾百MHz的高速航太與國防、新興通訊和蜂巢式行動通訊應用。

　　

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

　　結語

　　訊號分析儀是量測與分析各種元件與系統之特性的絕佳工具。如欲善用訊號分析儀來準確量測訊號并且適當地解讀與分析量測結果，您需對其運作塬理與特性有基本的認識。