频谱分析仪的分类与应用

频谱分析仪(Spectrum Analyzer)是电子工程领域中不可或缺的核心测量仪器，被誉为射频量测的“万用表”。它通过将时域信号转换为频域图谱，直观呈现信号的频率成分与功率分布，广泛应用于无线通信、雷达、广播电视、电磁兼容(EMC)测试及科研教育等领域。

图一时域量测与频域量测之不同

频谱分析仪种类

根据工作原理，频谱分析仪主要分为两大类：扫描调谐式(Sweep-Tuned)与实时频谱分析仪(Real-Time Spectrum Analyzer, RTSA)。扫描调谐式频谱仪基于超外差接收原理，通过本地振荡器扫频，将输入信号混频至固定中频进行处理，逐点绘制频谱。其优势在于频率范围宽、动态范围大，适用于稳态信号测量，如连续波、广播信号等。然而，其扫描机制导致存在“盲区”，难以捕获瞬态、跳频或偶发信号。实时频谱分析仪则采用高速ADC与FFT(快速傅里叶变换)技术，对信号进行全时域数字化处理，实现无遗漏的信号捕获。它具备高捕获概率(POI)与微秒级响应能力，可清晰呈现信号随时间变化的频谱轨迹，特别适用于电子战、5G通信、PLL锁定过程分析及干扰源定位等复杂动态场景。

此外，按形态与应用还可细分为：便携式频谱仪，便于现场网络优化与干扰排查;音频频谱仪，专用于20Hz–20kHz音频信号分析;以及基于PC的软件定义频谱仪，成本低、灵活性强，适合教学与业余无线电应用。

频谱分析仪应用领域

频谱分析仪主要功能在于量测信号的大小或振幅，其应用范围十分广泛，包括系统维护、信号量测、组件的频率增益与物料品管等，都在频谱分析仪的应用范围之中。

放大器增益、频率响应与被动元件特性之量测

有线电视及通信系统使用大量的放大器与分接器(Tap)、接头、同轴电缆等被动元件，元件品质的好坏都会影响信号的特性，因此事前的筛选有助于保证信号的品质。 例如透过频谱分析仪的追踪产生器来评估待测物件(DUT)的频率反应特性，量测的结果可由绘图仪器(Plotter)输出而获得资料。 量测频率的范围可事先一次设定，并一次获得其对应的关系曲线，如此将大幅减少过去透过示波器及函数产生器必须依不同频率逐点量测的繁复操作程序。

利用频谱分析仪本身的追踪产生器(Tracking Generator)功能，产生扫瞄信号经由DUT传送到频谱分析仪的射频接收器，由DUT的频率响应和短接线的量测响应，相互比较之，亦可得出DUT的介入损失(Insertion Loss)，同样方式将可得到其它相关元件的频率响应量测值。

失真度量测

由傅立叶方程式可得知，除了不失真的谐振波(正弦波)之外，任何波形除了基本波，都还包括高谐波的分量，例如周期性的锯齿波(Periodic Sawtooth Wave)等，依傅立叶方程式展开，其对应的数学式显示出无限个谐波，而谐波成份在频谱分析仪中可清楚显示。

示波器无法测知信号的失真度，仅能显示信号波形与时间的关系，但频谱分析仪由对应的谐波频谱，可准确地评估信号的谐波信号与振幅，进而评估失真度的大小。

通讯监测

无线通讯因频谱使用的规定，必须使用高频，并经由天线收发信号，透过频谱分析仪搭配天线很容易侦测目前通讯信号的强度与载波的频率，例如使用方向性天线，二组量测设备便能找出信号源，这也是相关单位取缔非法电波(如非法地下电台)的主要侦测技术。

依据需要可将频谱分析仪之扫描频宽适当地调整，例如缩小或放大，进行细微的调整以评估受测地区的干扰信号状况，这种方法可做为设计某地区通讯电台或各类行动通讯系统基地台的参考。 由方向性天线的调整量所测得的最高信号振幅，便可依天线的方向性判定信号源方向，若配合邻近的另一组监测装置，由两组天线方向的交叉点就可得出信号源的位置，立即可侦测得知发射源的位置，以这种方法，透过更多组的量测将可准确得到发射源。

有线电视影像资讯的量测

有线电视(CATV)是透过同轴电缆或光缆电缆等缆线传送视讯到用户家中。 由于科技的发展，为了减少挖马路埋设缆线的施工困难度并降低成本，已有厂商提议开放微波传送或透过卫星以对点(Spot)的方式将讯号传送到用户家中，目前北美已有服务供应商针对北加州用户发射具有150个视讯频道的卫星讯号。 因此缆线、微波与卫星传送视讯的方式已并存应用于市场上，提供收视户更多元化的选择。

CATV系统的主要功能是传送影像节目与数据资料，并保持系统的正常运作，传输100个左右或更多频道视讯，以及用户终端资料检索控制信号的适时反应等双向互动式服务等功能。 在CATV系统中包括种类繁多的视讯信号，例如电压与电流振幅、增益、频率及功率等，其中增益、功率大多以对数值表示之。 而射频信号的振幅、频率可由一般仪器(如示波器)量测得之，信号相位(Phase)则由向量示波器(Vector Scope)量测，所谓向量示波器是具有极稳定之环形时基示波器，可用于核对两信号间的时间延迟。 而频谱分析仪正是CATV信号量测不可或缺的电子设备。

天线特性的量测

频谱分析仪除了量测空气中的信号强度振幅外，只要搭配桥接器(Bridger)也能量测反射损失(Return loss)。 由于行动电话的普及，基地台在城市中数量相当多，由于电磁辐射伤害的疑虑一直困扰着使用者，因此，电磁波强度量测已逐渐被大家重视。 频谱分析仪也可针对天线辐射强度或任意空间电磁强度进行量测。

频谱分析仪之使用

对于测量的可测与不可测与否，完全取决于频谱分析仪的设定。 这包括了对衰减器、频率范围与解析度频宽的设置。 频谱分析仪的设定包括频率范围、解析度和动态范围，动态范围又涉及最大输入功率即烧毁功率，增益压缩使小于1W的输入信号一旦超过线性工作区域便会出现误差。 此外灵敏度也是考虑频谱分析仪对输入信号可测与否的关键。

参数频率范围要从两个方面观察，一是频率范围的设定是否够窄，以具有足够的频率分辨能力，也就是够窄的扫频宽度。 二是频率范围是否有足够的宽度，是否可以测到第二次、第三次谐波。 当用频谱分析仪测量一个放大器谐波失真的时候，若放大器为1GHz，则它的三次谐波就是3GHz，这就是要考虑频率范围的最大可测宽度。 如果频谱仪是1.8GHz，就不能进行量测，如果频谱分析仪是26.5GHz，就可以测到它的第三，第四次谐波。

解析度也是频谱分析仪中非常重要的参数设定。 解析度表示当要测量两个频率的功率不一样时，必须将它们区分开来。 将中频频宽设置成三种不同的宽度，下面所对应的就是在这一频宽设置时所看到的曲线。 中频频宽越窄则解析度越高，中频频宽越宽则解析度越低。 解析度频宽直接影响到微小信号的识别能力和测量的结果。

频谱分析仪的最佳状态是由许多因素与参数所决定，因此需要全盘考量，而非追求单一指标的完美，对各种基本因素与测量类型进行分析，才能达到趋于更精确的量测结果。