频谱分析仪是一种相当普遍的频域量测仪器，只要是从事RF相关行业的人员，相信或多或少都有使用过的经验，而由于量测科技的日新月异，现在的频谱分析仪增加了相当多的数位信号量测功能，在研发的过程中扮演了不可或缺的角色。本文将就频谱分析仪的基本架构作一简要的介绍。

频谱分析仪的功能与作用

基本上，频谱分析仪和无线电接收机在RF信号的处理上是大同小异的，所不同的是频谱分析仪是使用萤幕来显示量测的信号，并具备数种不同的检波器；同时，频谱分析仪还必需具备重覆锯齿波产生器，以提供频率扫瞄的功能。(图一)为简易的频谱分析仪之方块图，由此方块图我们可以知道，基本的频谱分析仪包括了输入信号衰减器、前置放大器、输入信号滤波器、混波器、中频滤波器、检波器、电压控制之本地振荡器、重覆锯齿波产生器及萤幕等基本元件。

《图一 简易频谱分析仪之方块图》

一般而言,输入的RF讯号先经过衰减器将信号的能量降低,以防止对仪器内部元件造成损害;通过衰减器的信号再经由前置放大器放大,并在通过输入信号滤波器后来到了混波器，由电压控制的本地振荡器让频谱分析仪能够很容易的改变量测频率；由输入信号滤波器输出的信号和本地振荡器的信号，在混波器混成中频信号并送往中频滤波器；而重覆锯齿波产生器同时也产生控制电压送往本地振荡器，使得频谱分析仪能够重覆的对某一特定的频段进行扫瞄，同时重覆锯齿波产生器所产生的控制电压，也做为萤幕中水平轴的控制电压。

经过中频滤波器的信号继续送往检波器，检波器将中频滤波器所输出的正弦波信号依照一定的比例转换为一直流电压，此电压即作为萤幕中垂直轴的控制电压，在本地振荡器扫瞄的同时，中频信号的位准将会被检波器侦测并显示在萤幕上，也就是我们平常在频谱分析仪上所看到的振幅相对于频率的量测信号。

频谱分析仪内部结构

由于量测科技的进步，现代的频谱分析仪内有不少的类比线路已由数位线路取代，并大量使用DSP以提升量测信号的处理速度，例如检波器的输出通常是由仪器内部微处理机所控制的ADC(类比/数位转换器)进行量测，有些频谱分析仪甚至将ADC建立在中频部分(如Rohde & Schwarz的FSE/及FSIQ和FSP系列)，因此解析频宽(RBW)的设定即可以数位方式对中频滤波器进行处理。

微处理机接收仪器各部位传送的数位信号，并经过处理后显示在萤幕上，如同一台小型的电脑。但即使数位信号处理的技术如此进步，在频谱分析仪内，类比元件仍旧有其不可取代的地位，如前置放大器、混波器及本地振荡器等，使用类比元件的优点在于可使频谱分析仪量测更高频的RF信号，在高频的频谱分析仪内均使用YIG振荡器做为本地振荡，以产生更高频的本地振荡信号(通常均为数十GHz)，由于类比元件对高频信号的处理能力是数位元件所望其项背的，因此在频谱分析仪内，类比元件仍有其不可替代的重要性。

解析频宽与扫描时间

当量测信号显示在频谱分析仪的萤幕后，使用者通常会依据量测上的需要，更改仪器的设定，例如解析频宽(Resolution Bandwidth)、影像频宽(Video Bandwidth)等，(图二)说明了解析频宽及影像频宽在频谱分析仪内部相关的部位，由图二可知，在更改解析频宽时，其实就是在更改中频滤波器的频宽；而更改影像频宽时，即是在更改影像滤波器的频宽。

《图二 解析和影像带宽滤波器在频谱分析仪内的位置》

而扫瞄时间的变化则和解析频宽有关，所有的频谱分析仪都无法进行规格范围之外的扫瞄，例如扫瞄时间太快而中频滤波器的频宽太窄，造成中频滤波器没有足够的时间反应，随之而来的则是量测结果会有非常大的误差，因此扫瞄时间必需随着中频频宽变化，一般来说，扫瞄时间可由以下的公式来决定：

扫描时间 = BW 2/ k

其中BW为中频频宽，k为中频滤波器的Filter Shape(通常k=2)，因此扫瞄时间会随着中频频宽的二次方成正比，但扫瞄时间的变化可能也会因仪器而不同，如本地振荡器的扫瞄速度。

由于降低中频滤波器的频宽会导致扫瞄时间的增加，直接影响到量测的速度，如频谱分析仪内有FFT的功能，则可用以减低量测所需的时间。

通常扫瞄时间并不由操作人员直接设定，大多数的仪器制造商均会在频谱分析仪内建立自动计算扫瞄时间的功能，在操作人员更改解析频宽的同时，扫瞄时间也会随着变动，如果操作人员设定了不正确的扫瞄时间和解析频宽，频谱分析仪内建的警告功能将会适时的提醒操作人员修改设定，以符合仪器的规格(图三)。现代的频谱分析仪更利用了微处理机自动选择最快的扫瞄时间，可避免人为设定的而产生的错误。

《图三 量测信号通过宽与窄的解析带宽滤波器情形》

同一信号通过不同影像频宽

(图四)a及(图四)b分别代表同一个信号通过不同解析频宽的情形。由图中可以发现，当解析频宽降低时，杂讯的振幅也随之降低，因为能通过中频滤波器的杂讯减少了，由于杂讯振幅的降低，一些振幅较小的信号或混于杂讯内的信号将可以被量测，但是将解析频宽降低时所付出的代价是扫瞄时间会相对的增加。

《图四 量测信号通过宽与窄的影像带宽滤波器情形》

同一个信号通过不同的影像频宽，将在萤幕上出现不同的显示结果，在频谱分析仪中，解析频宽滤波器位于检波器之前，而影像滤波器位于检波器之后，(图五)a及(图五)b分别说明了同一个量测信号通过较宽及较窄的影像滤波器的显示情形，各位可以很明显的发现，在图五b中，因为影像解析滤波器较窄，因此杂讯的变化明显的变小，几乎趋近于一直线。

现代的频谱分析仪除了文中所提到的基本的元件外，尚有追踪信号产生器(Tracking generator)，向量信号分析器(Vector analyzer)等常用的附件，针对此部分将会择期另行介绍，并希望各位业界先进不吝予以指教。