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仪器大不同（一） ─ 频谱分析仪种类介绍

在通信上，量测频率中有一项工作室检测信号在频域的情况。而频谱分析仪就是为了这个目的而研发出来的仪器，并且被广泛使用在测量通信的参数，如average noise level、dynamic range、frequency range或是其它。除此之外，还可以利用在时域的量测，像是测量传输输出功率等项目。

依功能来区分，可以将频谱分析仪想成：计频器 + 功率计。因为计频器只能量测讯号的频率，而功率计只能量测讯号的功率，若两者要同时得到，频谱分析仪就可以达到此目地。

如果要*地分析且清楚一个信号的特性，除了使用示波器从时域 （Time Domain）去观察信号外，还需要从频率的角度（简称频域：Frequency Domain）去分析信号。只用示波器来观察信号并不能看出信号全部真正的面貌，只能看到组成之后的波形；例如方波，它其实是经过许多信号的累积而形成的一种信号。

图1 时域与频域的差异

在射频电路中可能会有放大器（Amplifier）、振荡器（Oscillator）、混频器（Mixer）、滤波器（Filter）等电路组件，单纯只用示波器来观察的话，根本无法察觉该组件在电路中的变化，这时候就必须使用频谱分析仪，分析其频率响应来说明电路的特性。图1说明了时域与频域上的差别。

频谱分析仪的种类

频谱分析仪一般而言分成两种类型，Real Time频谱分析仪（SA）与Sweep Tuned频谱分析仪两种类型。

Real Time频谱分析仪（SA）

这类型的SA称为实时性频谱分析仪，顾名思义是能立即把信号滤出来，所以它使用了许多平行架构的滤波器来分布在所有的频宽范围中，而信号一经输入之后没有Delay就能马上表示出来，如图2所示，为实时性频谱分析仪的架构。

实时性频谱分析仪的好处即是可以立即的将信号滤出来，而且Filter的频宽可以依照不同的span来作调整与改变，不过这类型的频谱仪，zui大的问题在于因为它使用大量的滤波器来作实时处理，所以价格非常昂贵，且频宽都不会很高，一般而言约10MHz-30MHz左右。

图2 实时性频谱分析仪的架构

Sweep Tuned频谱分析仪

在这类型的频谱分析仪当中，又可区分为两大类，RF调谐方式、超外差扫描方式。

（A）RF调谐方式

图3所示的为RF调谐方式架构而成的频谱分析仪方块图，它是使用一个带通可调的滤波器（Tunable Filter），由一扫描仪来调变期带通宽度，进而使得相关的频率信号通过并加至垂直偏向版（即CRT中的横轴），而CRT中的水平轴受扫描仪频率同步的控制，使不同的频率信号在水平轴上分别对应地呈现。

使用此种方式构成的频谱分析仪较为简单，能包含较广的频率范围且价格便宜，但是灵敏度与频率特性等效能较差，且滤波器的带宽固定，即频率的分辨率无法改变。由于此种调谐型的频谱分析仪较为经济以及所能测量的频率范围较广，故早期的微波频带的频谱分析常常使用这一方式；但是较可惜的，因为此种方式是以扫瞄器来调变滤波器的带通，故扫描仪的扫描速度不能太快，通常在数个MHz/s左右，当扫描超出这个比值，滤波器对于信号的响应尚未达到100%时，滤波器的带通范围已经改变，所以所测出的值往往会较小于原来的信号而不准确。

图3 RF调谐方式的频谱分析仪架构

（B）超外差式频谱分析仪

由于调谐式的频谱分析仪的灵敏度与准确性不高，所以目前使用zui广的频谱分析仪是超外差式的频谱分析仪，如图4。此种方式乃将输入滤波器的带通固定，使用一个频率可变的本地振荡器（Local Oscillator），使之产生随着时间而作线性变化的振荡频率。将此可变的振荡频率与输入信号在混波器（Mixer）混合后，产生一中频。此中频成为接收机的输出，加至屏幕的垂直偏向版（横轴），且巨齿波电压亦同时加至水平偏向板（纵轴），结果在屏幕上显示出的信号为频率与振幅的对应关系。现在就根据图4中每一个单元作简单的介绍：

图4 超外差式频谱分析仪架构

1. 衰减器（Input Attenuator）：因为混波器的RF输入zui大线性范围有限，这对一般的量测是不够用的，因此必须将过大的信号预先衰减到混波器的RF输入线性范围。经过混波器之后，在利用放大器将之还原。但这种架构会造成频谱分析仪上的显示噪声位准，随着衰减器的值而起伏。
2. 混波器（Mixer）：RF信号与本地振荡器（LO）信号经过混波器之后，会产生许多两者之间频率倍数相加减的信号。而当输入信号与本地振荡器经过混频之后，会产生三种中频的可能（或者更多），可用以下公式来求出所要的正确中频信号：

从（1）式来看， 所产生的中频频率远高过频谱分析仪内中频滤波器的协振频率，故不能为此仪器所接受。而（3）式所产生之中频，其输入信号之频率 必须比 高，所以此种 信号比振荡频率 高的射频就会被排除在外。故zui后只有第（2）式中所产生之中频才为政确之中频信号。

1. 解析频宽（Resolution Bandwidth, RBW）滤波器：RBW滤波器也称中频滤波器，他的作用是将RF频率与本地振荡频率相检的信号，也就是所谓的IF信号，由混波器产生的众多频率中过滤出来。使用者可藉由频谱分析一面板上的RBW控制钮选择不同的3dB频宽的RBW滤波器。由图5中可看出，RBW设的愈窄，所观察到的频率分布就越细微，也降低了噪声位准。

图5 不同的RBW与噪声位准关系

1. 电压控制振荡器（VCO）：频谱分析仪上VCO的频率，必须由高于zui高输入频率延伸到至少zui高输入频率两倍的频率以上。对工作在1GHz以上的频谱分析仪而言，这就代表着振荡器至少要由1GHz到3GHz。在实际的设计中，大多数为2GHz到3.5GHz左右。这种频率范围通常需要具有调谐电路的振荡器，而非低频振荡器中典型的线圈与电容。
2. 检波器（Detector）：我们若直接将中频信号输出到屏幕上，会造成一团杂波。所以必须透过检波器，将中频的AC信号振幅转换为直流偏压，再输出到屏幕行程相对的传值偏向，已呈现各个频率的大小。现行的频谱分析仪，大多以数字取样的方式，将波型呈现在屏幕上。
3. 视讯频宽（Video Bandwidth, VBW）：中频振幅的直流偏压送到屏幕之前，还要经过视讯滤波器。它是一个低通滤波器，可将屏幕的垂直偏压变化变的比较平缓。

一般来说，超外差式的频谱分析仪混频之后因为中频放大的缘故，可以得到较大的灵敏度，且改变中频滤波器的频带宽度，能够很容易的改变频率的分辨率。但由于超外差式的频谱分析仪是在频袋内扫描的缘故，因此无法得到实时性（Real Time）的分析（瞬间分析全部频谱），除非要使扫描时间趋近于零。况且，若使用比中频滤波器的时间常数小的扫描时间来扫描的话，则无法得到信号的正确振幅（即功率），因此想要提高频谱分析仪的频率分辨率，且要得到的响应，扫描的速度要调整的很适当。

由上面的理由可以得之，在超外差的频谱分析仪中，较无法分析瞬时信号（Transient Signal）或单一脉冲信号（Impulse），而主要应用在测试周期性讯号或者其它离散讯号。