频谱分析仪的工作原理及应用

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1、 频谱分析仪工作原理和应用 本章除了说明频谱分析仪工作原理、操作使用说明之外，也将其应用领域范围作详细的介绍，尤其应用于天线特性的量测技术将有完整说明。本章的内容包括： 本本章章要要点点 1-1 概论 1-2 频谱分析仪的工作原理 1-3 频谱分析仪的应用领域 1-1 实习一 频谱分析仪 1-1 概论 就量测信号的技术观之，时域方面，示波器为一项极为重要且有效的量测仪器，它能直接显示信号波幅、频率、周期、波形与相位之响应变化，目前，一般的示波器至少为双轨迹输出显示装置，同时也具有与绘图仪连接的 IEEE-488、IEEE-1394 或 RS-232 接口功能，能将屏幕上量测显示的信息绘出，作为

2、研究比较的依据，但它仅局限于低频的信号，高频信号则有其实际的困难。频谱分析仪乃能弥补此项缺失，同时将一含有许多频率的信号用频域方式来呈现，以识别在各个频率的功率装置，以显示信号在频域里的特性。图 1.1 说明方波在时域与频域的关系，此立体坐标轴分别代表时间、频率与振幅。由傅立叶级数(Fourier Series)可知方波包含有基本波(Fundamental Wave)及若干谐波(Harmonics)，信号的组合成份由深圳汉润电子 1-2 11此立体坐标中对应显示出来。 低频时，双轨迹模拟与数字示波器为目前信号时域的主要量测设备，模拟示波器可量测的输入信号频率可达 100 MHz，数字示波器有

3、100 MHz与 400（或 500） MHz 等多种。屏幕上显示信号的意义为横轴代表时间，纵轴代表信号电压的振幅， 用示波器量测可得到信号时间的相位及信号与时间的关系，但无法获知信号失真的数据，亦即无法获知信号谐波分量的分布情况，同时量测微波领域(如 UHF 以上的频带)信号时，基于设备电子组件功能的限制、输入端杂散电容等因素，量测的结果无可避免地将产生信号失真及衰减，为解决量测高频信号上述的问题，频谱分析仪为一适当而必备的量测仪器，频谱分析仪的主要功能是量测信号的频率响应，横轴代表频率，纵轴代表信号功率或电压的数值，可用线性或对数刻度显示量测的结果。另外它的信号追踪产生器 (Trackin

4、g Generator)可直接量测待测件(DUT；Device Under Test)的频率响应特性，但它只能量测振幅无法量测相位。就高频信号领域观之，频谱分析仪是电子工程技术人员不可或缺的设备， 对频谱分析仪工作原理的了解将有助于信号量测系统的建立及充分扩展其应用范畴。频谱分析仪的应用领域相当广泛，诸如卫星接收系统、无线电通信系统、行动电话系统基地台辐射场强的量测、电磁干扰等高频信号的侦测与分析，同时也是研究信号成份、信号失真度、信号衰减量、电子组件增益等特性的主要仪器。 ?時間?時間頻頻振幅振幅振幅A A基本波第三諧波第五諧波B图 1.1：方波时域与频域的立体坐标关系 基于以上探讨的因素，

5、 本内容主要在探讨频谱分析仪设备的工作原理及使用方法，其次讨论建立量测系统以量测所必须的信号参数，并分析信号的特性，评估待测件的特性以及如何由绘图仪获得书面数据，计算信号深圳汉润电子 1-311各别频谱的功率值以印证频谱分析仪与示波器显示值的正确性， 同时提出多项有线电视系统的量测应用。 最后将提出素为工程人员忽略的天线特性量测，于本张节中讨论天线增益及辐射场型(Radiation Pattern)的量测技术，包括完整的数学计算式。 1-2 频谱分析仪的工作原理 频谱分析仪架构犹如时域用途的示波器，外观如图 1.2 所示，面板上布建许多功能控制按键，作为系统功能之调整与控制，系统主要的功能是在

6、频域里显示输入信号的频谱特性。频谱分析仪依信号处理方式的不同，一般有两种类型；实时频谱分析仪(Real-Time Spectrum Analyzer)与扫瞄调谐频谱分析仪(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)。实时频率分析仪的功能为在同一瞬间显示频域的信号振幅， 其工作原理是针对不同的频率信号而有相对应的滤波器与检知器(Detector)， 再经由同步的多任务扫瞄器将信号传送到 CRT 屏幕上，其优点是能显示周期性杂散波(Periodic Random Waves)的瞬间反应，其缺点是价昂且性能受限于频宽范围、滤波器的数目与最大的多任务交换时间(Switching Ti

7、me)。最常用的频谱分析仪是扫瞄调谐频谱分析仪，其基本结构类似超外差式接收器，工作原理是输入信号经衰减器直接外加到混波器， 可调变的本地振荡器经与 CRT 同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率， 经混波器与输入信号混波降频后的中频信号 （IF） 再放大、 滤波与检波传送到 CRT 的垂直方向板，因此在 CRT 的纵轴显示信号振幅与频率的对应关系，信号流程架构如图1.3 所示。影响信号反应的重要部份为滤波器频宽，滤波器之特性为高斯滤波器（Gaussian-Shaped Filter） ，影响的功能就是量测时常见到的解析频宽(RBW，Resolution Bandwidth)。RBW 代

8、表两个不同频率的信号能够被清楚的分辨出来的最低频宽差异， 两个不同频率的信号频宽如低于频谱分析仪的 RBW，此时该两信号将重迭，难以分辨，较低的 RBW 固然有助于不同频率信号的分辨与量测，低的 RBW 将滤除较高频率的信号成份，导致信号显示时产生失真，失真值与设定的 RBW 密切相关，较高的 RBW 固然有助于宽带带信号的侦测，将增加噪声底层值(Noise Floor)，降低量测灵敏度，对于侦测低强度的信号易产生阻碍，因此适当的 RBW 宽度是正确使用频谱分析仪重要的概念。 深圳汉润电子 1-4 11T.G.RF軟鍵字鍵功能鍵控制鍵單位鍵點控制鍵微調旋轉鈕重置鍵螢幕功能图 1.2：频谱分析仪

9、的外观 另外的视频频宽（VBW，Video Bandwidth）代表单一信号显示在屏幕所需的最低频宽。 如前所说明， 量测信号时， 视频频宽过与不及均非适宜，都将造成量测的困扰，如何调整必须加以了解。通常 RBW 的频宽大于等于VBW，调整 RBW 而信号振幅并无产生明显的变化，此时之 RBW 频宽即可加以采用。 量测 RF 视频载波时，信号经设备内部的混波器降频后再加以放大、滤波（RBW 决定）及检波显示等流程，若扫描太快，RBW 滤波器将无法完全充电到信号的振幅峰值，因此必须维持足够的扫描时间，而 RBW 的宽度与扫描时间呈互动关系，RBW 较大，扫描时间也较快，反之亦然，RBW 适当宽度

10、的选择因而显现其重要性。 较宽的 RBW 较能充分地反应输入信号的波形与振幅， 但较低的 RBW 将能区别不同频率的信号。例如使用于 6MHz 频宽视讯频道的量测，经验得知， RBW 为 300kHz 与 3MHz 时， 载波振幅峰值并不产生显著变化， 量测 6MHz的视频信号通常选用 300kHz 的 RBW 以降低噪声。天线信号量测时，频谱分析仪的展频（Span）使用 100MHz，获得较宽广的信号频谱需求，RBW使用 3MHz。这些的量测参数并非一成不变，将会依现场状况及过去量测的经验加以调整。 1.分析频谱分析仪的讯息处理过程 在量测高频信号时，外差式的频谱分析仪混波以后的中频因放大之

11、深圳汉润电子 1-511故，能得到较高的灵敏度，且改变中频滤波器的频带宽度，能容易地改变频率的分辨率，但由于超外差式的频谱分析仪是在频带内扫瞄之故，因此，除非使扫瞄时间趋近于零，无法得到输入信号的实时(Real Time)反应，故欲得到与实时分析仪的性能一样的超外差式频谱分析仪，其扫瞄速度要非常之快，若用比中频滤波器之时间常数小的扫瞄时间来扫瞄的话，则无法得到信号正确的振幅，因此欲提高频谱分析仪之频率分辨率，且要能得到准确之响应，要有适当的扫瞄速度。若用比中频滤波器之时间常数小的扫描时间来扫描的话，则无法得到信号的正确振幅。因此，欲提高频谱分析仪之频率分辨率，且要得到准确之响应，要有适当的扫描

12、度。由以上之叙述，可以得知超外差式频谱分析仪无法分析瞬时信号(Transient Signal)或脉冲信号(Impulse Signal)的频谱，而其主要应用则在测试周期性的信号及其它杂散信号(Random Signal)的频谱。 频谱分析仪系统内部及面板显示的特性，详如附录一的说明，对该内容的了解将有助于频谱分析仪的操作使用。 一般本地振荡器输出信号的频率均高于中频信号的频率， 本地振荡器输出信号的频率可被调整在谐波之频率，亦即 IN=nLOIF n=1, 2, 3. (2) 由式(2)得知，频谱分析仪的信号量测范围，无形中己被拓宽，低于或高于本地振荡器或其它谐波频率的输入信号，均能被混波产

13、生中频。延伸输入信号频率的混波原理如图 1.4 所示，其中纵轴代表输入信号(IN)，横轴代表本地振荡频率(LO)，图中的正负整数代表公式(2)中频放大器对应的正负号。 深圳汉润电子 1-6 11可調衰減器混波器窄頻帶 放大器乘 n?振盪器檢知器掃描產生器放大器信號輸入 頻預選器图 1.3：频谱分析仪的信号流程 由图 1.4 可体会频谱分析仪利用本地振荡的谐波信号延伸输入信号频率的工作原理。然而图 1.4 可能对应多个输入信号频率，为消除此一现象，在衰减器前面加入频率预选器(Preselector)，用来提升频谱分析仪的动态范围， 同时使输出的结果能去除其它不必要的频率而真正反应输入信号的频率。

14、 正常的 輸入範圍延伸輸入範圍 到諧波頻n=+2n=+1n=-2n=-1fINfL Ofoscsw eepLO .图 1.4：利用本地振荡之谐波信号拓展信号频率的原理 由 以 上 得 知 超 外 差 或 频 谱 分 析 仪 无 法 分 析 瞬 时 信 号 (Transient Signal)或脉冲信号(Impulse Signal)的频谱，而其主要应用则在测试周期性的信号及其它随机信号(Random Signal)的频谱。 深圳汉润电子 1-7112.噪声特性 由于电阻的热敏效应，任何设备均具有噪声，频谱分析仪亦不例外，频谱分析仪的噪声，本质上是热噪声，属于随机性（Random） ，它能被放大

15、与衰减，由于系随机性信号，两噪声的结合只有相加而无法产生相减的效果。在频带范围内也相当平坦，其频宽远大于设备内部电路的频宽，检测器检知的噪声值与设定的分辨率频宽（RBW）有关。由于噪声是随机性迭加于信号功率上，因此显示的噪声准位与分辨率频宽成对数的关系，改变分辨率频宽时噪声随之变化，噪声改变量相关的数学式如下所示： 12log10)(BWBWdBN= (3) 例如：频宽从 100kHz（BW1）调整到 10kHz（BW2） ，则噪声改变量为： dBkHzkHzdBN1010010log10)(=， (4) 亦即降低噪声量 10dB (为原来的 1/10)， 相对提高讯号与噪声比 10dB。由此

16、可知，纯粹要降低噪声量，使用最窄宽度的频宽将能达到目的。 不论噪声来之于外部或内部产生，量测时均将影响信号振幅的准确性，特别在低准位信号时，更是如此，噪声太大时，甚至掩盖信号以致无法正确判断信号的大小，影响量测质量的两种噪声可概括为下列三大项： (1).产生于交换功能的数字电路、点火系统与 DC 马达脉冲噪声，这类噪声常见于 EMI（Electromagnetic Interference）的讨论领域里。 (2). 随 机 性 噪 声 来 之 于 自 然 界 或 电 路 的 电 子 移 动 ， 又 称 之 为KTBW(或称热敏)噪声、Johnson 噪声、宽带噪声或白氏(White)噪声等，本书主要以热敏噪声为重点，数学式为： kTBWPn=， (5) 其中：nP=噪声功率=2110*98. 3瓦/Hz 或-174dB/Hz k=Boltzman 常数，2310*38. 1joule/oK T=绝对温度表示的