在高科技世界中，高速通訊網路技術包括電子、通訊和光電領域，正因為投入通訊領域的廠商眾多，在激烈的市場競爭環境下，研發工程師也因為產品上市時程的壓力，進而需快速精確地完成量測作業。也因此，這些工程師非常需要能滿足通訊產品射頻量測要求和故障排除的工具。

一般來說，通訊量測儀器大致可分為四類。在光電測量測儀器方面包括光頻譜分析儀、可變波長光源、光功率計、光時域分析儀、EDFA/DWDM測試設備。在無線通訊量測方面包括網路分析儀、頻譜分析儀、計頻器、功率計。在有線數位通信方面包括SDH/SONET/ATM分析儀、誤碼率測試儀。最後針對行動通訊則有基地台測試器，以及2G/3G行動通信量測綜合測試儀，可測試包含GSM、PHS、DECT、PDC、CDMA、W-CDMA等行動通訊系統，以及短距離的藍牙等無線傳輸測試儀。

頻譜分析儀應用優勢

無線通訊量測之專用儀器包括頻譜分析儀、計頻器與功率計等。一般來說，無線通訊射頻頻率涵蓋範圍可從500KHz到300GHz。在如此寬的頻譜中，依據所應用之無線通訊技術不同而佔用不同頻率範圍。針對無線通訊射頻量測，常用的頻譜分析儀基本量測項目包括頻率及功率兩個主要項目。一旦頻率量測值的準確度不足，便會與其它頻道的使用者互相干擾，而功率的量測也很重要，功率不足將造成斷訊，功率若是太強也會造成干擾問題的產生。因此，若依功能區分，便可了解頻譜分析儀相當於計頻器與功率計兩者的整合。畢竟計頻器只能量測訊號頻率，而功率計也只能量測訊號功率，若需要兩者同時進行量測，便需要使用頻譜分析儀。因此，頻譜分析儀對射頻研發人員來說是不可缺少的測試工具，本文也將針對無線通訊射頻量測專用之頻譜分析儀進行介紹。

工程師都知道，示波器是針對時域量測極為重要且有效的工具，它能直接顯示信號波幅、頻率、週期、波形與相位之響應變化，但它僅侷限於低頻信號，對於高頻信號量測則有困難，而頻譜分析儀正可彌補此缺失，同時將一個含有許多頻率的信號，以頻域方式呈現，以方便識別各個頻率的功率裝置，並顯示信號在頻域裡的特性。針對高頻信號領域，頻譜分析儀為一適當而必備的量測儀器，頻譜分析儀的主要功能是量測信號的頻率響應，橫軸代表頻率，縱軸代表信號功率或電壓的數值，可用線性或對數刻度顯示量測的結果。另外它的信號追蹤產生器（Tracking Generator）可直接量測待測件（Device Under Test；DUT）的頻率響應特性，缺點在於但它只能量測振幅而無法量測相位。

頻譜分析儀分類

頻譜分析儀被稱為工程師稱之為射頻量測的萬用電錶，分有傳統頻譜分析儀與現代頻譜分析儀兩種。

傳統頻譜分析儀

傳統的頻譜分析儀的前端電路是在一定頻寬內可調諧的接收器，輸入信號經變頻器變頻後，由低通濾波器輸出，濾波輸出作為垂直分量，頻率作為水平分量，如此便可在示波器螢幕上繪出座標圖，這就是輸入信號的頻譜圖。由於變頻器可以達到很寬頻率（30Hz～30GHz），若與外部混頻器配合更可擴展到100GHz以上，因此頻譜分析儀是頻率覆蓋範圍最寬的測量儀器之一。無論測量連續信號或調變信號，頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是,傳統的頻譜分析儀也有明顯的缺點，它只能測量頻率的幅度，卻缺少相位資訊，因此屬於標量儀器而不是向量儀器。

現代頻譜分析儀

基於快速傅立葉變換（FFT）的現代頻譜分析儀，透過傅立葉運算將被測信號分解成獨立的頻率分量，進而達到與傳統頻譜分析儀相同的結果。這類新型頻譜分析儀採用數位方法直接由類比數位轉換器（ADC）對輸入信號取樣，再經FFT處理後獲得頻譜圖。

在這類頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高解析度，對信號進行資料取得時，ADC的取樣率最少等於輸入信號最高頻率的兩倍，亦即頻率上限為100MHz的即時頻譜分析儀需要ADC有200Msps的取樣率。

應用領域

頻譜分析儀的應用領域相當廣泛，諸如衛星接收系統、無線電通信系統、行動電話系統基地台輻射場強的量測、電磁干擾等高頻信號的偵測與分析，同時也是研究信號成份、信號失真度、信號衰減量、電子組件增益等特性的主要儀器。

頻譜分析儀架構猶如時域用途的示波器，許多功能控制按鍵可作為系統功能之調整與控制，而系統的主要功能是在頻域裡顯示輸入信號的頻譜特性。頻譜分析儀依信號處理方式不同分為兩類，一是即時頻譜分析儀（Real-Time Spectrum Analyzer），另一則是掃瞄調諧頻譜分析儀（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）。即時頻率分析儀的功能是在同一瞬間顯示頻域的信號振幅，其工作原理是針對不同頻率的信號具有相對應的濾波器與檢知器（Detector），再經由同步多工掃瞄器將信號傳送到CRT螢幕上。主要優點在於擁有顯示週期性雜散波（Periodic Random Waves）瞬間反應的能力，但缺點則是價格昂貴，且其性能受限於頻寬範圍、濾波器數目與最大多工交換時間（Switching Time）等特性。

掃瞄調諧頻譜分析儀是最常用的頻譜分析儀類型，其基本結構與超外差式接收器雷同，工作原理則是輸入信號經由衰減器直接外加至混波器，可調變的本地振盪器，經CRT同步掃瞄產生器產生隨時間不同而進行線性變化的振盪頻率，再經由混波器與輸入信號混波降頻後的中頻信號再放大、濾波與檢波同時傳送至CRT垂直方向板，因此在CRT縱軸可顯示信號振幅與頻率的相對應關係。

影響信號反應的重要部份為濾波器頻寬。濾波器之特性為高斯濾波器（Gaussian-Shaped Filter），影響的功能就是量測時常見到的解析頻寬（Resolution Bandwidth；RBW)。RBW代表兩種不同頻率的信號能夠清楚分辨的最低頻寬差異，當兩個不同頻率的信號頻寬低於頻譜分析儀的RBW值時，此時兩信號將重疊而無法分辨，較低RBW有助於不同頻率信號的分辨與量測，可濾除高頻信號，但將導致信號顯示時產生失真；而較高RBW值有助於寬頻帶信號的偵測，可增加雜訊底層值（Noise Floor），並降低量測靈敏度，但對於偵測低強度的信號則易產生干擾，因此正確的RBW寬度將是頻譜分析儀使用的最重要概念。

頻譜分析儀訊息處理

在量測高頻信號時，外差式頻譜分析儀混波以後的中頻因為放大的原因，因此能獲得較高靈敏度，同時改變中頻濾波器的頻寬也能容易改變頻率解析度，但由於超外差式頻譜分析儀是在頻帶內掃瞄，因此除非使掃瞄時間趨近於零，否則無法得到輸入信號的即時反應。若欲得到與即時分析儀性能一致的超外差式頻譜分析儀，掃瞄速度便需非常快，此時若使用比中頻濾波器時間常數還小的掃瞄時間來掃瞄，將無法正確獲得信號振幅。因此若要提高頻譜分析儀之頻率解析度，同時獲得準確的響應，便需要適當的掃瞄速度。由此可知超外差式頻譜分析儀無法分析瞬間信號（Transient Signal）或脈衝信號（Impulse Signal）的頻譜，主要是應用於測試週期性的信號，以及其它雜散信號（Random Signal）的頻譜。

頻譜分析儀應用領域

放大器增益、頻率響應與被動元件特性的量測

在通信系統上通常使用大量放大器與分接器（Tap）、接頭及同軸電纜等被動元件，因此元件品質將直接影響信號特性，如此一來事前的篩選對於確保信號品質將有很大幫助。透過頻譜分析儀的追蹤產生器來評估待測件（DUT）的頻率反應特性，其量測結果可由繪圖儀（Plotter）輸出。頻率的量測範圍可先設定，再擷取其對應關係曲線，如此將減少過去示波器及函數產生器必須依不同頻率逐點量測的繁瑣操作程序。利用頻譜分析儀本身追蹤產生器（Tracking Generator）的功能，所產生的掃瞄信號透過DUT傳送到頻譜分析儀的RF接收端，再經由DUT的頻率響應和短接線的量測響應相互比較，即可獲得該DUT的介入損失（Insertion Loss）。

失真度量測

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，必須透過高頻經由天線收發信號，使用頻譜分析儀配合天線相當容易偵測目前通訊信號的強度與載波的頻率，在螢幕上的信號源頻率、數量及振幅將一覽無遺。而若改用方向性天線，再使用二組量測設備，如此便能追蹤信號源，相關單位取締非法傳送電波電視透過這種方式。

正確使用頻譜分析儀

射頻功率的頻域測量是傳統頻譜分析儀和現代向量訊號分析儀的基本測試，正確的測試將可避免結果出現重大誤差，因此在配置頻譜分析儀時，必須選用頻率控制和幅度控制。

幅度控制

基準電平（Ref Level）可設置頻譜分析儀的最大輸入範圍。基準電平控制儀器的y軸參數，類似於示波器上的V/Div（電壓標示格）。基準電平應設置為比測試中估計出現之最大功率電平略高。最佳基準電平位於儀器失真和最小儀器背景造訊間的平衡點上，通常對於寬頻噪音測試，刻意設置低基準電平也有益處，好處是可以改善測試靈敏度，但容易產生儀器失真。此外，也可透過衰減器設置控制來設定儀器輸入範圍。通常這種控制設置為自動進行，如此一來軟體也可根據基準電平設置來調整衰減量。檢測模式是另一類的幅度控制，適用於傳統掃描式頻譜分析儀，而非FFT分析儀。

頻率控制

中心頻率是控制測量的中心頻率，測試頻寬定義了儀器捕捉到的總頻譜量，並以中心頻率為主。中心頻率與測試頻寬共同定義了儀器面板上的頻率範圍。

解析度頻寬（RBW）則控制頻率軸的頻率解析度。傳統頻譜分析儀透過一個窄頻濾波器在測試頻寬上進行掃描以產生頻譜並顯示。濾波器頻寬可確定頻率軸上的頻率解析度，但在FFT分析儀中並沒有類比濾波器，而是透過FFT相應的濾波窗口參數來確定頻率解析度或解析度頻寬。

在掃描式分析儀中，由於類比濾波器設定時間的影響，因此掃描時間將與RBW的平方成反比。一旦必須透過減少RBW來改善頻率解析度時，掃描時間便將呈指數增加。對於FFT訊號分析儀來說，RBW的減少所代表的是必須執行更長的採集和更多FFT運算。由於DSP元件速度持續提升，因此對更高解析度、更窄RBW的測量設備來說，FFT在測試速度方面將具有更大優勢。

結語

頻譜分析儀對於射頻量測工程師而言，是非常重要的一種量測儀器。而工程師對於使用傳統頻譜分析儀和FFT訊號分析儀進行功率與頻率測試時，也必須深入了解並掌握頻譜分析儀的基本知識，如此才可讓頻譜分析儀發揮最大功效，而非產生巨大誤差。