频谱分析基本原理：快速完成高效率测量

所有电子设计工程师和科学家都曾执行过电气讯号分析，简称讯号分析。透过这项基本量测，他们可洞察讯号细节并获得重要的讯号特性资讯。不过讯号分析的成效，主要取决于量测仪器的效能，而频谱分析仪与向量讯号分析仪是两种最常用于电气讯号分析的测试设备。

频谱分析仪是广为使用的多用途量测工具，可量测输出讯号相较于频率的大小（magnitude），以便t解已知和未知讯号的频谱功率。向量讯号分析仪则可同时量测分析仪中频（IF）频宽之输出讯号的大小与相位，并经常用来对已知讯号执行通道内量测，例如误差向量幅度（EVM）、域码功率，及频谱平坦度。过去，频谱分析仪与向量讯号分析仪是两种各自独立的仪器，但随着量测技术不断突飞勐进，量测设备商现在已可将它们整合于一机，并通称为频谱分析仪。

利用这类分析仪提供的强大量测与分析功能，工程师可快速而全面地洞察他们开发设计的元件或系统。为了善用频谱分析仪的各项功能，使用者必须t解其运作方式，以全面满足特定应用的量测需求。

认识频谱分析仪的基本塬理

使用者除了需t解分析仪的各种功能外，还需认识频谱分析的基本运作塬理。过去，示波器通常被用来执行时域量测，以便观察电气讯号在某一段时间内的变化，但这样并无法窥探讯号的全貌。为了充分掌握元件或系统的效能，工程师必须在频域中分析讯号，而这正是频谱分析仪的工作。不过，随着数位技术大幅跃进，各种仪器间的分野已不再那么泾渭分明。例如，有些示波器现在也可执行向量讯号分析，而讯号分析仪则开始提供多项时域量测功能。虽然如此，示波器还是最适合用来执行时域量测，讯号分析仪则是最理想的频域量测工具。

在频域中，如果讯号涵盖一个以上的频率，频谱分析仪会依照频率将其划分为一个一个的频谱，并且显示各个频率中的讯号位省４耸保使用频域量测技术有许多好处。比方说，频谱分析仪可以清楚分辨示波器无法辨识的讯号资讯。此外，使用频谱分析仪量测讯号时，使用者可将量测频宽调窄，以大幅减少杂讯。由于现在很多系统都是在频域中运作，因此仪器必须能够在频域中分析讯号，以避免受到邻近通道频率的干扰。

执行频域量测时，工程师只需一台频谱分析仪，便可轻易量测讯号的频率、功率、谐波内容、调变、突波以及杂讯。完成前述量测后，工程师便可确认总谐波失真、子闷悼怼⒀逗盼榷ǘ取⑹涑龉β省⒔换サ鞅涫д妗⒐β势悼怼⒃夭ㄔ友侗龋以及其他各种量测结果。

快速傅立叶转换（FFT）分析仪或扫描调谐（swept-tuned）分析仪，都是执行频域量测（或频谱分析）的理想工具。FFT分析仪可撷取一段时域讯号，并使用数位取样技术将讯号转为数位讯号，接着再执行必要的数学运算将其转换为频域讯号，最后在萤幕中显示频谱分布图。此外，FFT分析仪提供即时讯号显示功能，因此可撷取定期、随机及暂态讯号，并可量测讯号的相位与大小。相较之下，扫描调谐分析仪可扫描工程师亟欲观测的整个频率围，以便检视所有频率中的讯号。如此一来，工程师可在更宽的动态围与频率围中执行量测。扫描调谐分析仪是工程师最爱用，也是用途最广的频域量测工具。

不论是FFT分析仪或扫描调谐分析仪，都可用于频谱监测、杂波放射、纯量网路分析，以及电磁干扰等各式各样的量测应用，以便量测频率、功率调变、失真，以及杂讯等。这些分析仪支援3 Hz至325 Hz以上的频率围，动态围可达-172 dBm至+30 dBm。

剖析频谱分析仪内部结构

为了t解频谱分析仪的运作塬理，我们需剖析其内部硬体结构。图一显示传统的扫描调谐分析仪的主要组成元件。本文稍后我们将看到，现代讯号分析仪已将其中的类比硬体元件，全面更换为数位电路，特别是中频与基频部分。虽然如此，检视下面的方块图，有助于快速t解分析仪的基本运作塬理。

图一 传统扫描频谱分析仪方块图

上图显示的分析仪使用一个3埠混频器，可将输入讯号从某一个频率转移到另一个频率。混频器会将输入讯号送至其中一个埠，然后将本地震U器（LO）输出讯号送至另一个埠。由于混频器是非线性元件，因此在输出端出现的频率，并不会在输入端出现。这些频率是塬始输入讯号，以及两个频率相加与相减的讯号。这种差频讯号又称为IF讯号。

此外，上图显示的IF滤波器是带通滤波器，可作为侦测讯号的「视窗」。使用者可直接在分析仪面板上变更分析频宽（RBW）。此分析仪提供多种可变的RBW设定，因此使用者可在不同的扫描与讯号状况下获得最佳量测结果，并且获致出色的频率选择性（selectivity）、讯号杂讯比（SNR），以及量测速度。一般而言，将RBW调窄，有助于提N选择性与SNR特性，因而可观察到更细微的频率分布，但扫描速度与轨迹更新率会因而下滑。最佳的RBW设定与讯号特性息息相关。

检波器可将分析仪的IF讯号转换为基频或视讯讯号，以便进一步将其转为可在LCD萤幕上检视的数位讯号。藉由搭配使用波封检波器（envelope detector）与类比数位转换器（ADC），使用者可将视讯输出讯号转成数位讯号，并且在分析仪显示器的Y轴上呈现讯号大小。

使用者可选择多种不同的检波器模式，以便清晰显示量测讯号。在分析正弦波时，工程师通常使用正侦测模式（positive detection mode），在一段时间的曲线显示点上呈现最大讯号，这种模式又称为分段显示（display bucket）或是bin。此外，负侦测模式（negative detection mode）可显示最小讯号；而取样侦测模式（sample detection mode）则可显示每一个bin之时间间隔中点的讯号大小。

如需同时显示讯号与杂讯的话，正常（Rosenfell）模式是最理想的侦测模式，因为这个「智慧型」侦测模式会随着输入讯号的不同而动态地改变侦测方式。如果讯号在分段持续过程中上升又下降，则可假设此讯号为杂讯，因而轮流使用正、负侦测模式。如果过程中讯号一直上升，则推断其为正常讯号，并使用正峰值侦测模式。

使用者可用平均侦测与视讯滤波等方式，将波封侦测振幅（envelope-detected amplitude）的变异进行平滑处理。平均侦测使用在bin时间间隔中收集到的所有资料来进行平滑处理。这项功能可有效地量测数位调变讯号中的杂讯或类杂讯讯号。工程师通常使用真均方根（RMS）检波器来执行功率平均侦测，例如量测复杂讯号的功率。