頻譜分析器：定義及不同的類型

您是電機工程師嗎？您用過頻譜分析器嗎？

大部分電機工程師都知道示波器是什麼 (其實全部電機工程師都應該知道！)，也使用過，或許許多其他領域的工程師也懂。我猜大多數電機工程師在大一的時候，就認識了示波器。但是，說到頻譜分析器，有些業界的電機工程師可能不知道那是什麼，更別說用過。

什麼是頻譜分析器？

對許多電機工程師來說，頻譜分析器看起來就像示波器，但有更多功能及圖形外。不過，雖然示波器和頻譜分析器在垂直軸都顯示訊號振幅，但兩者在水平軸顯示的資訊有所不同；示波器顯示時間，而頻譜分析器則是頻率。下圖呈現 Rigol 的 DSA815-TG 頻譜分析器上顯示的多個頻率測量值。

圖 1：頻譜分析器在水平軸上顯示頻率測量值。(圖片來源：Rigol Technologies[1])

依據 Keysight Technologies 的定義，頻譜分析器會「在儀器的整個頻率範圍內測量輸入訊號的振幅與頻率的關係。其主要用途是測量已知和未知訊號的頻譜功率」。^[2] 換句話說，頻譜分析器能讓使用者「分析頻譜」，而頻譜的定義為一組組合起來產生時域訊號的正弦波。

例如，我們來觀察示波器上的某個訊號 (圖 2)。

圖 2：示波器上顯示的訊號 (圖片來源：Agilent Technologies[3])

雖然這個訊號顯然不是純正的正弦波，但頻譜分析器會確定構成該訊號的每個正弦波。頻譜分析器在識別出這些波形後，即會繪製每個波形的振幅與頻率關係圖。如圖 3 所示，圖 2 的訊號僅由兩個正弦波組成。

圖 3：時域訊號 (顯示於示波器上) 與頻域訊號 (顯示於頻譜分析器上) 的關係 (圖片來源：Agilent Technologies[3])

頻譜分析器的類型：技術類型和外形尺寸

頻譜分析器主要有兩個類別：掃頻式分析器和即時分析器，後者又稱為即時頻譜分析器 (RTSA)。這兩種分析器已使用多年，都是在垂直軸顯示振幅、水平軸顯示頻率，但區別在於「分析頻譜」的方式。

鑑於掃頻式頻譜分析器「只是個會自動調諧 (掃描) 頻率範圍的選頻伏特計」^[4]，若是認為這些傳統型分析器是「從無線電接收器降格而來」^[4]，一點也不令人意外。而由於掃頻式頻譜分析器「無法同時評估某給定範圍內的所有頻率」^[4]，因此這種分析器主要用於測量穩態或重複性訊號。這些分析器已成功服務於合規工程社群數十年，例如預先合規測試與 EMC/EMI 測試。

與掃頻式頻譜分析器不同，即時頻譜分析器可同時評估所有的頻率。即時頻譜分析器的工作原理是，首先取得時域內的資料，然後利用快速傅立葉轉換 (FFT) 將該資料轉換為頻域。

頻譜分析器有各種外形尺寸，包括桌上型 (圖 4)、手持式 (圖 5) 和可攜式。

圖 4：Teledyne LeCroy 的 T3SA3200 桌上型頻譜分析器，提供 9 kHz 至 3.2 GHz 的頻率範圍。(圖片來源：Teledyne LeCroy[5])

圖 5：Seeed Technology 的 RF Explorer 2.4G 型號為 2.35 GHz 至 2.55 GHz 的手持式頻譜分析器。(圖片來源：Seeed Technology)

桌上型機型的效能通常優於手持式機型，但價格可能也較高。手持式頻譜分析器較便宜，也比較小，但只提供桌上型分析器的部分功能。可攜式分析器則是配備電池組，可攜帶到現場的裝置 (包括某些桌上版)。

結論

雖然所有 電機工程師 (希望如此！) 都知道什麼是示波器以及如何使用示波器，但可以推測，只有一些電機工程師使用過頻譜分析器。儘管示波器和一些頻譜分析器 (桌上版) 在外觀尺寸和顯示方面看起來很像，但兩者有很大的不同；頻譜分析器是以振幅對頻率的方式顯示取得的資料，示波器則是以振幅對時間的方式來顯示資訊。不過，就和示波器一樣，有各種頻譜分析器類型可供選擇，具體取決於每個人的需求和預算。

參考資料：

1 – Rigol Technologies, “DSA800 Spectrum Analyzer Datasheet” (第 3 頁)

2 – Keysight Technologies, “What is a Spectrum Analyzer?”

3 – Agilent Technologies, “Agilent Spectrum Analysis Basics” (第 4-5 頁)

4 – Keysight Technologies, “Different Types of Analyzers”

5 – Teledyne LeCroy, “T3SA3100/T3SA3200 Data Sheet” (第 2 頁)