使用頻譜分析儀檢測電路信號質(zhì)量

日常生活里充斥頻譜(Spectrum)的概念，各種不同頻率信號以機率分配方式存在。在一般時(shí)域分析(Time-domain Analysis)中，很容易從時(shí)間軸上觀(guān)察到任何信號波形變化事件，只要用示波器測量，就能看出任何具有時(shí)間函數的電子信號事件的瞬間物理量。

頻譜分析儀的發(fā)展起源，從早期通信系統上頻率測量開(kāi)始，為實(shí)現以頻率為基準點(diǎn)，在頻域上檢測信號而研發(fā)的儀器，廣泛用于測量通信系統的各種重要參數，如平均噪聲位準(Average Noise Level)、動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic Range)、頻率范圍(Frequency Range)等。此外還可用在時(shí)域測量，如測量傳輸輸出功率等。從功能面看，一般計頻器只能測量信號頻率，功率計能測量信號功率，頻譜分析儀可視為兼具計頻器與功率計的測量?jì)x器(表1，*：指模擬解調)。

頻譜分析與時(shí)域分析相輔相成

如要理清信號特性，除使用示波器從時(shí)域(Time Domain)觀(guān)察信號外，需從頻率的角度，簡(jiǎn)稱(chēng)頻域(Frequency Domain)去分析信號。用示波器觀(guān)察信號無(wú)法一窺全貌，只能看到組成后的波形。法國數學(xué)家傅立葉(Jean-Baptiste-Joseph Fourier)認為，任何時(shí)域上的電子信號現象，皆由多組適當的頻率、振幅與相位的弦波信號(Sine Wave)組成。因此，任何有適當濾波功能的電子系統，必可將信號波形分解成多個(gè)分別不同的弦波或頻率，不同弦波則由其所具有的振幅與相位來(lái)決定信號特性。換言之，借由這種組成分析，可將弦波信號由時(shí)域轉為頻域。

對無(wú)線(xiàn)射頻(RF)與微波信號而言，不加入分析要素時(shí)，保留相位信息往往會(huì )使轉換過(guò)程變得復雜，因此要設法隔離相位信息。當分析周期性信號時(shí)，通過(guò)傅立葉詮釋能了解，在頻域中個(gè)別組成弦波之間的距離單位為頻率(f)或1/T(T是弦波信號的周期)。由時(shí)域轉換至頻域，必須對信號進(jìn)行連續性計算，一般進(jìn)行信號觀(guān)察，只以一小段時(shí)間范圍內特性來(lái)概括全貌。運用傅立葉變換(Fourier Transform)，能從頻域觀(guān)點(diǎn)轉換至時(shí)域空間思考，不過(guò)要先把沿著(zhù)頻率軸范圍的頻譜與個(gè)別成分之相位計算出來(lái)。例如，要將一個(gè)時(shí)域中的方波轉換到頻域后，再反轉換回時(shí)域時(shí)，往往因相位參數未加以保留，而產(chǎn)生鋸齒波失真。

時(shí)域中任意信號，必為一群弦波信號的線(xiàn)性組合信號或合成信號，如圖1所示，頻譜的頻域象限中呈現的弦波信號特性，可用振幅與頻率來(lái)表達，而非純弦波波形的信號，包含二次諧波(Second Harmonic)組成信號。雖然如此，但頻譜分析(Spectrum Analysis)并不能完全取代時(shí)域分析；后者在大部分信號測量仍占有一席之地，且能提供信號脈波的上升與下降時(shí)間、信號過(guò)沖與振蕩現象等。所以，頻譜分析與時(shí)域分析可視為相輔相成的方法。

圖1 時(shí)域與頻域的差異

RF電路中可能有放大器(Amplifier)、振蕩器(Oscillator)、混頻器(Mixer)、濾波器(Filter)等電路元件，單純用示波器來(lái)看，無(wú)法察覺(jué)這些元件在電路中的變化，此時(shí)必須使用頻譜分析儀，分析其頻率響應來(lái)說(shuō)明電路的特性。

頻域中有對應的信號強度可測量，所以頻域分析是找出待測信號各諧波成分的最佳解決方法，尤其對通信工程人員最重視的諧波失真分析有重要貢獻。例如，在無(wú)線(xiàn)電話(huà)系統中的載波信號上，必須常檢查其他系統的諧波干擾是否造成信號失真，而影響到通話(huà)質(zhì)量的情況。此外，通信工程人員也關(guān)心載波信號上的調變信號失真程度。如發(fā)生交互調變現象所產(chǎn)生的失真成分，往往落在所攸關(guān)的帶寬中難以濾除。

頻譜的占據率，也是在頻域分析上一種重要測量。為了防范鄰近頻率信號干擾，針對調變信號所進(jìn)行的展頻動(dòng)作，往往是基于有效規范各種發(fā)射頻譜之帶寬的考慮。各式各樣通信電子產(chǎn)品的普遍使用下，造成不必要的電磁信號無(wú)所不在，成為電磁污染源。而電磁干擾是一種頻譜的占據現象，無(wú)論是輻射式或傳導式電磁干擾，都會(huì )造成其他電子系統在操作運轉上的損害，因此電子或電器產(chǎn)品制造廠(chǎng)商，都必須依據電子電器商品相關(guān)法令規范，來(lái)進(jìn)行電磁輻射測試，才能上市。

頻譜分析儀種類(lèi)各有千秋

頻譜分析儀分兩類(lèi)，實(shí)時(shí)性(Real Time)頻譜分析儀(SA)與掃描調諧(Sweep Tuned)頻譜分析儀。

SA能立即把信號濾出來(lái)，使用許多平行架構的濾波器來(lái)分布在所有的帶寬范圍中，信號一經(jīng)輸入之后能馬上表示(圖2)，為實(shí)時(shí)性頻譜分析儀的架構。實(shí)時(shí)性頻譜分析儀能立刻將信號濾出，濾波器的帶寬可以依照不同的跨度(Span)來(lái)作調整與改變，不過(guò)這類(lèi)型的頻譜儀，最大的問(wèn)題在使用大量濾波器作實(shí)時(shí)處理，所以?xún)r(jià)格昂貴，且帶寬通常不會(huì )很高，一般約10M～30MHz左右。

圖2 實(shí)時(shí)性頻譜分析儀架構

Sweep Tuned頻譜分析儀，可分為兩大類(lèi)，分別是RF調諧方式、超外差掃描方式。

圖3為RF調諧方式架構而成的頻譜分析儀方塊圖，使用一個(gè)帶通可調的濾波器(Tunable Filter)，由一掃描儀來(lái)調變期帶通寬度，進(jìn)而使得相關(guān)的頻率信號通過(guò)，并加至垂直偏向版(即CRT中的橫軸)，而CRT中的水平軸受掃描儀頻率同步的控制，使不同的頻率信號在水平軸上分別對應地呈現。

圖3 RF調諧方式的頻譜分析儀架構

此種方式構成的頻譜分析儀較簡(jiǎn)單，能包含較廣的頻率范圍，而且價(jià)格便宜，但靈敏度與頻率特性等效能較差，濾波器的帶寬固定，頻率的分辨率無(wú)法改變。此種調諧型的頻譜分析儀較為經(jīng)濟，以及所能測量的頻率范圍較廣，故早期微波帶寬常常使用這一方式?？上Т朔N方式以?huà)呙鑳x來(lái)調變?yōu)V波器的帶通，故掃描儀的掃描速度不能太快，通常在數個(gè)MHz/s左右，當掃描超出這個(gè)比值，濾波器對信號的響應尚未達到100%時(shí)，濾波器的帶通范圍已經(jīng)改變，所以測出的值往往較小于原來(lái)信號而不準確。

由于調諧式頻譜分析儀的靈敏度與準確性不高，所以目前使用最廣的是超外差式的頻譜分析儀(圖4)。此種方式是將輸入濾波器的帶通固定，使用一個(gè)頻率可變的本地振蕩器(Local Oscillator, LO)，使之產(chǎn)生隨時(shí)間而線(xiàn)性變化的振蕩頻率。將此可變的振蕩頻率與輸入信號在混波器(Mixer)混合后，產(chǎn)生一中頻。此中頻成為接收機的輸出，加至屏幕的垂直偏向板(橫軸)，巨齒波電壓亦同時(shí)加至水平偏向板(縱軸)，在屏幕上顯示出的信號為頻率與振幅的對應關(guān)系。以下將針對圖4中每個(gè)單元進(jìn)行介紹：

圖4 超外差式頻譜分析儀簡(jiǎn)易架構

·衰減器

因為混波器的RF輸入最大線(xiàn)性范圍有限，對一般測量不夠用，因此須將過(guò)大信號預先衰減到混波器RF輸入線(xiàn)性范圍。經(jīng)過(guò)混波器之后，再利用放大器把信號還原。但這種架構會(huì )造成頻譜分析儀上的顯示噪聲位準，隨著(zhù)衰減器(Input Attenuator)的值起伏。

·混波器

RF信號與LO信號經(jīng)過(guò)混波器之后，產(chǎn)生許多兩者之間頻率倍數相加減的信號。當輸入信號與本地振蕩器經(jīng)過(guò)混頻之后，會(huì )產(chǎn)生三種中頻的可能(或者更多)，可用以下公式來(lái)求出所要的正確中頻信號：

第(1)式中fIF所產(chǎn)生的中頻頻率，遠高過(guò)頻譜分析儀內中頻濾波器的協(xié)振頻率，故不能為此儀器所接受。第(3)式所產(chǎn)生的中頻，其輸入信號之頻率fRF必須比f(wàn)LO高，所以此種fRF信號比振蕩頻率fLO高的RF就會(huì )被排除在外。最后只有第(2)式中所產(chǎn)生的中頻，才為正確的中頻信號。

·解析帶寬

解析帶寬(Resolution Bandwidth, RBW)濾波器也稱(chēng)中頻濾波器，其作用是將RF頻率與本地振蕩頻率相檢的信號，也就是所謂的IF信號，由混波器產(chǎn)生的眾多頻率中過(guò)濾出來(lái)。使用者可借由面板上的RBW控制鈕，選擇不同的3dB帶寬的RBW濾波器。由圖5可看出，RBW設的越窄，所觀(guān)察到的頻率分布就越細微，也降低噪聲位準。

圖5不同RBW與噪聲位準關(guān)系

·電壓控制振蕩器

頻譜分析儀上電壓控制振蕩器(VCO)頻率，必須由高于最高輸入頻率延伸到至少最高輸入頻率兩倍頻率以上。對工作在1G以上的頻譜分析儀而言，這就代表著(zhù)振蕩器至少要由1～3G。實(shí)際的設計中，大多數為2～3.5G左右。這種頻率范圍通常需要具有調諧電路的振蕩器，而非低頻振蕩器中典型的線(xiàn)圈與電容。

·檢波器

若直接將中頻信號輸出到屏幕上，會(huì )造成一團雜波。所以必須通過(guò)檢波器(Detector)，將中頻的交流電(AC)信號振幅轉換為直流(DC)偏壓，再輸出到屏幕行程相對的傳值偏向，呈現各個(gè)頻率的大小?，F行的頻譜分析儀，大多以數字取樣的方式，將波型呈現在屏幕上。

·視信帶寬

中頻振幅的直流偏壓送到屏幕前，須經(jīng)過(guò)視信濾波器。它是一個(gè)低通濾波器，可將屏幕的垂直偏壓變化變得較平緩。

超外差式的頻譜分析儀混頻之后，因中頻放大緣故，可以得到較大的靈敏度，且改變中頻濾波器的帶寬，能很容易的改變頻率的分辨率。但由于超外差式的頻譜分析儀是在頻袋內掃描緣故，因此無(wú)法得到實(shí)時(shí)性分析(瞬間分析全部頻譜)，除非掃描時(shí)間趨近于零。況且，若使用比中頻濾波器的時(shí)間常數小的掃描時(shí)間來(lái)掃描的話(huà)，無(wú)法得到信號的正確振幅(即功率)，因此想要提高頻譜分析儀的頻率分辨率，且得到精準的響應，掃描速度要調整適當。從上述得知，在超外差的頻譜分析儀中，無(wú)法分析瞬時(shí)信號(Transient Signal)或單一脈沖信號(Impulse)，主要應用在測試周期性信號或者其他離散信號。

頻譜分析儀操作特性分析

頻率分辨率(Frequency Resolution)，是頻譜分析儀對于一些頻率相隔很近之信號區分的能力。決定此分辨率有兩個(gè)因素，一是中頻放大器的帶寬(Bandwidth)或選擇性(Selectivity)；另一個(gè)為頻譜分析儀本身的頻率穩定度(Stability)，此穩定度決定于頻率漂移(Drift)、殘余的FM信號(Residual FM)，以及本地振蕩器上面的噪聲大小。

頻譜分析儀的掃描速度太快，會(huì )導致掃描靈敏度的衰檢(Sweep Desensitization)，將造成振幅、選擇性與分辨率的損失，可通過(guò)以下方法改善：當掃描信號被維持在中頻濾波器的帶寬，而有夠長(cháng)時(shí)間允許信號幅度在濾波器建立一個(gè)適當值時(shí)，只要掃描的速度(Hz/s)不超過(guò)中頻濾波器3dB帶寬的平方，就能避免掃描靈敏度的衰減。

衡量最微弱信號檢出的能力稱(chēng)為靈敏度。最大靈敏度是由頻譜分析儀內所發(fā)生的噪聲來(lái)決定。通常內部的噪聲分成兩種，熱噪聲與其他噪聲。熱噪聲的電功率為：

PN=雜音電功率(KTB)
K：Boltzman Constant(1.38 x 10-23Joul/oK)
T：絕對溫度
B：用Hz表示系統的帶寬

由此可知噪聲大小與帶寬成比例，因此當帶寬下降1/10時(shí)，噪聲水平(Noise Floor)會(huì )減少10dB，靈敏度也改善10dB。

理清基本參數定義

頻譜分析儀幾個(gè)基本設定參數，如圖6所示。頻率顯示的范圍，可以經(jīng)由設定開(kāi)始頻率和截止頻率，也就是頻率的最大值與最小值，或者也可以設定想要的中心頻率，再設定所要展開(kāi)的帶寬；位準顯示范圍有助于最大位準的顯示與間距；當頻譜分析儀以外差式原理來(lái)操作，頻率的分辨率是由IF濾波器的帶寬來(lái)設定的，也就是上面所提到的RBW。掃描時(shí)間(Sweep Time)主要針對外差式的頻譜分析儀設定，指紀錄所要全部頻率范圍所需時(shí)間。如果希望得到較小的解析帶寬，掃描時(shí)間會(huì )變長(cháng)。

圖6 頻譜分析儀示意圖

頻譜分析儀RF輸出端，通常有兩種不同的接頭，BNC頭跟N-Type頭(圖7)兩種。BNC接頭通常能測試范圍較小，且通過(guò)BNC測試出來(lái)的高頻部分較易產(chǎn)生誤差，所以現今的高頻測試儀器，幾乎都以N-Type接頭為主。

圖7 頻譜分析儀RF端測試接頭N Type接頭

在測試系統中有各類(lèi)型接頭做測試。除N Type、BNC接頭外，還有SMA接頭、F接頭等常見(jiàn)的接頭。SMA接頭常用在高頻測試或者電路板連接部分，F接頭較常使用在有線(xiàn)電視系統，或在A(yíng)V信號。其他還有像是TNC接頭、M接頭、UHF接頭等接頭，較常在無(wú)線(xiàn)電系統中被使用。這些類(lèi)型的接頭雖然在RF通信系統中并不常用，但是在測量某些特殊規格或者測試過(guò)程中，還是有可能用到。

線(xiàn)材的分類(lèi)是以信號衰減量、阻抗值、導體材料等單位來(lái)區分。常見(jiàn)RF線(xiàn)材RG223、RG316等，較常使用在高頻通信上；RG58、RG59等較常用在低頻測試上。RF部分的測量，常以RG316線(xiàn)材作測試線(xiàn)材。

不同待測物/信號可變化各式測試方式

頻譜分析儀應用非常廣，依照不同待測物、不同信號即可變化出各式各樣的測試方式。傅立葉變換，是目前十分重要且廣泛應用于各行業(yè)的數字信號分析技術(shù)，當儀器測量所得的信號為時(shí)間-振幅的數據時(shí)，可以用傅立葉變換將此一信號轉換為頻率-振幅，來(lái)進(jìn)行此一信號的頻率特性分析。

傅立葉積分的定義為：

滿(mǎn)足狄里赫利條件的周期信號，可展開(kāi)成對應的數學(xué)式為：

其中

式中a0、an、bn為傅立葉系數；T0為周期，也就是信號基頻成分的周期；為信號的基頻，nW0為次諧波。

正弦波、方波、三角波等的頻譜，如圖8、9、10所示，使用信號源輸入到頻譜分析儀中，即可驗證各波形的頻譜變化。

圖8 正弦波信號與頻譜

圖9 方波信號與頻譜

圖10 三角波信號與頻譜

諧波測量也是一種測量方式，任何的信號都會(huì )有所謂的諧波效應，比較不同的是電路的設計將諧波效應抑制下來(lái)，如使用一臺信號源送入100MHz信號，在其N(xiāo)倍頻下通常能看到其諧波的信號(圖11)。

圖11 主波與諧波表示圖

另外，在頻譜分析儀上裝設天線(xiàn)，可以接收到天線(xiàn)響應范圍內信號，如電臺信號、無(wú)線(xiàn)電信號、手機信號等。如圖12所示，在接收范圍內有125MHz、700MHz、1GHz等信號出現，在頻譜儀上就可清楚接收。

圖12 通信監測示意圖

再來(lái)是相位噪聲測試。理想信號在頻譜分析儀上可用一條垂直線(xiàn)代表，換言之，只有在此頻率上才有信號功率值，在信號的左右完全沒(méi)有功率。但真實(shí)世界中，因物理特性關(guān)系，不可能有如此完美的信號存在，如圖13所示。一個(gè)信號除本身頻率外，還會(huì )有殘留功率在附近，稱(chēng)為相位噪聲。

圖13 相位噪聲表示圖

信道功率是以設定信道寬度大小的帶寬測定，并計算其中的總功率值。如信號帶寬設定1MHz(即中心頻率左右各500kHz)，通道功率就以這范圍來(lái)測量整個(gè)帶寬中的總功率。換言之，如果帶寬設定在100kHz，那通道功率就會(huì )以100kHz內的總功率來(lái)計算(圖14)。

圖14 通道功率示意圖

然后是調變信號測試。目前數字信號幾乎是屬于調變過(guò)后的信號，因為調變信號可以加強信號的安全性，常見(jiàn)的調變信號有AM、FM、FSK以及其他常被提及的調變方式。不同的調變信號可讓設計者或系統來(lái)判別，接收到的信號是否為所想要信號，圖15、16、17即是使用頻譜分析儀來(lái)作信號檢測的圖例。

圖15 AM信號測試(調變信號測試圖)

圖16 FM信號測試(調變信號測試圖)

圖17 FSK信號測試(調變信號測試圖)

最后是Gain/Loss的測量。頻譜分析儀結合信號追蹤器(Tracking Generator, TG)就成為一個(gè)激發(fā)響應(Stimulus Response)測量系統。使用TG來(lái)發(fā)射信號可當作一信號發(fā)生器，把RF接收端當成接收器；由于TG與RF的信號同步，所以可容易找出產(chǎn)品頻率響應點(diǎn)(Insertion Loss)，如果搭配Directional Coupler配件，可測量返回損失(Return Loss)。不論測試頻率響應點(diǎn)或者返回損失，測試時(shí)都須先標準化，標準化有兩種方式：短路與開(kāi)路(圖18、19)。標準化意義在將儀器、制具、接頭、線(xiàn)材等損失先扣除，就可以直接測量出待測物發(fā)出信號的結果。

圖18 測試Insertion Loss前標準化與標準化后將待測物放上(Gain/Loss測量方式)

圖19 測試Return前標準化與標準化后將待測物放上(Gain/Loss測量方式)

一般直接使用TG來(lái)傳送信號、用RF來(lái)接收信號的測試方式(即中間無(wú)耦合器等線(xiàn)路)，其標準化會(huì )先將待測物拿掉，先行將兩端短路，然后利用頻譜分析儀內的標準化功能(一般須加裝TG才會(huì )開(kāi)啟這功能)。校正后再將待測物放上，即可測試。另一種使用Coupler方式，使用網(wǎng)橋當作中間Coupler，這樣的測試方式，會(huì )先將網(wǎng)橋的來(lái)源(Source)端接上TG、Reflected接到RF端，然后將待測裝置(DUT)端先行開(kāi)路，等標準化后再將待測物接上DUT端，即可測試完成。