在高科技世界中，高速通讯网络技术包括电子、通讯和光电领域，正因为投入通讯领域的厂商众多，在激烈的市场竞争环境下，研发工程师也因为产品上市时程的压力，进而需快速精确地完成量测作业。也因此，这些工程师非常需要能满足通讯产品射频量测要求和故障排除的工具。

一般来说，通讯量测仪器大致可分为四类。在光电测量测仪器方面包括光频谱分析仪、可变波长光源、光功率计、光时域分析仪、EDFA/DWDM测试设备。在无线通信量测方面包括网络分析仪、频谱分析仪、计频器、功率计。在有线数字通信方面包括SDH/SONET/ATM分析仪、误码率测试仪。最后针对行动通讯则有基地台测试器，以及2G/3G行动通信量测综合测试仪，可测试包含GSM、PHS、DECT、PDC、CDMA、W-CDMA等行动通讯系统，以及短距离的蓝牙等无线传输测试仪。

频谱分析仪应用优势

无线通信量测之专用仪器包括频谱分析仪、计频器与功率计等。一般来说，无线通信射频频率涵盖范围可从500KHz到300GHz。在如此宽的频谱中，依据所应用之无线通信技术不同而占用不同频率范围。针对无线通信射频量测，常用的频谱分析仪基本量测项目包括频率及功率两个主要项目。一旦频率量测值的准确度不足，便会与其它频道的用户互相干扰，而功率的量测也很重要，功率不足将造成断讯，功率若是太强也会造成干扰问题的产生。因此，若依功能区分，便可了解频谱分析仪相当于计频器与功率计两者的整合。毕竟计频器只能量测讯号频率，而功率计也只能量测讯号功率，若需要两者同时进行量测，便需要使用频谱分析仪。因此，频谱分析仪对射频研发人员来说是不可缺少的测试工具，本文也将针对无线通信射频量测专用之频谱分析仪进行介绍。

工程师都知道，示波器是针对时域量测极为重要且有效的工具，它能直接显示信号波幅、频率、周期、波形与相位之响应变化，但它仅局限于低频信号，对于高频信号量测则有困难，而频谱分析仪正可弥补此缺失，同时将一个含有许多频率的信号，以频域方式呈现，以方便识别各个频率的功率装置，并显示信号在频域里的特性。针对高频信号领域，频谱分析仪为一适当而必备的量测仪器，频谱分析仪的主要功能是量测信号的频率响应，横轴代表频率，纵轴代表信号功率或电压的数值，可用线性或对数刻度显示量测的结果。另外它的信号追踪产生器（Tracking Generator）可直接量测待测件（Device Under Test；DUT）的频率响应特性，缺点在于但它只能量测振幅而无法量测相位。

频谱分析仪分类

频谱分析仪被称为工程师称之为射频量测的万用电表，分有传统频谱分析仪与现代频谱分析仪两种。

传统频谱分析仪

传统的频谱分析仪的前端电路是在一定带宽内可调谐的接收器，输入信号经变频器变频后，由低通滤波器输出，滤波输出作为垂直分量，频率作为水平分量，如此便可在示波器屏幕上绘出坐标图，这就是输入信号的频谱图。由于变频器可以达到很宽带率（30Hz～30GHz），若与外部混频器配合更可扩展到100GHz以上，因此频谱分析仪是频率覆盖范围最宽的测量仪器之一。无论测量连续信号或调变信号，频谱分析仪都是很理想的测量工具。但是,传统的频谱分析仪也有明显的缺点，它只能测量频率的幅度，却缺少相位信息，因此属于标量仪器而不是向量仪器。

现代频谱分析仪

基于快速傅立叶变换（FFT）的现代频谱分析仪，透过傅立叶运算将被测信号分解成独立的频率分量，进而达到与传统频谱分析仪相同的结果。这类新型频谱分析仪采用数字方法直接由模拟数字转换器（ADC）对输入信号取样，再经FFT处理后获得频谱图。

在这类频谱分析仪中，为获得良好的仪器线性度和高分辨率，对信号进行数据取得时，ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍，亦即频率上限为100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200Msps的取样率。

应用领域

在这类频谱分析仪中，为获得良好的仪器线性度和高分辨率，对信号进行数据取得时，ADC的取样率最少等于输入信号最高频率的两倍，亦即频率上限为100MHz的实时频谱分析仪需要ADC有200Msps的取样率。

频谱分析仪的应用领域相当广泛，诸如卫星接收系统、无线电通信系统、移动电话系统基地台辐射场强的量测、电磁干扰等高频信号的侦测与分析，同时也是研究信号成份、信号失真度、信号衰减量、电子组件增益等特性的主要仪器。频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，许多功能控制按键可作为系统功能之调整与控制，而系统的主要功能是在频域里显示输入信号的频谱特性。频谱分析仪依信号处理方式不同分为两类，一是实时频谱分析仪（Real-Time Spectrum Analyzer），另一则是扫瞄调谐频谱分析仪（Sweep-Tuned Spectrum Analyzer）。

实时频率分析仪的功能是在同一瞬间显示频域的信号振幅，其工作原理是针对不同频率的信号具有相对应的滤波器与检知器（Detector），再经由同步多任务扫瞄器将信号传送到CRT屏幕上。主要优点在于拥有显示周期性杂散波（Periodic Random Waves）瞬间反应的能力，但缺点则是价格昂贵，且其性能受限于带宽范围、滤波器数目与最大多任务交换时间（Switching Time）等特性。

扫瞄调谐频谱分析仪是最常用的频谱分析仪类型，其基本结构与超外差式接收器雷同，工作原理则是输入信号经由衰减器直接外加至混波器，可调变的本地振荡器，经CRT同步扫瞄产生器产生随时间不同而进行线性变化的振荡频率，再经由混波器与输入信号混波降频后的中频信号再放大、滤波与检波同时传送至CRT垂直方向板，因此在CRT纵轴可显示信号振幅与频率的相对应关系。影响信号反应的重要部份为滤波器带宽。滤波器之特性为高斯滤波器（Gaussian-Shaped Filter），影响的功能就是量测时常见到的解析带宽（Resolution Bandwidth；RBW)。

RBW代表两种不同频率的信号能够清楚分辨的最低带宽差异，当两个不同频率的信号带宽低于频谱分析仪的RBW值时，此时两信号将重迭而无法分辨，较低RBW有助于不同频率信号的分辨与量测，可滤除高频信号，但将导致信号显示时产生失真；而较高RBW值有助于宽带带信号的侦测，可增加噪声底层值（Noise Floor），并降低量测灵敏度，但对于侦测低强度的信号则易产生干扰，因此正确的RBW宽度将是频谱分析仪使用的最重要概念。

频谱分析仪讯息处理在量测高频信号时，外差式频谱分析仪混波以后的中频因为放大的原因，因此能获得较高灵敏度，同时改变中频滤波器的带宽也能容易改变频率分辨率，但由于超外差式频谱分析仪是在频带内扫瞄，因此除非使扫瞄时间趋近于零，否则无法得到输入信号的实时反应。若欲得到与实时分析仪性能一致的超外差式频谱分析仪，扫瞄速度便需非常快，此时若使用比中频滤波器时间常数还小的扫瞄时间来扫瞄，将无法正确获得信号振幅。

频谱分析仪应用领域

因此若要提高频谱分析仪之频率分辨率，同时获得准确的响应，便需要适当的扫瞄速度。由此可知超外差式频谱分析仪无法分析瞬间信号（Transient Signal）或脉冲信号（Impulse Signal）的频谱，主要是应用于测试周期性的信号，以及其它杂散信号（Random Signal）的频谱。

放大器增益、频率响应与被动组件特性的量测在通信系统上通常使用大量放大器与分接器（Tap）、接头及同轴电缆等被动组件，因此组件质量将直接影响信号特性，如此一来事前的筛选对于确保信号质量将有很大帮助。透过频谱分析仪的追踪产生器来评估待测件（DUT）的频率反应特性，其量测结果可由绘图仪（Plotter）输出。频率的量测范围可先设定，再撷取其对应关系曲线，如此将减少过去示波器及函数产生器必须依不同频率逐点量测的繁琐操作程序。

失真度量测

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

利用频谱分析仪本身追踪产生器（Tracking Generator）的功能，所产生的扫瞄信号透过DUT传送到频谱分析仪的RF接收端，再经由DUT的频率响应和短接线的量测响应相互比较，即可获得该DUT的介入损失（Insertion Loss）。

无线通信因频谱使用的规定，必须透过高频经由天线收发信号，使用频谱分析仪配合天线相当容易侦测目前通讯信号的强度与载波的频率，在屏幕上的信号源频率、数量及振幅将一览无遗。而若改用方向性天线，再使用二组量测设备，如此便能追踪信号源，相关单位取缔非法传送电波电视透过这种方式。

正确使用频谱分析仪

射频功率的频域测量是传统频谱分析仪和现代向量讯号分析仪的基本测试，正确的测试将可避免结果出现重大误差，因此在配置频谱分析仪时，必须选用频率控制和幅度控制。

幅度控制基准电平（Ref Level）可设置频谱分析仪的最大输入范围。基准电平控制仪器的y轴参数，类似于示波器上的V/Div（电压标示格）。基准电平应设置为比测试中估计出现之最大功率电平略高。最佳基准电平位于仪器失真和最小仪器背景造讯间的平衡点上，通常对于宽带噪音测试，刻意设置低基准电平也有益处，好处是可以改善测试灵敏度，但容易产生仪器失真。此外，也可透过衰减器设置控制来设定仪器输入范围。

通常这种控制设置为自动进行，如此一来软件也可根据基准电平设置来调整衰减量。检测模式是另一类的幅度控制，适用于传统扫描式频谱分析仪，而非FFT分析仪。

频率控制

中心频率是控制测量的中心频率，测试带宽定义了仪器捕捉到的总频谱量，并以中心频率为主。中心频率与测试带宽共同定义了仪器面板上的频率范围。

分辨率带宽（RBW）则控制频率轴的频率分辨率。传统频谱分析仪透过一个窄频滤波器在测试带宽上进行扫描以产生频谱并显示。滤波器带宽可确定频率轴上的频率分辨率，但在FFT分析仪中并没有模拟滤波器，而是透过FFT相应的滤波窗口参数来确定频率分辨率或分辨率带宽。

结语

在扫描式分析仪中，由于模拟滤波器设定时间的影响，因此扫描时间将与RBW的平方成反比。一旦必须透过减少RBW来改善频率分辨率时，扫描时间便将呈指数增加。对于FFT讯号分析仪来说，RBW的减少所代表的是必须执行更长的采集和更多FFT运算。由于DSP组件速度持续提升，因此对更高分辨率、更窄RBW的测量设备来说，FFT在测试速度方面将具有更大优势。