頻譜分析儀 Spectrum Analyzer用來觀察訊號是由哪些頻率組成，所以螢幕上的橫軸是頻率。下圖是一個弦波實際呈現在頻譜上看到的樣子，中間凸起來的訊號就是1.369G Hz弦波的頻率。相較於示波器來說，頻譜用在頻域(Frequency domain)，而示波器則用在時域(Time domain)，我們就來認識它的構造。
訊號的頻率成分
所有的週期訊號都能夠拆解成不同頻率的正弦波，這件事情在數學上已經得到證明，相關的數學可以參考傅立葉轉換(Fourier Transform)或是傅立葉級數(Fourier Series)。
下圖左方有個波型看起來像弦波，但卻又不那麼純粹，若只利用示波器Scope觀察，很難知道這個波型是否還有其他頻率存在，頻譜Spectrum的任務就是把所有的頻率展開排排站，讓使用者能一目瞭然。以下圖來說，用spectrum觀察就能看到如右方的頻譜圖，使用者馬上知道這個訊號除了基頻的弦波之外，還有另一個振福稍微小一些的二倍頻弦波。
頻譜原理-Spectrum的架構
下方是掃瞄式頻譜(Sweep Spectrum )的構造，它其實就是一台比較進階的超外差收音機。簡單來說就是把Input signal降頻成為中頻訊號(Intermediate Frequency)，再將此中頻的功率畫在螢幕上。
輸入端衰減器 Attenuator
為了避免輸入訊號過大，造成Spectrum內部元件飽和甚至損壞，通常會先將訊號衰減，之後顯示在螢幕上時再將讀值放大，因此在螢幕上看到的功率就是實際的功率，無須再自行換算。衰減量通常會顯示在螢幕上給使用者參考
混波器Mixer
由於中頻濾波器(IF filter)的輸入頻率是固定的，Mixer的作用就是將目標頻率降至IF的頻率，這個動作稱為降頻Downconversion。Mixer將RF輸入訊號與本地振盪器(Local oscillator)相乘後會同時得到兩組頻率，一個是fout=(fosc-fRF)的頻率，另一個是fout=(fosc+fRF)的頻率，經過Low Pass Filter之後，最後只有較小的fout=(fosc-fRF)會通過IF filter。這個IF=(fosc-fRF)中頻訊號的功率就是輸入訊號在頻率fRF的功率，將來在螢幕上就會以一個點來表示，點的位置高低就表示功率大小。關於mixer的說明，這篇文章有數學模型http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/mixers/rf-mixers-mixing-basics-tutorial.php
掃頻器Sweep generator
剛才的IF訊號功率，只表示輸入訊號中單一特定頻率的功率，所以只有顯示一個點，更嚴謹的說就是這個點表示IF filter那窄窄的頻寬範圍內的總功率。若使用者想把某段頻率範圍的功率曲線都畫出來，理論上就需要不斷的移動IF filter的中心頻率來獲得該頻段的功率曲線圖，可惜實際上IF filter的中心頻率是固定的，所以我們只能調整LO(Local Oscillator)的頻率。LO本身是可以由電壓來控制頻率的，它其實是個VCO(Voltage control oscillator)，因此Sweep generator就擔任了voltage controller這個角色，這樣我們就能藉由Sweep generator的電壓改變LO的頻率，將輸入訊號的不同頻率轉送到IF filter。
下圖顯示Spectrum如何掃描輸入訊號的頻譜
上排淺綠色軌跡是待測訊號的原始頻譜，深綠色的凸起表示IF filter的頻率響應，藉由LO改變頻率讓淺綠色的訊號移動，每移動一次IF filter就對淺綠色的待測訊號取樣(頻譜相乘)，取樣的結果便繪製在下排圖，用以表示Spectrum的螢幕是如何顯示。你可以發現當待測訊號是個弦波時，雖然在理論上它的頻譜應該是個脈衝，但實際上頻譜顯示的卻是個山峰，因為這時你看到的是IF filter的形狀。
解析頻寬Resolution Bandwidth
由上面的五格漫畫大家應該了解，若要更忠實呈現訊號的頻譜，IF filter的寬度當然是越窄越好，但相對付出的代價就是掃描時間會拉長。IF filter的頻寬就稱為解析頻寬Resolution Bandwidth(RBW)，若待測訊號的頻率太靠近甚至等於RBW的話，我們將很難區分出頻率成分，稱之為Selectivity很低。下圖是兩個成分頻率的間距剛好等於RBW，大概也只能約略看出有兩個波峰。
如果成分頻率剛好一高一矮，較矮的訊號又剛好低於IF filter的裙擺之下，就甚麼都看不到了。要將RBW設定得窄一些，才有機會看到相臨的兩個訊號。下圖有兩個軌跡，上方軌跡的RBW較寬，雖然有兩個頻率但卻只能看到最高的那一個。下方軌跡的RBW較窄，因此可以看到有兩個波峰存在。
視訊頻寬Video Bandwidth
Video bandwidth(VBW)可以將頻譜圖變得更平滑，尤其是當待測訊號的功率非常接近noise floor的時候，肉眼很不容易辨識。此時只要將VBW調小，經驗上只要VBW比RBW小，就能達到平滑的效果。Video filter是一個Low pass filter，用來過濾IF filter之後的包絡波(envelope)，而envelope最差就是貼著IF訊號走，最大頻率不會超過RBW，因此VBW設得越小就越能緩和envelope的變動率。
看個實例，下圖中央有個16MHz的頻率，功率非常小，在目前的設定之下並不容易觀察到，它幾乎被雜訊給淹沒。
當VBW調小時，雜訊的變動跟著變小(如下圖)，就能看見訊號，但是付出的代價是sweep time變長，從0.15秒變成8秒。關於Video Bandwidth的細節我寫在這裡VBW Video bandwidth做甚麼用? 頻譜軌跡的化妝師。
Spectrum-螢幕Display
顯示器是最終畫出頻譜的地方，上圖黃色線就是頻譜圖，顯示以16MHz為中心左右各50KHz範圍內的頻譜圖。中間凸起來的就是待測訊號功率大約-105dBm，兩邊帶有鬚鬚的橫線就是雜訊(Noise Level)大約-110dBm，這裡所看到的功率指的是在RBW之內所計算出來的功率，所以當RBW變大的時候，Noise floor會變高，因為雜訊會隨著頻寬變大而把其他頻率上的雜訊納進來。但待測訊號的功率讀值並不會因為RBW的大小而有所變化，因為待測訊號的頻率是固定的。
表格最上方的橫線稱為Reference level，以上圖來說Reference level=-25dBm， Y軸的刻度一格是10dB，往下一格代表功率小十分之一，往下四格就是一萬分之一。X軸代表頻率，左邊是開始頻率(Start)右邊是結束頻率(Stop)，你也可以用中心頻率(Center)與展開頻率(Span)來設定頻率範圍。
各位若對於Spectrum analyzer有興趣想深入了解
請參閱下列keysight的連結
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5952-0292.pdf
Hi 阿信助教你好
請教一個問題如下
我在量BLE的兩倍頻訊號peak值,因為BLE訊號頻寬是2MHz,所以RBW就要設定大於2MHz嗎?
因為RBW調小,兩倍頻訊號peak值訊號就會變小.
麻煩解惑一下,謝謝.
我猜你應該是量BLE的二次諧波
RBW最好是小於訊號頻寬很多, 例如1/5 1/10之類, 你才看得到訊號, DANL也會變得較低
請參考這篇
RBW 調低讓低功率訊號浮出水面-觀察小訊號的好方法
Hi 阿信助教你好
還有一個問題請教一下
DANL我可以調內部衰減使其降低,RBW & VBW我試著用1/10(RBW=200K,VBW=200K)和”RBW=2M,VBW=2M”測出的二次諧波peak值分別為-62.98dBm和-60.88dBm,差了約2dB,到底哪個值才是正確的?還是說二次諧波的大小不能用peak值來看?
麻煩幫忙解惑一下
非常感謝
我想你是把marker或垂直軸直接當作訊號功率來看了
請愛用channel power
細節自行參考這篇Channel power 頻道功率測量-頻譜的輔助功能
Ok,了解
感謝你的回覆.
阿信助教，您好：
謝謝您的分享，讓我受益匪淺。我想請教您一個問題，被測樣品的供電方式是直流，用天線+頻譜儀去捕捉被測樣品發出來的信號，設置被測信號的頻率範圍有100KHz-2.5G，請問頻譜儀的耦合方式是DC還是AC呢？被測樣品的供電方式是DC，是否耦合方式就是DC呢？但是實際測量的頻率範圍有高頻成分，DC耦合和AC耦合的選取是根據設置的頻率高低來選取，還是根據樣品的上電方式來選取呢？
你的敘述本身就有問題, 而且是還滿大的問題
你的問題在於, 沒搞清楚甚麼是AC/DC coupling
請看這篇 Coupling AC/DC/GND-示波器耦合差別在哪
至於頻譜儀是AC or DC耦合, 我沒看人討論過, 自己也沒特別研究過, 我想應該是DC coupling, 因為0Hz的地方有值
就是有一個待測信號，接收機捕捉的範圍是2.5G以下。耦合方式說明書上寫30M以下是DC耦合，30M以上是AC耦合。但是待測樣品是DC上電。信號是通過天線捕捉，傳輸給接收機這樣。我就是不理解DC耦合和AC耦合對捕捉的信號有什麼影響。我的表達能力也不好，大概就是這樣。其實不是頻譜模式，是接收機模式，我以為兩者都差不多……
耦合與待測物的電源無關, 單純指儀器input的coupling 方式
AC coupling可以防止直流電灌入儀器造成損壞
DC coupling使用上要小心, 直流電壓太高會把頻譜打壞
謝謝您的解惑！
阿信助教您好，
感謝您的分享！想請教您關於頻譜RBW設定上的問題
最近量測一顆高頻VCO Chip，發現當RMW設定在3MHz與100kHz時，頻譜上顯示的功率大小差了約10~15dB，
一般而言改變RES影響的是NF，想請問有可能會影響訊號大小嗎？而且相差蠻大的
謝謝您！
看carrier power不能只看波峰
因為它總是會有頻寬
可能你的VCO頻寬超過100KHz, 所以能量會散在好幾個RBW之間
我推測RBW 1M的讀值才是正確的
你可以參考這兩篇
https://www.strongpilab.com/low-power-meas-by-low-rbw/
https://www.strongpilab.com/channel-power-meas-spectrum/
另外 RBW改變 不會影響 純弦波的訊號大小, 但會影響BW較寬的訊號
阿信助教
請問一下，我是剛學習的菜鳥。
如您圖上那個16MHZ的範例，功率是-105dbm。
這個-105dbm可以用白話一點的方式來描述嗎？ 這個值的大小是做什麼用的呢？
麻煩您解惑一下
我不是很確定你要問甚麼
如果你是不懂dbm這個單位
請看這篇
https://www.strongpilab.com/db-unit-introduction/
感謝阿信助教的回覆，我可以在請教您個問題嗎?
假設輸入頻率為fRF，LO輸出頻率為fLO，那經過混頻器後主要會得到fRF+fLO及fRF-fLO(LO和RF漏到IF端的不看)，
我想請教的是:
IF filter頻率響應是固定的?
頻譜分析儀是如何將輸入頻率顯示在螢幕上(因為降頻後頻率不就跟輸入頻率不一樣)?
麻煩您了，謝謝。
嚴格來說IF filter的頻率響應是可調的, 主要是調頻寬
因為RBW會需要調整
一旦調好, 整個trace就會依這個RBW去掃描
你的第二題
頻譜分析儀的顯示基本上就是if filter的包封波, 也就是功率
雖然頻率不同 但是從公式來看 只有固定的倍數差別
把這個倍數除掉之後 就跟原來的頻率功率相同了
所以我混頻後得到的power會與輸入信號的power一樣?那倍數除掉這個動作是在您上面的架構圖哪個環節做的?sweep generator這邊做的嗎?麻煩您了，謝謝。
我大概知道你要問的點在哪裡
倍數除掉的動作只是為了理論說明用
其實本身沒有太大意義
先輸入固定功率 然後直接把得到的trace直接稱為是這個功率
這個動作 就等於把倍數除掉了
雖然實際上的訊號並沒有除到
至於這個動作在哪裡處理, 我不知道
我猜應該是頻譜的程式用軟體處理掉了吧
它應該用不到硬體來做這件事情
希望有回答到
OK，大致上了解了，謝謝您的回覆。
Hi 您好,
我是在某家科技公司擔任硬體工程師，
最近剛好看到您寫的這篇文章，
想請教您幾個問題，
1. 通常將DUT插到頻譜分析儀，需要外加一個固衰嗎?還是儀器內部調整好，再插入就好?
2. 通常在使用頻譜分析儀量測，RBW設定值都是大於VBW的?有比例嗎(EX 3:1之類的)?
3. 頻譜分析儀上有顯示Atten為10dB，那我實際DUT輸出的Power是要把這10dB加回來嗎?
(例如: 我用Peak讀到儀器上的某點頻率的功率為-30dBm，Atten設定為10dB，因此，我實際DUT的輸出功率為-20dbm，是這樣嗎?)
麻煩您了，謝謝。
Best Regards,
Raymond
1. 除非你的DUT輸出功率超級大, 不然不需要加固衰, 儀器內部一定比較準確
2. RBW通常會大於等於VBW, 小於 的設定較少用到 但仍可以設定, 兩者間沒有固定比例, 完全看需求, 所以報告需要把設定先寫出來,以免基準不同
3. 儀器的讀值已經有幫你補償過了, 不需要再自己計算