今日，即時頻譜分析儀已準備好向傳統掃描頻譜分析儀和向量訊號分析儀發出挑戰書。相較於前一代的即時頻譜分析儀，雖提供即時功能，卻只具備傳統頻譜分析的基本能力，也就無法真正和傳統掃描頻譜分析儀和向量訊號分析儀一決高下。但是最新的套件同時包含了即時與傳統頻譜分析儀的優點，是否將為量測領域掀起巨浪，就從本文來一窺究竟。
5年前，大多數的訊號分析儀可分為兩種：掃描頻譜分析儀與向量訊號分析儀。前者雖具備絕佳的動態範圍，卻不適用於分析寬頻複雜的訊號；後者具備較寬的頻寬，但又欠缺良好的動態範圍。當時，大多數工程師不是選用掃描頻譜分析儀，就是向量訊號分析儀，只有少數使用者同時需要具有頻譜量測與調變分析功能的儀器。當時有業者推出即時頻譜分析儀產品，這些分析儀即成為符合該需求的少數產品之一。
數位射頻改善訊號效能
然而，經過5年後，射頻(RF)業界經歷大規模的技術革新，導向整合微處理器與傳統無線電功能的架構，也就是數位射頻。數位射頻主要有兩種類型：第一類是以數位訊號處理(Digital Signal Process, DSP)取代類比訊號處理，第二類則是以數位訊號處理技術提升射頻元件的類比效能。
如IEEE 802.11無線區域網路(WLAN)對不同通道狀況的適應性，就是第一類數位射頻應用的一個顯例。當無線區域網路的連線訊號強度良好且不受干擾時，多會使用如64-QAM之類較高階的調變技術，提供更高的輸出率。然而，若是訊號惡化，發射器便會隨之調整，並改用16-QAM或QPSK般較低階的調變技術。
數位邏輯會利用透過監控無線區域網路鏈結兩端取得的資料，自動完成適應性調變。現今大多數無線電發射設計，多少都具備數位訊號處理功能，以控制其效能。除了改變調變技術，無線電發射台也可改變其傳輸頻率，在產生脈衝訊號的情況下，改變傳送短脈衝的時機。
至於在雷達系統方面，則同樣採用日益復雜的數位訊號處理器技術，一方面用於追蹤傳送的雷達訊號，另一方面提升系統的偵測能力，以偵測由逐漸失真的目標訊號反射回來的訊號。這些數位訊號處理技術上的創新不僅提升效能，而且會使雷達訊號更難以偵測。
現代的功率放大器設計，則是第二類數位射頻形式的典型例子。現在大多數發送器都採用多種預失真技術，可降低頻道外的干擾，並使運作效能最佳化，具備適應性的數位預失真技術(Digital Pre-distortion, DPD)便是其中之一。此技術透過發送器的輸出取樣，以計算半導體放大器固有的非線性行為所造成的錯誤。接著透過數位訊號處理演算法產生相關係數，並用此係數對輸入訊號進行預先失真。相較於沒有使用預失真技術的訊號，經過預失真處理的訊號，顯示出較低的頻譜失真度，和較低的鄰近通道洩漏比(ALCR)。
即時頻譜分析儀乘數位訊號而起
數位射頻比傳統類比射頻多了一些重要的優勢，包括數位元件成本日漸低於類比元件；數位電路較不易受到溫度變化的影響；數位射頻系統可以使用軟體進行變更，具調整元件效能的更大彈性。這不僅簡化製造過程，且可進行更精確、更具適應性的調校。
數位射頻的優勢之大，使得射頻業界現在皆改用數位射頻技術來進行訊號處理，或提升像功率放大器這種類比射頻元件的效能。也因如此，導致對具備良好頻譜、調變與暫態量測功能之儀器的需求相對增加。
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| 圖1 日前已有業者推出新款即時頻譜分析儀，搶攻市場。 |
現今市場上大多數的新式分析儀(圖1)，都具備內建的頻譜和調變分析功能，但卻缺乏能在大量數位射頻訊號中，偵測和擷取暫態事件的重要能力。舉例來說，若無法可靠地擷取到訊號而加以分析，那麼分析儀的頻寬和動態範圍等特性再好也是多餘。此一挑戰使得即時頻譜分析儀的適用性大增，即時頻譜分析儀不僅設計用於提供精確的頻譜和調變分析功能，且提供功能強大的工具，以發現想要的訊號，讓使用人員能夠確實觸發這些訊號，並將訊號擷取至記憶體。
數位射頻在成本和效能上的優勢，吸引愈多人對數位射頻有興趣，也就造成許多射頻頻帶的擁塞現象明顯增加。這些擁塞現象可以透過ISM頻帶的適應性技術，或是透過功率調節，使寬頻帶及低功率訊號經由調節過的射頻頻帶傳輸控制。
控制此擁塞現象，對設計人員和電訊管理機構而言皆是一大挑戰。設計人員必須確保裝置無論在不擁塞的環境，或是高度擁塞及動態的環境下，都能正常運作。電訊管理機構則必須找出劣質的發送器，並確保持有執照授權的用戶，可以在不受干擾的情況下使用他們的頻帶。
典型的無線射頻辨識(RFID)安裝是高度擁塞射頻環境的例子之一。每個RFID標籤都包含如識別碼等獨特資訊，可經由RFID讀取器讀取。用於傳送標籤資訊的調變方式則包括振幅調變(Amplitude Shift Keying, ASK)、頻率調變(Frequency Shift Keying, FSK)或相位調變(Phase Shift Keying, PSK)。然而，一般使用RFID的射頻環境卻可能十分複雜，因此在同一範圍可能近距離使用多個讀取器。如此一來，射頻干擾將可能導致原因不明的讀取錯誤，或是不一致的標籤讀取率。由於這些訊號是暫態性質且時序不定，若是沒有即時頻譜分析儀所提供的即時射頻(Live RF)顯示功能，便很難針對問題進行除錯。
總之，現今的射頻工程師面臨日益複雜且精密的數位射頻功能挑戰。數位射頻在成本和效能上的優勢，造成許多射頻頻帶的擁塞現象明顯增加。負責開發數位射頻產品和裝置的設計工程師，不僅須要具備頻譜和調變分析功能，還需要操作簡單的方法，檢視射頻頻譜及擷取射頻暫態事件，以確保這些全新而靈敏的系統能夠正常運作。特別是在檢視射頻頻譜以及可靠擷取暫態訊號進一步分析方面，電訊管理機構也有類似的需求。數位射頻所帶來的突破性技術革新，使即時頻譜分析儀成為主流產品，而非因應特殊需求而存在所使用的產品。
(本文作者為太克科技即時頻譜分析儀集團行銷總監)