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上海樂(lè)利簡(jiǎn)析 頻譜分析儀的操作
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 所示，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zui大的多任務(wù)交換時(shí)間（Switching Time）。
zui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)類似超外差式接收器，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 所示。
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zui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)腞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)顯示在屏幕所需的zui低頻寬。如前所說(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，但由于超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(shù)小的掃瞄時(shí)間來(lái)掃瞄的話，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)膾呙樗俣取Ｓ梢陨现當(dāng)⑹?，可以得知超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?IN=n??LO±?I 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 所示，其中縱軸代表輸入信號(hào)（?IN），橫軸代表本地振蕩頻率（?LO），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
由以上得知超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)式如下所示：
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zui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)：
?。?）.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，這類噪聲常見于EMI（Electromagnetic Interference）的討論領(lǐng)域里。
?。?）. 隨機(jī)性噪聲來(lái)之于自然界或電路的電子移動(dòng)，又稱之為KTBW （或稱熱敏）噪聲、Johnson 噪聲、寬帶噪聲或白氏（White）噪聲等，本書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
?。⊿NR；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)件連接線特性阻抗，根據(jù)電磁理論，阻抗匹配時(shí)，輸出功率zui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。
頻譜分析儀是電子工程師工作臺(tái)上或高校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的常用工具。這里我們整理出6條關(guān)于頻譜儀使用的常見問(wèn)題，希望它能為你答疑解惑。
Q1.怎樣設(shè)置才能獲得頻譜儀*的靈敏度，以方便觀測(cè)小信號(hào)
A：首先根據(jù)被測(cè)小信號(hào)的大小設(shè)置相應(yīng)的中心頻率、掃寬（SPAN）以及參考電平；然后在頻譜分析儀沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)載提示的情況下逐步降低衰減值；如果此時(shí)被測(cè)小信號(hào)的信噪比小于15dB，就逐步減小RBW，RBW越小，頻譜分析儀的底噪越低，靈敏度就越高。
如果頻譜分析儀有預(yù)放，打開預(yù)放。預(yù)放開，可以提高頻譜分析儀的噪聲系數(shù)，從而提高了靈敏度。對(duì)于信噪比不高的小信號(hào)，可以減少VBW或者采用軌跡平均，平滑噪聲，減小波動(dòng)。
需要注意的是，頻譜分析儀測(cè)量結(jié)果是外部輸入信號(hào)和頻譜分析儀內(nèi)部噪聲之和，要使測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，通常要求信噪比大于20dB。
Q2.分辨率帶寬（RBW）越小越好嗎？
A：RBW越小，頻譜分析儀靈敏度就越好，但是，掃描速度會(huì)變慢。根據(jù)實(shí)際測(cè)試需求設(shè)
RBW，在靈敏度和速度之間找到平衡點(diǎn)–既保證準(zhǔn)確測(cè)量信號(hào)又可以得到快速的測(cè)量速度。
Q3.平均檢波方式（average type）如何選擇：power？Log power？Voltage？
·Log power對(duì)數(shù)功率平均
又稱Video Averaging，這種平均方式具有zui低的底噪，適合于低電平連續(xù)波信號(hào)測(cè)試。但對(duì)”類噪聲“信號(hào)會(huì)有一定的誤差，比如寬帶調(diào)制信號(hào)W-CDMA等。
·功率平均
又稱RMS平均，這種平均方式適合于“類噪聲“信號(hào)（如：CDMA）總功率測(cè)量
·電壓平均
這種平均方式適合于觀測(cè)調(diào)幅信號(hào)或者脈沖調(diào)制信號(hào)的上升和下降時(shí)間測(cè)量。
Q4.掃描模式的選擇：sweep還是FFT？
A：現(xiàn)代頻譜儀的掃描模式通常都具有Sweep模式和FFT模式。通常在比較窄的RBW設(shè)置時(shí)，F(xiàn)FT比sweep更具有速度優(yōu)勢(shì)，但在較寬RBW的條件下，sweep模式更快。
當(dāng)掃寬小于FFT的分析帶寬時(shí)，F(xiàn)FT模式可以測(cè)量瞬態(tài)信號(hào)；在掃寬超出頻譜分析儀的FFT分析帶寬時(shí)，如果采用FFT掃描模式，工作方式是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分段處理，段與段之間在時(shí)間上存在不連續(xù)性，則可能在信號(hào)采樣間隙時(shí)，丟失有用信號(hào)，頻譜分析就會(huì)存在失真。這種類型信號(hào)包括：脈沖信號(hào)，TDMA信號(hào)，F(xiàn)SK調(diào)制信號(hào)等。
Q5.檢波器的選擇對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響？
·Peak檢波方式
選取每個(gè)bucket中的zui大值作為測(cè)量值。這種檢波方式適合連續(xù)波信號(hào)及信號(hào)搜索測(cè)試。
·Sample檢波方式
這種檢波方式通常適用于噪聲和“類噪聲”信號(hào)的測(cè)試。
·Neg Peak檢波方式
適合于小信號(hào)測(cè)試，例如，EMC測(cè)試。
·Normal檢波方式
適合于同時(shí)觀察信號(hào)和噪聲。
Q6.跟蹤源（TG）的作用是什么？
A：跟蹤源是頻譜分析儀上的常見選件之一。當(dāng)跟蹤源輸出經(jīng)被測(cè)件的輸入端口，而此器件的輸出則接到頻譜分析儀的輸入端口時(shí)，頻譜儀以及跟蹤源形成了一個(gè)完整的自適應(yīng)掃頻測(cè)量系統(tǒng)。跟蹤源輸出的信號(hào)的頻率能地跟蹤頻譜分析儀的調(diào)諧頻率。頻譜分析儀配搭跟蹤源選件，可以用作簡(jiǎn)易的標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析，觀測(cè)被測(cè)件的激勵(lì)響應(yīng)特性曲線，例如：器件的頻率響應(yīng)、插入損耗等。