使用频谱分析仪检测电路信号质量

的频谱仪，最大的问题在使用大量滤波器作实时处理，所以价格昂贵，且带宽通常不会很高，一般约10M～30MHz左右。

图2 实时性频谱分析仪架构

Sweep Tuned频谱分析仪，可分为两大类，分别是RF调谐方式、超外差扫描方式。

图3为RF调谐方式架构而成的频谱分析仪方块图，使用一个带通可调的滤波器(Tunable Filter)，由一扫描仪来调变期带通宽度，进而使得相关的频率信号通过，并加至垂直偏向版(即CRT中的横轴)，而CRT中的水平轴受扫描仪频率同步的控制，使不同的频率信号在水平轴上分别对应地呈现。

图3 RF调谐方式的频谱分析仪架构

此种方式构成的频谱分析仪较简单，能包含较广的频率范围，而且价格便宜，但灵敏度与频率特性等效能较差，滤波器的带宽固定，频率的分辨率无法改变。此种调谐型的频谱分析仪较为经济，以及所能测量的频率范围较广，故早期微波带宽常常使用这一方式。可惜此种方式以扫描仪来调变滤波器的带通，故扫描仪的扫描速度不能太快，通常在数个MHz/s左右，当扫描超出这个比值，滤波器对信号的响应尚未达到100%时，滤波器的带通范围已经改变，所以测出的值往往较小于原来信号而不准确。

由于调谐式频谱分析仪的灵敏度与准确性不高，所以目前使用最广的是超外差式的频谱分析仪(图4)。此种方式是将输入滤波器的带通固定，使用一个频率可变的本地振荡器(Local Oscillator, LO)，使之产生随时间而线性变化的振荡频率。将此可变的振荡频率与输入信号在混波器(Mixer)混合后，产生一中频。此中频成为接收机的输出，加至屏幕的垂直偏向板(横轴)，巨齿波电压亦同时加至水平偏向板(纵轴)，在屏幕上显示出的信号为频率与振幅的对应关系。以下将针对图4中每个单元进行介绍：

图4 超外差式频谱分析仪简易架构

·衰减器

因为混波器的RF输入最大线性范围有限，对一般测量不够用，因此须将过大信号预先衰减到混波器RF输入线性范围。经过混波器之后，再利用放大器把信号还原。但这种架构会造成频谱分析仪上的显示噪声位准，随着衰减器(Input Attenuator)的值起伏。

·混波器

RF信号与LO信号经过混波器之后，产生许多两者之间频率倍数相加减的信号。当输入信号与本地振荡器经过混频之后，会产生三种中频的可能(或者更多)，可用以下公式来求出所要的正确中频信号：

第(1)式中fIF所产生的中频频率，远高过频谱分析仪内中频滤波器的协振频率，故不能为此仪器所接受。第(3)式所产生的中频，其输入信号之频率fRF必须比fLO高，所以此种fRF信号比振荡频率fLO高的RF就会被排除在外。最后只有第(2)式中所产生的中频，才为正确的中频信号。

·解析带宽

解析带宽(Resolution Bandwidth, RBW)滤波器也称中频滤波器，其作用是将RF频率与本地振荡频率相检的信号，也就是所谓的IF信号，由混波器产生的众多频率中过滤出来。使用者可借由面板上的RBW控制钮，选择不同的3dB带宽的RBW滤波器。由图5可看出，RBW设的越窄，所观察到的频率分布就越细微，也降低噪声位准。

图5不同RBW与噪声位准关系

·电压控制振荡器

频谱分析仪上电压控制振荡器(VCO)频率，必须由高于最高输入频率延伸到至少最高输入频率两倍频率以上。对工作在1G以上的频谱分析仪而言，这就代表着振荡器至少要由1～3G。实际的设计中，大多数为2～3.5G左右。这种频率范围通常需要具有调谐电路的振荡器，而非低频振荡器中典型的线圈与电容。

·检波器

若直接将中频信号输出到屏幕上，会造成一团杂波。所以必须通过检波器(Detector)，将中频的交流电(AC)信号振幅转换为直流(DC)偏压，再输出到屏幕行程相对的传值偏向，呈现各个频率的大小。现行的频谱分析仪，大多以数字取样的方式，将波型呈现在屏幕上。

·视信带宽

中频振幅的直流偏压送到屏幕前，须经过视信滤波器。它是一个低通滤波器，可将屏幕的垂直偏压变化变得较平缓。

超外差式的频谱分析仪混频之后，因中频放大缘故，可以得到较大的灵敏度，且改变中频滤波器的带宽，能很容易的改变频率的分辨率。但由于超外差式的频谱分析仪是在频袋内扫描缘故，因此无法得到实时性分析(瞬间分析全部频谱)，除非扫描时间趋近于零。况且，若使用比中频滤波器的时间常数小的扫描时间来扫描的话，无法得到信号的正确振幅(即功率)，因此想要提高频谱分析仪的频率分辨率，且得到精准的响应，扫描速度要调整适当。从上述得知，在超外差的频谱分析仪中，无法分析瞬时信号(Transient Signal)或单一脉冲信号(Impulse)，主要应用在测试周期性信号或者其他离散信号。

频谱分析仪操作特性分析

频