頻譜分析儀的工作原理

頻譜分析儀的工作原理

頻譜分析儀架構猶如時(shí)域用途的示波器，外觀(guān)如圖1.2 所示，面板上布建許多功能控制按鍵，作為系統功能之調整與控制，系統主要的功能是在頻域里顯示輸入信號的頻譜特性。頻譜分析儀依信號處理方式的不同，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振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應的濾波器與檢知器(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，其缺點(diǎn)是價(jià)昂且性能受限于頻寬范圍、濾波器的數目與最大的多任務(wù)交換時(shí)間(Switching Time)。

最常用的頻譜分析儀是掃瞄調諧頻譜分析儀，其基本結構類(lèi)似超外差式接收器，工作原理是輸入信號經(jīng)衰減器直接外加到混波器，可調變的本地振蕩器經(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)混波器與輸入信號混波降頻后的中頻信號（IF）再放大、濾波與檢波傳送到CRT 的垂直方向板，因此在CRT 的縱軸顯示信號振幅與頻率的對應關(guān)系，信號流程架構如圖1.3 所示。

影響信號反應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)不同頻率的信號能夠被清楚的分辨出來(lái)的最低頻寬差異，兩個(gè)不同頻率的信號頻寬如低于頻譜分析儀的RBW，此時(shí)該兩信號將重迭，難以分辨，較低的RBW 固然有助于不同頻率信號的分辨與量測，低的RBW 將濾除較高頻率的信號成份，導致信號顯示時(shí)產(chǎn)生失真，失真值與設定的RBW 密切相關(guān)，較高的RBW 固然有助于寬帶帶信號的偵測，將增加噪聲底層值(Noise Floor)，降低量測靈敏度，對于偵測低強度的信號易產(chǎn)生阻礙，因此適當的RBW 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(guān)

另外的視頻頻寬（VBW，Video Bandwidth）代表單一信號顯示在屏幕所需的最低頻寬。如前所說(shuō)明，量測信號時(shí)，視頻頻寬過(guò)與不及均非適宜，都將造成量測的困擾，如何調整必須加以了解。通常RBW 的頻寬大于等于VBW，調整RBW 而信號振幅并無(wú)產(chǎn)生明顯的變化，此時(shí)之RBW 頻寬即可加以采用。量測RF 視頻載波時(shí)，信號經(jīng)設備內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)法完全充電到信號的振幅峰值，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 適當寬度的選擇因而顯現其重要性。較寬的RBW 較能充分地反應輸入信號的波形與振幅，但較低的RBW 將能區別不同頻率的信號。例如使用于6MHz 頻寬視訊頻道的量測，經(jīng)驗得知，RBW 為300kHz 與3MHz 時(shí)，載波振幅峰值并不產(chǎn)生顯著(zhù)變化，量測6MHz的視頻信號通常選用300kHz 的RBW 以降低噪聲。天線(xiàn)信號量測時(shí)，頻譜分析儀的展頻（Span）使用100MHz，獲得較寬廣的信號頻譜需求，RBW使用3MHz。這些的量測參數并非一成不變，將會(huì )依現場(chǎng)狀況及過(guò)去量測的經(jīng)驗加以調整。

1.分析頻譜分析儀的訊息處理過(guò)程
在量測高頻信號時(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，但由于超外差式的頻譜分析儀是在頻帶內掃瞄之故，因此，除非使掃瞄時(shí)間趨近于零，無(wú)法得到輸入信號的實(shí)時(shí)(Real Time)反應，故欲得到與實(shí)時(shí)分析儀的性能一樣的超外差式頻譜分析儀，其掃瞄速度要非常之快，若用比中頻濾波器之時(shí)間常數小的掃瞄時(shí)間來(lái)掃瞄的話(huà)，則無(wú)法得到信號正確的振幅，因此欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率，且要能得到準確之響應，要有適當的掃瞄速度。若用比中頻濾波器之時(shí)間常數小的掃描時(shí)間來(lái)掃描的話(huà)，則無(wú)法得到信號的正確振幅。因此，欲提高頻譜分析儀之頻率分辨率，且要得到準確之響應，要有適當的掃描度。由以上之敘述，可以得知超外差式頻譜分析儀無(wú)法分析瞬時(shí)信號(TransientSignal)或脈沖信號(Impulse Signal)的頻譜，而其主要應用則在測試周期性的信號及其它雜散信號(Random Signal)的頻譜。頻譜分析儀系統內部及面板顯示的特性，詳如附錄一的說(shuō)明，對該內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的頻率均高于中頻信號的頻率，本地振蕩器輸出信號的頻率可被調整在諧波之頻率，亦即?IN=n??LO±?I F n=1, 2, 3.......(2)
由式(2)得知，頻譜分析儀的信號量測范圍，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，均能被混波產(chǎn)生中頻。延伸輸入信號頻率的混波原理如圖1.4 所示，其中縱軸代表輸入信號(?IN)，橫軸代表本地振蕩頻率(?LO)，圖中的正負整數代表公式(2)中頻放大器對應的正負號。

圖1.3：頻譜分析儀的信號流程
由圖1.4 可體會(huì )頻譜分析儀利用本地振蕩的諧波信號延伸輸入信號頻率的工作原理。然而圖1.4 可能對應多個(gè)輸入信號頻率，為消除此一現象，在衰減器前面加入頻率預選器(Preselector)，用來(lái)提升頻譜分析儀的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)使輸出的結果能去除其它不必要的頻率而真正反應輸入信號的頻率。

圖1.4：利用本地振蕩之諧波信號拓展信號頻率的原理

由以上得知超外差或頻譜分析儀無(wú)法分析瞬時(shí)信號(TransientSignal)或脈沖信號(Impulse Signal)的頻譜，而其主要應用則在測試周期性的信號及其它隨機信號(Random Signal)的頻譜。

2.噪聲特性
由于電阻的熱敏效應，任何設備均具有噪聲，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，屬于隨機性（Random），它能被放大與衰減，由于系隨機性信號，兩噪聲的結合只有相加而無(wú)法產(chǎn)生相減的效果。在頻帶范圍內也相當平坦，其頻寬遠大于設備內部電路的頻寬，檢測器檢知的噪聲值與設定的分辨率頻寬（RBW）有關(guān)。由于噪聲是隨機性迭加于信號功率上，因此顯示的噪聲準位與分辨率頻寬成對數的關(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)的數學(xué)式如下所示：

例如：頻寬從100kHz（BW1）調整到10kHz（BW2），則噪聲改變量為：

亦即降低噪聲量10dB (為原來(lái)的1/10)，相對提高訊號與噪聲比10dB。由此可知，純粹要降低噪聲量，使用最窄寬度的頻寬將能達到目的。不論噪聲來(lái)之于外部或內部產(chǎn)生，量測時(shí)均將影響信號振幅的準確性，特別在低準位信號時(shí)，更是如此，噪聲太大時(shí)，甚至掩蓋信號以致無(wú)法正確判斷信號的大小，影響量測質(zhì)量的兩種噪聲可概括為下列三大項：
(1).產(chǎn)生于交換功能的數字電路、點(diǎn)火系統與DC 馬達脈沖噪聲，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，1.38*10?23 joule/oK
T=絕對溫度表示的常溫=290 oK
BW=系統的噪聲功率頻寬（Hz）。
在4MHz、75 Ω 、290 oK 時(shí)的噪聲功率為-59.1dBm。由噪聲功率得知，信號頻寬降低，系統噪聲功率隨之降低，信號的質(zhì)量以信號噪聲比表示
(SNR；Signal-to-Noise Ratio)，信號強度（單位為dBm）與系統噪聲功
率（單位為dBm）的相減值即為信號噪聲比，數學(xué)式為：

3.匹配因素
量測設備的輸入阻抗有時(shí)無(wú)法匹配待測件連接線(xiàn)特性阻抗，根據電磁
理論，阻抗匹配時(shí)，輸出功率最大且沒(méi)有其它不良的副作用，而阻抗不匹
配，將造成信號反射，影響系統頻率的穩定與造成信號功率的損失。信號
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質(zhì)量與量
測值的準確性。量測設備輸入阻抗與待測件組抗不匹配之缺點(diǎn)可規納為：
A.信號反射，傳輸纜在線(xiàn)產(chǎn)生駐波。
B.噪聲增大。
C.降低信號輸出功率。
D.影響系統頻率的穩定。
E.影響量測值之準確度。

更詳細的介紹請查看：頻譜分析儀原理及應用