頻譜分析儀是一種相當普遍的頻域量測儀器，只要是從事RF相關行業的人員，相信或多或少都有使用過的經驗，而由於量測科技的日新月異，現在的頻譜分析儀增加了相當多的數位信號量測功能，在研發的過程中扮演了不可或缺的角色。本文將就頻譜分析儀的基本架構作一簡要的介紹。

頻譜分析儀的功能與作用

基本上，頻譜分析儀和無線電接收機在RF信號的處理上是大同小異的，所不同的是頻譜分析儀是使用螢幕來顯示量測的信號，並具備數種不同的檢波器；同時，頻譜分析儀還必需具備重覆鋸齒波產生器，以提供頻率掃瞄的功能。(圖一)為簡易的頻譜分析儀之方塊圖，由此方塊圖我們可以知道，基本的頻譜分析儀包括了輸入信號衰減器、前置放大器、輸入信號濾波器、混波器、中頻濾波器、檢波器、電壓控制之本地振盪器、重覆鋸齒波產生器及螢幕等基本元件。

《圖一　簡易頻譜分析儀之方塊圖》

一般而言，輸入的RF信號先經過衰減器將信號的能量降低，以防止對儀器內部元件造成損害；通過衰減器的信號再經由前置放大器放大，並在通過輸入信號濾波器後來到了混波器，由電壓控制的本地振盪器讓頻譜分析儀能夠很容易的改變量測頻率；由輸入信號濾波器輸出的信號和本地振盪器的信號，在混波器混成中頻信號並送往中頻濾波器；而重覆鋸齒波產生器同時也產生控制電壓送往本地振盪器，使得頻譜分析儀能夠重覆的對某一特定的頻段進行掃瞄，同時重覆鋸齒波產生器所產生的控制電壓，也做為螢幕中水平軸的控制電壓。

經過中頻濾波器的信號繼續送往檢波器，檢波器將中頻濾波器所輸出的正弦波信號依照一定的比例轉換為一直流電壓，此電壓即作為螢幕中垂直軸的控制電壓，在本地振盪器掃瞄的同時，中頻信號的位準將會被檢波器偵測並顯示在螢幕上，也就是我們平常在頻譜分析儀上所看到的振幅相對於頻率的量測信號。

頻譜分析儀內部結構

由於量測科技的進步，現代的頻譜分析儀內有不少的類比線路已由數位線路取代，並大量使用DSP以提升量測信號的處理速度，例如檢波器的輸出通常是由儀器內部微處理機所控制的ADC(類比/數位轉換器)進行量測，有些頻譜分析儀甚至將ADC建立在中頻部分(如Rohde & Schwarz的FSE/及FSIQ和FSP系列)，因此解析頻寬(RBW)的設定即可以數位方式對中頻濾波器進行處理。

微處理機接收儀器各部位傳送的數位信號，並經過處理後顯示在螢幕上，如同一台小型的電腦。但即使數位信號處理的技術如此進步，在頻譜分析儀內，類比元件仍舊有其不可取代的地位，如前置放大器、混波器及本地振盪器等，使用類比元件的優點在於可使頻譜分析儀量測更高頻的RF信號，在高頻的頻譜分析儀內均使用YIG振盪器做為本地振盪，以產生更高頻的本地振盪信號(通常均為數十GHz)，由於類比元件對高頻信號的處理能力是數位元件所望其項背的，因此在頻譜分析儀內，類比元件仍有其不可替代的重要性。

解析頻寬與掃瞄時間

當量測信號顯示在頻譜分析儀的螢幕後，使用者通常會依據量測上的需要，更改儀器的設定，例如解析頻寬(Resolution Bandwidth)、影像頻寬(Video Bandwidth)等，(圖二)說明了解析頻寬及影像頻寬在頻譜分析儀內部相關的部位，由圖二可知，在更改解析頻寬時，其實就是在更改中頻濾波器的頻寬；而更改影像頻寬時，即是在更改影像濾波器的頻寬。

《圖二　解析和影像頻寬濾波器在頻譜分析儀內的位置》

而掃瞄時間的變化則和解析頻寬有關，所有的頻譜分析儀都無法進行規格範圍之外的掃瞄，例如掃瞄時間太快而中頻濾波器的頻寬太窄，造成中頻濾波器沒有足夠的時間反應，隨之而來的則是量測結果會有非常大的誤差，因此掃瞄時間必需隨著中頻頻寬變化，一般來說，掃瞄時間可由以下的公式來決定：

掃瞄時間 = BW 2/ k

其中BW為中頻頻寬，k為中頻濾波器的Filter Shape(通常k=2)，因此掃瞄時間會隨著中頻頻寬的二次方成正比，但掃瞄時間的變化可能也會因儀器而不同，如本地振盪器的掃瞄速度。

由於降低中頻濾波器的頻寬會導致掃瞄時間的增加，直接影響到量測的速度，如頻譜分析儀內有FFT的功能，則可用以減低量測所需的時間。

通常掃瞄時間並不由操作人員直接設定，大多數的儀器製造商均會在頻譜分析儀內建立自動計算掃瞄時間的功能，在操作人員更改解析頻寬的同時，掃瞄時間也會隨著變動，如果操作人員設定了不正確的掃瞄時間和解析頻寬，頻譜分析儀內建的警告功能將會適時的提醒操作人員修改設定，以符合儀器的規格(圖三)。現代的頻譜分析儀更利用了微處理機自動選擇最快的掃瞄時間，可避免人為設定的而產生的錯誤。

《圖三　量測信號通過寬與窄的解析頻寬濾波器情形》

同一信號通過不同影像頻寬

(圖四)a及(圖四)b分別代表同一個信號通過不同解析頻寬的情形。由圖中可以發現，當解析頻寬降低時，雜訊的振幅也隨之降低，因為能通過中頻濾波器的雜訊減少了，由於雜訊振幅的降低，一些振幅較小的信號或混於雜訊內的信號將可以被量測，但是將解析頻寬降低時所付出的代價是掃瞄時間會相對的增加。

《圖四　量測信號通過寬與窄的影像頻寬濾波器情形》

同一個信號通過不同的影像頻寬，將在螢幕上出現不同的顯示結果，在頻譜分析儀中，解析頻寬濾波器位於檢波器之前，而影像濾波器位於檢波器之後，(圖五)a及(圖五)b分別說明了同一個量測信號通過較寬及較窄的影像濾波器的顯示情形，各位可以很明顯的發現，在圖五b中，因為影像解析濾波器較窄，因此雜訊的變化明顯的變小，幾乎趨近於一直線。

現代的頻譜分析儀除了文中所提到的基本的元件外，尚有追蹤信號產生器(Tracking generator)，向量信號分析器(Vector analyzer)等常用的附件，針對此部分將會擇期另行介紹，並希望各位業界先進不吝予以指教。