寄生效應、諧波失真與交互調變失真等因素，皆會引起待測物(DUT)產生不必要的雜訊，因此在量測發射器的雜散訊號(Spurious)時須要花上許多時間，而頻譜分析儀本身也需要低準位雜訊基準(Noise Floor)，並縮小解析頻寬(RBW)以降低雜訊基準，但如此一來也會降低掃描速率(Sweep)而增加量測所需花費的時間；因此，解析頻寬和檢測器(Detector)皆會影響頻譜分析儀可量測的範圍。而量測雜散訊號的速度與頻譜分析儀的架構有關，本篇將討論Swept與FFT不同架構頻譜分析儀對於掃描速度的影響。
頻譜分析儀的熱雜訊基準是影響動態範圍最重要的因素，一般而言，窄頻的解析頻寬可以降低頻譜分析儀的雜訊基準來測量雜散訊號，並達到測試需求。在高階頻譜分析儀的平均顯示雜訊位準(DANL)約-155dBm(RBW=1Hz)，可由下列公式得知解析頻寬與平均顯示雜訊位準的關係：
檢測器類型影響量測結果
頻譜分析儀是以液晶顯示器的光柵掃描方式做為顯示，而這種顯示方式在頻率軸的像素數目是有限的，當測量雜散訊號時，過窄的解析頻寬會讓每個頻率點的準位會被壓縮，在使用頻譜分析儀量測時，峰值(Peak)、取樣(Sample)和均方根(RMS)是最常使用的檢測器類型。
當使用取樣檢測器(Sample Detector)時，會在x軸上每一個像素產生量測值，解析頻寬過窄時可能會導致總的訊號失真，一般用取樣檢測器來描述頻譜分析儀的雜訊基準，在儀器規格書上的DANL也是使用取樣檢測器進行量測。
多數頻譜分析儀使用均方根檢測器(RMS Detector)量測平均功率(Mean Power)，在量測雜散訊號時也須要計算平均功率。一般雷達發射器量測雜散訊號時，通常是使用峰值檢測器(Peak Detector)的方式檢測，使用峰值檢測器的優點是不會有訊號遺漏，可量測到最大的峰值，而且能擷取頻譜分析儀頻率範圍的量測值。
掃描點數(Sweep Point)會影響頻率解析程度，調整掃描點數能提高頻率解析度，使用峰值檢測器來量測雜訊基準，會比使用取樣檢測器及均方根檢測器數值高。雜訊基準的峰值與每個像素的觀察時間有關，當雜訊基準被當成頻譜分析儀的高斯白雜訊(Gaussian Noise)時，波峰因素(Crest Factor)約是12dB。
Swept頻譜分析儀架構
DANL對於頻譜分析儀是一個很重要的參數數值，用相同的條件來比較頻譜分析儀的架構與量測速度，接下來會對於解析頻寬在Swept與快速傅立葉轉換(FFT)不同架構的頻譜分析儀比較。
Swept頻譜分析儀(圖1)的輸入訊號，會經由混波器(Mixer)與本地振盪器(Local Oscillator)降頻至中頻(IF)頻率，掃過的頻率跨距(Span)會顯示於螢幕上，掃描時間(Sweep Time)是頻率跨距掃描所需的時間，頻譜分析儀的掃描速度與解析頻寬及所選擇的頻率跨距有關。
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| 圖1 傳統 Swept 頻譜分析儀架構圖 |
在中頻訊號處理使用高斯濾波器，能清楚了解訊號在頻率軸上的情形，解析頻寬不只與頻率解析度及雜訊基準有關，也是影響掃描時間的主因。經由解析頻寬濾波器處理後的訊號會經由檢波器到視頻濾波器(Video Filter)上，視頻濾波器的功能是減少軌跡(Trace)上的雜訊。
在量測雜散訊號時會量測顯示軸上的最高峰值，為得到正確的量測，類比式濾波器需要足夠的時間因應輸入訊號的準位改變，對於一個傳統類比式Swept頻譜分析儀，掃描時間可由下列公式來計算，公式如下：
由於上面列出公式中的校正因子「k」會影響量測準位的測量，而在大多數類比頻譜分析儀中，其準位可接受的誤差範圍為1%，因此k因子可設定為2.5。
羅德史瓦茲(R&S)FSV或R&S FSW頻譜分析儀中頻部分使用數位的解析頻寬濾波器，設定合適的解析頻寬，可減少掃描時間，當校正因子k設定為約1的值時，仍能執行精確的測量。
在1GHz的頻率跨距與1kHz解析頻寬條件下，經由上列公式可以進一步計算得知掃描時間是1,000秒，由此可見，Swept頻譜分析儀在窄頻解析頻寬時，會花費許多掃描時間，若使用FFT頻譜分析儀將能提高掃描速度。
FFT頻譜分析儀架構
FSW頻譜分析儀(圖2)與Swept頻譜分析儀架構最大的不同是中頻濾波器與訊號處理的方式，在中頻使用其他的濾波器用來抑制鏡像訊號(Image Rejection)，或使用快速傅立葉轉換訊號處理。通常寬頻帶訊號頻譜分析儀在數位類比(AD)轉換器之前有二到三個具有不同頻寬的濾波器。
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| 圖2 R&S FSW頻譜分析儀架構圖 |
隨著現代頻譜分析儀和AD轉換器架構轉變，每一個FFT的頻率覆蓋範圍可覆蓋至100MHz，或甚至更高。FFT頻譜分析儀的掃描時間組成三個部分，包括取樣的擷取時間、FFT的處理時間、降頻的頻率步驟。與傳統Swept頻譜分析儀不同的地方是使用FFT的擷取時間(Acquisition Time)與解析頻寬成反比關係。
上面公式的校正因子k值與所選用的FFT濾波器有關，許多頻譜分析儀為得到最佳準確度而k值設定約是2～4。
解析頻寬設定1kHz時，每次FFT的擷取時間將小於4毫秒(ms)。FFT的數據處理時間與頻譜分析儀架構有關，並對於整體的測量速度有很大的影響，而另一個對測量速度的影響是擷取頻寬。
雜散訊號量測結果
之前比較過不同類型的頻譜分析儀架構，其解析頻寬對於整體掃描時間的影響，接著會討論在不同架構的頻譜分析對於雜散訊號的量測，平均顯示DANL在不同頻譜分析儀架構時為一個很重要的參數，接下來會在同樣的解析頻寬條件下進行比較(圖3)。
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| 圖3 在同樣的1kHz解析頻寬時，FSU與FSW兩種不同頻譜分析儀對於平均顯示DANL量測結果。 |
R&S FSU和FSW兩款分析儀器分別是在不同時期推出的高性能頻譜分析儀，FSU的設計為採用Swept架構的頻譜分析儀，也能對訊號做FFT分析，解析頻寬為30kHz；而FSW設計則採用寬頻訊號分析儀架構，採用FFT解析頻寬濾波器能有更短的掃描時間，這兩款儀器於頻率達26.5GHz時，有相似的雜訊基準，在1kHz解析頻寬能直接做掃描時間的比較。
在1kHz的解析頻寬下，傳統Swept頻譜分析儀的掃描時間經由公式計算後約26,500秒，但是實際上大多數頻譜分析儀的掃描時間約10,000秒，無法符合實際上需求，而掃描時間與所選擇的頻率跨距有關，接下來的量測比較會以1GHz的頻率跨距來表示。
傳統Swept頻譜分析儀的量測結果
使用FSU傳統Swept頻譜分析儀來量測時，設定解析頻寬為1kHz，雜訊基準約為-110dBm，頻率範圍從10MHz～26GHz，每個頻率區段以1GHz的頻率跨距量測，量測時間包含訊號處理的時間與資料傳遞的時間等(圖4)。
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| 圖4 在1kHz解析頻寬時，FSU頻譜分析儀在1GHz頻率跨距的量測結果。 |
實際上在量測雜散訊號時，雜訊位準(Noise Level)也會影響掃描時間，而平均掃描時間如下：
由上述測試可以很清楚地得知，在Swept頻譜分析儀量測雜散訊號是非常耗時的，為改進量測速度，以下會提供一些方法來提高量測速度，在R&S FSU頻譜分析儀的解析頻寬小於10kHz時，使用FFT解析頻寬濾波器的量測速度會遠快過傳統Swept的掃描方式。
FFT頻譜分析儀量測結果
這裡會就R&S FSU與R&S FSW頻譜分析儀使用FFT解析頻寬濾波器其掃描速度的量測比較，量測的頻率範圍從10MHz～26GHz，以1kHz解析頻寬及每1GHz為頻率跨距做量測(圖5)。
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| 圖5 在1kHz解析頻寬與1GHz頻率跨距時，FSU頻譜分析儀在FFT模式的量測結果。 |
圖5顯示量測頻率範圍從10G～11GHz，擷取時間AQT(Acquisition Time)為20秒，當輸入訊號是調變訊號或是脈衝訊號時，擷取時間就變得很重要，頻譜分析儀須花費足夠的時間在每個頻率點抓取訊號。
圖6顯示R&S FSU在FFT模式下對於雜散訊號的測量的結果，其他設定都和Swept模式是相同的，這種測量的數據擷取時間AQT為20秒。
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| 圖6 在1kHz解析頻寬與1GHz頻率跨距時，FSU頻譜分析儀在FFT模式的量測結果。 |
FFT掃描從10MHz～26GHz的測量時間約27分鐘，使用Swept的掃描時間超過7小時(可參考以下數據)。使用FFT解析頻寬濾波器比使用Swept掃描速度快將近十五倍。
當使用寬頻訊號頻譜分析儀時更可以提高量測的速度，R&S FSU能擷取於2MHz頻寬的訊號，而R&S FSW具有高速控制器，能減少程序處理時間，單次FFT程序能擷取達80MHz頻寬，FFT擷取的頻寬越寬，則每次取樣數就越多，優點是減少FFT的次數。
過去在非常低的準位去量測雜散訊號時須花費相當多的時間，現在寬頻訊號頻譜分析儀大幅加快測量速度，中頻訊號處理使用FFT分析方法來提升量測速度，與之前的頻譜分析儀相比較，即使在窄的解析頻寬量測時，R&S FSW亦具有相當理想的訊號處理能力，將有助系統製造商節省大量的測量時間。
(本文作者任職於羅德史瓦茲)