頻譜分析儀架構(gòu)猶如時(shí)域用途的示波器，外觀如圖1.2 示，面板上布建許多功能控制按鍵，作為系統(tǒng)功能之調(diào)整與控制，系統(tǒng)主要的功能是在頻域里顯示輸入信號(hào)的頻譜特性。頻譜分析儀依信號(hào)處理方式的不同，一般 有兩種類(lèi)型；實(shí)時(shí)頻譜分析儀(real-time spectrum analyzer)與掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀(sweep-tuned spectrum analyzer)。實(shí)時(shí)頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號(hào)振幅，其工作原理是針對(duì)不同的頻率信號(hào)而有相對(duì)應(yīng)的濾波器與檢知器 (detector)，再經(jīng)由同步的多任務(wù)掃瞄器將信號(hào)傳送到crt 屏幕上，其優(yōu)點(diǎn)是能顯示周期性雜散波(periodicrandom waves)的瞬間反應(yīng)，其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限于頻寬范圍、濾波器的數(shù)目與大的多任務(wù)交換時(shí)間(switching time)。
常用的頻譜分析儀是掃瞄調(diào)諧頻譜分析儀，其基本結(jié)構(gòu)類(lèi)似外差式接收器，工作原理是輸入信號(hào)經(jīng)衰減器直接 外加到混波器，可調(diào)變的本地振蕩器經(jīng)與crt 同步的掃瞄產(chǎn)生器產(chǎn)生隨時(shí)間作線(xiàn)性變化的振蕩頻率，經(jīng)混波器與輸入信號(hào)混波降頻后的中頻信號(hào)（if）再放大、濾波與檢波傳送到crt 的垂直方向板，因此在crt 的縱軸顯示信號(hào)振幅與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，信號(hào)流程架構(gòu)如圖1.3 示。
影響信號(hào)反應(yīng)的重要部份為濾波器頻寬，濾波器之特性為高斯濾波器（gaussian-shaped filter），影響的功能就是量測(cè)時(shí)常見(jiàn)到的解析頻寬(rbw， resolution bandwidth)。rbw 代表兩個(gè)不同頻率的信號(hào)能夠被清楚的分辨出來(lái)的低頻寬差異，兩個(gè)不同頻率的信號(hào)頻寬如低于頻譜分析儀的rbw，此時(shí)該兩信號(hào)將重迭，難以分辨，較低的 rbw 固然有助于不同頻率信號(hào)的分辨與量測(cè)，低的rbw 將濾除較高頻率的信號(hào)成份，導(dǎo)致信號(hào)顯示時(shí)產(chǎn)生失真，失真值與設(shè)定的rbw 密切相關(guān)，較高的rbw 固然有助于寬帶帶信號(hào)的偵測(cè)，將增加噪聲底層值(noise floor)，降低量測(cè)靈敏度，對(duì)于偵測(cè)低強(qiáng)度的信號(hào)易產(chǎn)生阻礙，因此適當(dāng)?shù)膔bw 寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。
圖1.2：頻譜分析儀的外觀
另外的視頻頻寬（vbw，video bandwidth）代表單一信號(hào)顯示在屏幕需的低頻寬。如前說(shuō)明，量測(cè)信號(hào)時(shí)，視頻頻寬過(guò)與不及均非適宜，都將造成量測(cè)的困擾，如何調(diào)整必須加以 了解。通常rbw 的頻寬大于等于vbw，調(diào)整rbw 而信號(hào)振幅并無(wú)產(chǎn)生明顯的變化，此時(shí)之rbw 頻寬即可加以采用。量測(cè)rf 視頻載波時(shí)，信號(hào)經(jīng)設(shè)備內(nèi)部的混波器降頻后再加以放大、濾波（rbw 決定）及檢波顯示等流程，若掃描太快，rbw 濾波器將無(wú)法充電到信號(hào)的振幅峰值，因此必須維持足夠的掃描時(shí)間，而rbw 的寬度與掃描時(shí)間呈互動(dòng)關(guān)系，rbw 較大，掃描時(shí)間也較快，反之亦然，rbw 適當(dāng)寬度的選擇因而顯現(xiàn)其重要性。較寬的rbw 較能充分地反應(yīng)輸入信號(hào)的波形與振幅，但較低的rbw 將能區(qū)別不同頻率的信號(hào)。例如使用于6mhz 頻寬視訊頻道的量測(cè)，經(jīng)驗(yàn)得知，rbw 為300khz 與3mhz 時(shí)，載波振幅峰值并不產(chǎn)生顯著變化，量測(cè)6mhz的視頻信號(hào)通常選用300khz 的rbw 以降低噪聲。天線(xiàn)信號(hào)量測(cè)時(shí)，頻譜分析儀的展頻（span）使用100mhz，獲得較寬廣的信號(hào)頻譜需求，rbw使用3mhz。這些的量測(cè)參數(shù)并非一成不 變，將會(huì)依現(xiàn)場(chǎng)狀況及過(guò)去量測(cè)的經(jīng)驗(yàn)加以調(diào)整。
1.分析頻譜分析儀的訊息處理過(guò)程
在量測(cè)高頻信號(hào)時(shí)，外差式的頻譜分析儀混波以后的中頻因放大之故，能得到較高的靈敏度，且改變中頻濾波器的 頻帶寬度，能容易地改變頻率的分辨率，但由于外差式的頻譜分析儀是在頻帶內(nèi)掃瞄之故，因此，除非使掃瞄時(shí)間趨近于零，無(wú)法得到輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)(real time)反應(yīng)，故欲得到與實(shí)時(shí)分析儀的性能一樣的外差式頻譜分析儀，其掃瞄速度要非常之快，若用比中頻濾波器之時(shí)間常數(shù)小的掃瞄時(shí)間來(lái)掃瞄的話(huà)，則無(wú) 法得到信號(hào)正確的振幅，因此欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率，且要能得到準(zhǔn)確之響應(yīng)，要有適當(dāng)?shù)膾呙樗俣?。由以上之?dāng)⑹?，可以得知外差式頻譜分析儀無(wú)法分 析瞬時(shí)信號(hào)(transientsignal)或脈沖信號(hào)(impulse signal)的頻譜，而其主要應(yīng)用則在測(cè)試周期性的信號(hào)及其它雜散信號(hào)(random signal)的頻譜。頻譜分析儀系統(tǒng)內(nèi)部及面板顯示的特性，詳如附錄一的說(shuō)明，對(duì)該內(nèi)容的了解將有助于頻譜分析儀的操作使用。一般本地振蕩器輸出信號(hào)的 頻率均高于中頻信號(hào)的頻率，本地振蕩器輸出信號(hào)的頻率可被調(diào)整在諧波之頻率，亦即ƒin=n⋅ƒlo±ƒi f n=1 2 3.......(2)
由式(2)得知，頻譜分析儀的信號(hào)量測(cè)范圍，無(wú)形中己被拓寬，低于或高于本地振蕩器或其它諧波頻率的輸入信 號(hào)，均能被混波產(chǎn)生中頻。延伸輸入信號(hào)頻率的混波原理如圖1.4 示，其中縱軸代表輸入信號(hào)(ƒin)，橫軸代表本地振蕩頻率(ƒlo)，圖中的正負(fù)整數(shù)代表公式(2)中頻放大器對(duì)應(yīng)的正負(fù)號(hào)。
圖1.3：頻譜分析儀的信號(hào)流程
由圖1.4 可體會(huì)頻譜分析儀利用本地振蕩的諧波信號(hào)延伸輸入信號(hào)頻率的工作原理。然而圖1.4 可能對(duì)應(yīng)多個(gè)輸入信號(hào)頻率，為消除此一現(xiàn)象，在衰減器前面加入頻率預(yù)選器(preselector)，用來(lái)提升頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)使輸出的結(jié)果能 去除其它不必要的頻率而真正反應(yīng)輸入信號(hào)的頻率。
圖1.4：利用本地振蕩之諧波信號(hào)拓展信號(hào)頻率的原理
由以上得知外差或頻譜分析儀無(wú)法分析瞬時(shí)信號(hào)(transientsignal)或脈沖信號(hào)(impulse signal)的頻譜，而其主要應(yīng)用則在測(cè)試周期性的信號(hào)及其它隨機(jī)信號(hào)(random signal)的頻譜。
2.噪聲特性
由于電阻的熱敏效應(yīng)，任何設(shè)備均具有噪聲，頻譜分析儀亦不例外，頻譜分析儀的噪聲，本質(zhì)上是熱噪聲，屬于隨 機(jī)性（random），它能被放大與衰減，由于系隨機(jī)性信號(hào)，兩噪聲的結(jié)合只有相加而無(wú)法產(chǎn)生相減的效果。在頻帶范圍內(nèi)也相當(dāng)平坦，其頻寬遠(yuǎn)大于設(shè)備內(nèi)部 電路的頻寬，檢測(cè)器檢知的噪聲值與設(shè)定的分辨率頻寬（rbw）有關(guān)。由于噪聲是隨機(jī)性迭加于信號(hào)功率上，因此顯示的噪聲準(zhǔn)位與分辨率頻寬成對(duì)數(shù)的關(guān)系，改 變分辨率頻寬時(shí)噪聲隨之變化，噪聲改變量相關(guān)的數(shù)學(xué)式如下示：
例如：頻寬從100khz（bw1）調(diào)整到10khz（bw2），則噪聲改變量為：
亦即降低噪聲量10db (為原來(lái)的1/10)，相對(duì)提高訊號(hào)與噪聲比10db。由此可知，純粹要降低噪聲量，使用窄寬度的頻寬將能達(dá)到目的。不論噪聲來(lái)之于外部或內(nèi)部產(chǎn)生，量 測(cè)時(shí)均將影響信號(hào)振幅的準(zhǔn)確性，特別在低準(zhǔn)位信號(hào)時(shí)，更是如此，噪聲太大時(shí)，甚至掩蓋信號(hào)以致無(wú)法正確判斷信號(hào)的大小，影響量測(cè)質(zhì)量的兩種噪聲可概括為下 列三大項(xiàng)：
(1).產(chǎn)生于交換功能的數(shù)字電路、點(diǎn)火系統(tǒng)與dc 馬達(dá)脈沖噪聲，這類(lèi)噪聲常見(jiàn)于emi（electromagnetic interference）的討論領(lǐng)域里。
(2). 隨機(jī)性噪聲來(lái)之于自然界或電路的電子移動(dòng)， 又稱(chēng)之為ktbw (或稱(chēng)熱敏)噪聲、johnson 噪聲、寬帶噪聲或白氏(white)噪聲等，本書(shū)主要以熱敏噪聲為重點(diǎn)，數(shù)學(xué)式為：
pn =ktbw ， (5)
其中： pn =噪聲功率= 3.98*10−21 瓦/hz 或-174db/hz
k=boltzman 常數(shù)，1.38*10−23 joule/ok
t=溫度表示的常溫=290 ok
bw=系統(tǒng)的噪聲功率頻寬（hz）。
在4mhz、75 ω 、290 ok 時(shí)的噪聲功率為-59.1dbm。由噪聲功率得知，信號(hào)頻寬降低，系統(tǒng)噪聲功率隨之降低，信號(hào)的質(zhì)量以信號(hào)噪聲比表示
(snr；signal-to-noise ratio)，信號(hào)強(qiáng)度（單位為dbm）與系統(tǒng)噪聲功率（單位為dbm）的相減值即為信號(hào)噪聲比，數(shù)學(xué)式為：
3.匹配因素
量測(cè)設(shè)備的輸入阻抗有時(shí)無(wú)法匹配待測(cè)件連接線(xiàn)特性阻抗，根據(jù)電磁理論，阻抗匹配時(shí)，輸出功率大且沒(méi)有其它不良的副作用，而阻抗不匹配，將造成信號(hào)反射，影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定與造成信號(hào)功率的損失。信號(hào)在傳輸在線(xiàn)往返傳送將產(chǎn)生駐波及噪聲，進(jìn)而影響接收端的信號(hào)質(zhì)量與量測(cè)值的準(zhǔn)確性。量測(cè)設(shè)備輸入阻抗與待測(cè)件組抗不匹配之缺點(diǎn)可規(guī)納為：
a.信號(hào)反射，傳輸纜在線(xiàn)產(chǎn)生駐波。
b.噪聲增大。
c.降低信號(hào)輸出功率。
d.影響系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定。
e.影響量測(cè)值之準(zhǔn)確度。