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GSP-830頻譜分析儀的系統(tǒng)特性與操作原理

簡(jiǎn)介

  隨著通訊應(yīng)用科技的進(jìn)展神速，從二次大戰(zhàn)后之傳統(tǒng)軍事專屬的通訊科技一直到今天普遍影響我們生活的行動(dòng)通科技，其背后的科學(xué)原理與理論基礎(chǔ)之驗(yàn)證與實(shí)現(xiàn)，無(wú)不需要依賴對(duì)無(wú)線射頻訊號(hào)的量測(cè)，才能完成各式各樣之通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，本應(yīng)用技術(shù)文摘的目的在于供作頻譜分析儀的系統(tǒng)特性與操作原理上之技術(shù)入門書，希望對(duì)于產(chǎn)業(yè)界、教育學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、基礎(chǔ)科研單位與維修服務(wù)中心等，在各式各樣的主流應(yīng)用領(lǐng)域上提出應(yīng)用術(shù)重要的量測(cè)特性與操作原理，俾利于各種基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用人員在追求科技新知、推進(jìn)科技研發(fā)與促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面能夠更上一層樓。而本文將從幫助初學(xué)者了解頻譜分析儀的出發(fā)點(diǎn)，學(xué)習(xí)者進(jìn)入知識(shí)的殿堂，藉由闡述頻譜分析的重要性與頻譜分析儀的基本架構(gòu)，讓有志于培養(yǎng)此一應(yīng)用技術(shù)之興趣與技能者有zui多的體會(huì)與啟發(fā)，zui后則由頻譜分析儀在量測(cè)上的主要參數(shù)分析、常用配件的搭配說(shuō)明、操作性能的解說(shuō)來(lái)刻劃出其在各種量測(cè)應(yīng)用上的特色與優(yōu)點(diǎn)。



 

一、頻譜分析的原理

   在了解頻譜分析儀的工作原理之前有必要先對(duì)頻譜的概念作一番體會(huì)，才有助于實(shí)際上的量測(cè)操作，因此必須了解何謂頻譜（Spectrum）和為何要進(jìn)行頻譜分析（Spectrumanalysis）。頻譜的概念充斥在我們的生活周遭，各種具有不同頻率的訊號(hào)往往是以機(jī)率分配的方式存在著，在一般的時(shí)域分析（Time-domainanalysis）中，可以很容易從時(shí)間軸上觀察到任何訊號(hào)波形變化的事件，只要用示波器的量測(cè)就能看出任何具有時(shí)間函數(shù)之電子訊號(hào)事件的瞬間物理量。關(guān)于頻譜分析儀的發(fā)展起源，是在早期的通信系統(tǒng)上頻率量測(cè)中，為了實(shí)現(xiàn)以頻率為基準(zhǔn)點(diǎn)，在頻域上檢測(cè)信號(hào)而研發(fā)出來(lái)的儀器，并且被廣泛地使用在測(cè)量通信系統(tǒng)的各種重要參數(shù)，如平均噪聲位準(zhǔn)（Average noise level）、動(dòng)態(tài)范圍（Dynamicrange）、頻率范圍（Frequencyrange）等等。除此之外，還可以用在時(shí)域的量測(cè)，如測(cè)量傳輸輸出功率等項(xiàng)目?；旧弦拦δ苊鎭?lái)看，一般的計(jì)頻器只能量測(cè)訊號(hào)的頻率，功率計(jì)只能量測(cè)訊號(hào)的功率，而可以將頻譜分析儀視為兼具計(jì)頻器與功率計(jì)兩種功能的量測(cè)儀器。

 如果要*地分析且厘清一個(gè)信號(hào)的特性，除了使用示波器從時(shí)域 （Timedomain）去觀察信號(hào)外，還需要從頻率的角度（簡(jiǎn)稱頻域：Frequencydomain）去分析信號(hào)。通常用示波器來(lái)觀察信號(hào)并不能看出一窺信號(hào)的全貌，只能看到組成之后的波形；例如方波事實(shí)上是經(jīng)過(guò)許多信號(hào)的累積而形成的一種信號(hào)。偉大的法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉（Jean-Baptiste-JosephFourier）則告訴我們，任何時(shí)域上的電子訊號(hào)現(xiàn)象必然是由多組具有適當(dāng)之頻率、振幅與相位的弦波訊號(hào)（Sinewave）所組成。因此，理論上任何具有有適當(dāng)濾波功能的電子系統(tǒng)必可將訊號(hào)波形分解為多個(gè)分別不同的弦波或頻率組成，以利于個(gè)別分析。其中，這些個(gè)別不同的弦波則由其所具有的振幅與相位來(lái)決定其訊號(hào)特性。換言之，藉由這種組成分析即可將弦波訊號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域。對(duì)無(wú)線射頻與微波訊號(hào)而言，在不加入分析的要素時(shí)，保留相位信息往往只會(huì)使轉(zhuǎn)換過(guò)程變得更為復(fù)雜，因此我們必須設(shè)法隔離相位信息。當(dāng)我們?cè)诜治鲋芷谛杂嵦?hào)時(shí)，透過(guò)傅立葉在理論上的詮釋讓我們可以體會(huì)到，在頻域中個(gè)別組成的弦波之間的距離單位為頻率f或1/T，而T即為弦波訊號(hào)的周期。

   為了適當(dāng)?shù)赜蓵r(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域而必須對(duì)訊號(hào)進(jìn)行連續(xù)性的計(jì)算，一般我們所進(jìn)行的訊號(hào)觀察活動(dòng)只是以在一小段時(shí)間范圍內(nèi)的特性來(lái)概括其全貌。運(yùn)用傅立葉變換就能夠從頻域的訊號(hào)觀點(diǎn)轉(zhuǎn)換到時(shí)域的空間進(jìn)行思考，而要利用這樣的架構(gòu)則須計(jì)算出沿著頻率軸所有范圍的頻譜成分及其個(gè)別成分之相位。例如，將一個(gè)時(shí)域中的方波轉(zhuǎn)換到頻域后再反轉(zhuǎn)換回時(shí)域時(shí)往往會(huì)因?yàn)橄辔粎?shù)未加以保留而會(huì)產(chǎn)生鋸齒波的失真現(xiàn)象。


 

  在此段落所闡述之頻譜的真諦為時(shí)域中任意訊號(hào)必為一群弦波訊號(hào)的線性組合訊號(hào)或合成訊號(hào)，如圖二所示，在頻譜的頻域象限中所呈現(xiàn)的所有弦波訊號(hào)特性圖可用振幅與頻率來(lái)加以表達(dá)，而所有非純弦波波形的訊號(hào)則是包含了二次諧波（SecondHarmonic）之類的組成訊號(hào)。值得關(guān)注的議題是有了頻譜分析是否就可以*取代時(shí)域分析？似乎不盡然，時(shí)域分析在大多數(shù)訊號(hào)量測(cè)重要性仍占有一席之地，因?yàn)闀r(shí)域分析的方法提供了針對(duì)訊號(hào)的脈波上升與下降時(shí)間、訊號(hào)過(guò)沖與振蕩現(xiàn)象等，亦即頻譜組成分析與時(shí)域分析是相輔相成的訊號(hào)分析方法。

   在射頻電路中可能會(huì)有放大器（Amplifier）、振蕩器（Oscillator）、混頻器（Mixer）、濾波器（Filter）等電路組件，單純只用示波器來(lái)觀察的話，根本無(wú)法察覺(jué)該組件在電路中的變化，這時(shí)候就必須使用頻譜分析儀，分析其頻率響應(yīng)來(lái)說(shuō)明電路的特性。圖二說(shuō)明了時(shí)域與頻域上的差別。

為何要量測(cè)頻譜？

  由于在頻域中也有其所對(duì)應(yīng)的訊號(hào)強(qiáng)度可供量測(cè)，故頻域分析法是找出待測(cè)訊號(hào)各個(gè)諧波成分的*解決方案，尤其是對(duì)通訊工程人員所zui關(guān)注的諧波失真分析有其重要性，例如在無(wú)線系統(tǒng)中的載波訊號(hào)上，必須經(jīng)常加以檢查是否有來(lái)自于其他系統(tǒng)之間的諧波干擾所造成的訊號(hào)失真程度而影響到通話質(zhì)量？除此之外，通訊工程人員也關(guān)心載波訊號(hào)上的調(diào)變訊號(hào)失真程度，例如交互調(diào)變現(xiàn)象即是一種特別復(fù)雜的問(wèn)題，因?yàn)槠渌a(chǎn)生的失真成分往往落在所攸關(guān)的頻帶中且難以加以濾除。

  頻譜的占據(jù)率也是一種在頻域分析上的重要量測(cè)，為了防范鄰近頻率的訊號(hào)干擾而針對(duì)調(diào)變訊號(hào)所進(jìn)行的展頻動(dòng)作往往是基于有效規(guī)范各種發(fā)射頻譜之帶寬的考慮。電磁干擾本身即是一種頻譜的占據(jù)現(xiàn)象，由于今天在各式各樣的資通電子產(chǎn)品的普遍使用下，已造成了各種不需要電磁訊號(hào)*的電磁污染源，無(wú)論是輻射式或傳導(dǎo)式電磁干擾，無(wú)一不會(huì)造成其他電子系統(tǒng)在操作運(yùn)轉(zhuǎn)上的損害，因此當(dāng)前所有電子或電器產(chǎn)品的制造廠商，皆必須依據(jù)電子電器商品的相關(guān)法令規(guī)范來(lái)進(jìn)行必要的電磁輻射測(cè)試，才能順利推展產(chǎn)品上市的計(jì)劃。

二、頻譜分析儀的種類

   頻譜分析儀一般而言分成兩種類型，Real Time頻譜分析儀（SA）與Sweep Tuned頻譜分析儀兩種類型。

Real Time頻譜分析儀（SA） 

   這類型的 SA稱為實(shí)時(shí)性頻譜分析儀，顧名思義是能立即把信號(hào)濾出來(lái)，所以它使用了許多平行架構(gòu)的濾波器來(lái)分布在所有的帶寬范圍中，而信號(hào)一經(jīng)輸入之后沒(méi)有Delay就能馬上表示出來(lái)，如圖三所示，為實(shí)時(shí)性頻譜分析儀的架構(gòu)。

   實(shí)時(shí)性頻譜分析儀的好處即是可以立即的將信號(hào)濾出來(lái)，而且Filter的帶寬可以依照不同的 span來(lái)作調(diào)整與改變，不過(guò)這類型的頻譜儀，zui大的問(wèn)題在于因?yàn)樗褂么罅康臑V波器來(lái)作實(shí)時(shí)處理，所以價(jià)格非常昂貴，且?guī)挾疾粫?huì)很高，一般而言約10MHz-30MHz 左右。


 

RF調(diào)諧方式

    圖四所示的為 RF 調(diào)諧方式架構(gòu)而成的頻譜分析儀方塊圖，它是使用一個(gè)帶通可調(diào)的濾波器（TunableFilter），由一掃描儀來(lái)調(diào)變期帶通寬度，進(jìn)而使得相關(guān)的頻率信號(hào)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(hào)在水平軸上分別對(duì)應(yīng)地呈現(xiàn)。

   使用此種方式構(gòu)成的頻譜分析儀較為簡(jiǎn)單，能包含較廣的頻率范圍且價(jià)格便宜，但是靈敏度與頻率特性等

效能較差，且濾波器的帶寬固定，即頻率的分辨率無(wú)法改變。由于此種調(diào)諧型的頻譜分析儀較為經(jīng)濟(jì)以及所能測(cè)量的頻率范圍較廣，故早期的微波頻帶的頻譜分析常常使用這一方式；但是較可惜的，因?yàn)榇朔N方式是以掃瞄器來(lái)調(diào)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(shù)個(gè)MHz/s 左右，當(dāng)掃描超出這個(gè)比值，濾波器對(duì)于信號(hào)的響應(yīng)尚未達(dá)到100%時(shí)，濾波器的帶通范圍已經(jīng)改變，所以所測(cè)出的值往往會(huì)較小于原來(lái)的信號(hào)而不準(zhǔn)確。

 

超外差式頻譜分析儀 由于調(diào)諧式的頻譜分析儀的靈敏度與準(zhǔn)確性不高，所以目前使用zui廣的頻譜分析儀是超外差式的頻譜分析儀，如圖五。此種方式乃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（LocalOscillator），使之產(chǎn)生隨著時(shí)間而作線性變化的振蕩頻率。將此可變的振蕩頻率與輸入信號(hào)在混波器（Mixer）混合后，產(chǎn)生一中頻。此中頻成為接收機(jī)的輸出，加至屏幕的垂直偏向版（橫軸），且巨齒波電壓亦同時(shí)加至水平偏向板（縱軸），結(jié)果在屏幕上顯示出的信號(hào)為頻率與振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系?，F(xiàn)在就根據(jù)圖五中每一個(gè)單元作簡(jiǎn)單的介紹：




 

衰減器（InputAttenuator） 因?yàn)榛觳ㄆ鞯?span lang="EN-US">RF輸入zui大線性范圍有限，這對(duì)一般的量測(cè)是不夠用的，因此必須將過(guò)大的信號(hào)預(yù)先衰減到混波器的RF輸入線性范圍。經(jīng)過(guò)混波器之后，在利用放大器將之還原。但這種架構(gòu)會(huì)造成頻譜分析儀上的顯示噪聲位準(zhǔn)，隨著衰減器的值而起伏。

混波器（Mixer）RF信號(hào)與本地振蕩器（LO）信號(hào)經(jīng)過(guò)混波器之后，會(huì)產(chǎn)生許多兩者之間頻率倍數(shù)相加減的信號(hào)。而當(dāng)輸入信號(hào)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(hào)：

從（1）式來(lái)看， f IF 所產(chǎn)生的中頻頻率遠(yuǎn)高過(guò)頻譜分析儀內(nèi)中頻濾波器的協(xié)振頻率，故不能為此儀器所接受。而（3）式所產(chǎn)生之中頻，其輸入信號(hào)之頻率 f RF 必須比 f LO  高，所以此種f RF信號(hào)比振蕩頻率f LO高的射頻就會(huì)被排除在外。故zui后只有第（2）式中所產(chǎn)生之中頻才為政確之中頻信號(hào)。



 

   解析帶寬（Resolution Bandwidth, RBW）濾波器 RBW濾波器也稱中頻濾波器，他的作用是將RF頻率與本地振蕩頻率相檢的信號(hào)，也就是所謂的IF信號(hào)，由混波器產(chǎn)生的眾多頻率中過(guò)濾出來(lái)。使用者可藉由頻譜分析一面板上的RB控制鈕選擇不同的3dB帶寬的RBW濾波器。由圖六中可看出，RBW設(shè)的愈窄，所觀察到的頻率分布就越細(xì)微，也降低了噪聲位準(zhǔn)。

  電壓控制振蕩器（VCO）頻譜分析儀上VCO的頻率，必須由高于zui高輸入頻率延伸到至少zui高輸入頻率兩倍的頻率以上。對(duì)工作在1GHz以上的頻譜分析儀而言，這就代表著振蕩器至少要由1GHz到3GHz。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，大多數(shù)為2GHz到3.5GHz左右。這種頻率范圍通常需要具有調(diào)諧電路的振蕩器，而非低頻振蕩器中典型的線圈與電容。

   檢波器（Detector） 我們?nèi)糁苯訉⒅蓄l信號(hào)輸出到屏幕上，會(huì)造成一團(tuán)雜波。所以必須透過(guò)檢波器，將中頻的AC信號(hào)振幅轉(zhuǎn)換為直流偏壓，再輸出到屏幕行程相對(duì)的傳值偏向，已呈現(xiàn)各個(gè)頻率的大小?，F(xiàn)行的頻譜分析儀，大多以數(shù)字取樣的方式，將波型呈現(xiàn)在屏幕上。

   視訊帶寬（VideoBandwidth,VBW）中頻振幅的直流偏壓送到屏幕之前，還要經(jīng)過(guò)視訊濾波器。它是一個(gè)低通濾波器，可將屏幕的垂直偏壓變化變的比較平緩。

   一般來(lái)說(shuō)，超外差式的頻譜分析儀混頻之后因?yàn)橹蓄l放大的緣故，可以得到較大的靈敏度，且改變中頻濾波器的頻帶寬度，能夠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(nèi)掃描的緣故，因此無(wú)法得到實(shí)時(shí)性（Real Time）的分析（瞬間分析全部頻譜），除非要使掃描時(shí)間趨近于零。況且，若使用比中頻濾波器的時(shí)間常數(shù)小的掃描時(shí)間來(lái)掃描的話，則無(wú)法得到信號(hào)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，且要得到的響應(yīng)，掃描的速度要調(diào)整的很適當(dāng)。由上面的理由可以得之，在超外差的頻譜分析儀中，較無(wú)法分析瞬時(shí)信號(hào)（Transient Signal）或單一脈沖信號(hào)（Impulse），而主要應(yīng)用在測(cè)試周期性訊號(hào)或者其他離散訊號(hào)。

三、頻譜分析儀的操作特性

   頻率分辨率與頻帶寬度（Frequency Resolution and Bandwidth）

頻率分辨率乃是頻譜分析儀對(duì)于一些頻率相隔很近之信號(hào)區(qū)分的能力）。有兩個(gè)因素來(lái)決定此分辨率：中頻放大器的頻帶寬度或選擇性（Selectivity）；另一個(gè)為頻譜分析儀本身的頻率穩(wěn)定度（Stability），此穩(wěn)定度決定于頻率漂移（Drift）、殘余的FM信號(hào)（Residual FM），以及本地振蕩器上面的噪聲大小。

掃描之靈敏度衰減（SweepDesensitization）

   掃描靈敏度的衰檢乃是因?yàn)轭l譜分析儀的掃描速度太快所致。他將會(huì)造成對(duì)振幅、選擇性與分辨率上面的損失但是他仍可以加以改善。當(dāng)掃描信號(hào)被維持在中頻濾波器的頻帶寬度而有足夠長(zhǎng)的時(shí)間允許信號(hào)的幅度在濾波器中建立一個(gè)適當(dāng)值，則有一簡(jiǎn)單的規(guī)則就可以避免掃描靈敏度的衰減，即掃描的速度（Hz/s）不可超過(guò)中頻濾波器3dB帶寬的平方。

靈敏度（Sensitivity）   衡量zui微弱信號(hào)檢出的能力稱為靈敏度。而zui大靈敏度是由頻譜分析儀內(nèi)所發(fā)生的噪聲來(lái)決定。通常內(nèi)部的噪聲分成兩種，熱噪聲與其他噪聲。熱噪聲的電功率為：


 

  由此可知噪聲大小直接與頻帶寬度成比例，因此，頻譜分析儀的分析能力，當(dāng)頻帶寬度下降1/10時(shí)，噪聲水平（NoiseFloor）會(huì)減少10dB，靈敏度也就改善10dB。

四、頻譜分析儀主要的設(shè)定參數(shù)

   頻譜分析儀通常提供下列幾個(gè)基本設(shè)定的參數(shù)，如圖七所示。

（A） 頻率顯示的范圍：顯示頻率的范圍可以經(jīng)由設(shè)定開始頻率和截止頻率（也就是頻率的zui大值與zui小值），或者也可以設(shè)定想要的中心頻率再設(shè)定所要展開的帶寬。

（B） 位準(zhǔn)顯示范圍：設(shè)定此范圍有助于zui大位準(zhǔn)的顯示與間距，以圖 1-6為例，參考位準(zhǔn)設(shè)為-20dBm而總范圍為80dBm（一格10dB）。

（C） 頻率的分辨率：當(dāng)頻譜分析儀以外差式原理來(lái)操作的話，頻率的分辨率是由 IFFilter的帶寬來(lái)設(shè)定的，也就是上面所提到的RBW。

 （D） 掃描時(shí)間（SweepTime）：這主要針對(duì)以外差式的頻譜分析儀來(lái)設(shè)定。這是指紀(jì)錄我們所要全部頻率范圍所需的時(shí)間，稱為Sweep Time。如果我們希望得到較小的解析帶寬，則所花的SweepTime就會(huì)變長(zhǎng)。



 

五、常用的頻譜分析儀配件介紹

   一臺(tái)頻譜分析儀，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)呐浼蛘哌B接線材等外圍產(chǎn)品來(lái)輔助，其實(shí)是無(wú)法發(fā)揮其功用的，就像是一臺(tái)計(jì)算機(jī)只有主機(jī)而無(wú)其他如屏幕、鍵盤、鼠標(biāo)等外圍一樣的意思。在這邊介紹幾種常用的頻譜分析儀配件，提供給學(xué)員認(rèn)識(shí)，也讓學(xué)員認(rèn)知該怎樣去選擇需要的配備來(lái)將儀器發(fā)揮到zui大效用。

接頭介紹   在一臺(tái)頻譜分析儀上，在RF輸出端通常會(huì)有兩種不同的接頭，BNC頭跟N-Type頭兩種，如圖八所示；對(duì)于一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，BNC接頭的頻譜分析儀通常能測(cè)試的范圍比較小，且透過(guò)BNC所測(cè)試出來(lái)高頻的部分較容易產(chǎn)生誤差，所以在現(xiàn)今的高頻測(cè)試儀器，幾乎都是使用 N-Type的接頭為主。





 

  而在測(cè)試系統(tǒng)中，就有各類型的接頭來(lái)做測(cè)試。常見的接頭除了NType、BNC接頭外，另外還有zui常見的SMA接頭、F接頭等常見的接頭，如圖九所示。SMA接頭常用在高頻測(cè)試或者電路板連接的部分，在本教材的模板上，其測(cè)試接頭也都是以 SMA接頭為主；F接頭較常使用在有線電視系統(tǒng)中，或者在 AV 信號(hào)中也時(shí)?？匆娝挠白?。其他還有像是 TNC 接頭、M 接頭、UHF接頭等這類型的接頭，較常在無(wú)線電系統(tǒng)中被使用；這些類型的接頭雖然在 RF 通訊系統(tǒng)中并不會(huì)時(shí)常用到，但是在測(cè)量某些特殊規(guī)格或者測(cè)試過(guò)程中還是有可能會(huì)使用到。




 

線材介紹   當(dāng)儀器有適合的接頭可以做連接后，接下來(lái)要選定的就是適合的線材了，通常線材的分類是以訊號(hào)衰減量、阻抗值、導(dǎo)體材料等單位來(lái)作區(qū)分；常見的RF線材 有幾個(gè)型號(hào)，RG223、RG316等這類型的線材較常使用在高頻通訊上；RG58、RG59等這類型線材較常用在低頻測(cè)試上。在本課程的實(shí)驗(yàn)中，在RF部分的量測(cè)常見的是以RG316線材來(lái)作測(cè)試線材。如圖十所示為常用的測(cè)試線材。




 

六、頻譜分析儀的應(yīng)用

   頻譜分析儀的應(yīng)用非常的廣，依照不同的待測(cè)物、不同的信號(hào)即可變化出各式各樣的測(cè)試方式，在此提出幾個(gè)較常見的測(cè)試方式。

傅立葉分析驗(yàn)證

   傅立葉變換（FourierTransform）是一種目*分重要而且廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的數(shù)字訊號(hào)分析技術(shù)，當(dāng)儀器測(cè)量所得的訊號(hào)為時(shí)間-振幅的數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用傅立葉變換將此一訊號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率-振幅，從而進(jìn)行此一訊號(hào)的頻率特性的分析。

傅立葉積分的定義為：

 

對(duì)于滿足狄里赫利條件的周期信號(hào)，可展開成對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)式為：



式中： a 0 、a n 、 b n為傅立葉系數(shù)； T 0 為周期，也就是信號(hào)基頻成分的周期；ω 0 =  2 π / T0為信號(hào)的基頻， nω0 為n次諧波。



而正弦波、方波、三角波等的頻譜如圖十一所示，使用信號(hào)源輸入到頻譜分析儀中即可驗(yàn)證各波型的頻譜變化：



 

諧波量測(cè)

   任何的信號(hào)都會(huì)有所謂的諧波效應(yīng)，比較不同的是電路的設(shè)計(jì)將諧波效應(yīng)抑制下來(lái)，例如使用一臺(tái)信號(hào)源送入100MHz訊號(hào)，在其N倍頻下通常能看到其諧波的信號(hào)，如圖十二所示。

通訊監(jiān)測(cè)與頻段測(cè)試

   在頻譜分析儀上裝設(shè)天線可以接收到天線響應(yīng)范圍內(nèi)的信號(hào)，例如電臺(tái)信號(hào)、無(wú)線電信號(hào)、手機(jī)信號(hào)等。如圖十三所示，在接收范圍內(nèi)有125MHz、700MHz、1GHz等信號(hào)出現(xiàn)，在頻譜儀上就可很清楚的接收到。
 

相位噪聲測(cè)試

   一個(gè)理想的信號(hào)，再頻譜分析儀上可以用一條垂直線來(lái)代表，換句話說(shuō)，只有在此頻率上才有信號(hào)的功率值，在信號(hào)的左右*沒(méi)有功率。但在真實(shí)的世界中，因?yàn)槲锢硖匦缘年P(guān)系，是不可能有如此的信號(hào)存在，如圖十四所示。一個(gè)信號(hào)除了本身的頻率之外，還會(huì)有殘留的功率在其附近，這就被稱為相位噪聲。
 

通道功率

   信道功率是以設(shè)定信道寬度的大小的帶寬來(lái)測(cè)定，來(lái)計(jì)算其中的總功率值；例如的信號(hào)帶寬設(shè)定在 1MHz﹝即中心頻率左右各 500kHz﹞，那通道功率就以這個(gè)范圍來(lái)測(cè)量整個(gè)帶寬中的總功率；換言之，如果帶寬設(shè)定在100kHz，那通道功率就會(huì)以 100kHz內(nèi)的總功率來(lái)作計(jì)算。圖十五為通道功率的示意圖。

調(diào)變信號(hào)測(cè)試

   在目前的數(shù)字信號(hào)中，幾乎都是屬于調(diào)變過(guò)后的信號(hào)，因?yàn)檎{(diào)變信號(hào)可以加強(qiáng)信號(hào)的安全性，常見的調(diào)變訊號(hào)有 AM、FM、FSK以及其他常被提及的調(diào)變方式。且不同的調(diào)變信號(hào)可以讓設(shè)計(jì)者或者系統(tǒng)中來(lái)判別，該接收到的信號(hào)是否為所想要的信號(hào)，圖十六即是使用頻譜分析儀來(lái)作信號(hào)檢測(cè)的圖例。



 

Gain/Loss的量測(cè)

   當(dāng)頻譜分析儀結(jié)合訊號(hào)追蹤器（TrackingGenerator,TG）就成了一個(gè)激發(fā)響應(yīng)（StimulusResponse）量測(cè)系統(tǒng)。使用 TG來(lái)發(fā)射信號(hào)可當(dāng)作一信號(hào)發(fā)生器，把 RF接收端當(dāng)成接收器；由于 TG與RF的信號(hào)同步，故可以很容易的可以找出產(chǎn)品的頻率響應(yīng)點(diǎn)（Insertion Loss），且如果搭配 Directional Coupler 的配件，可量測(cè)返回?fù)p失（ReturnLoss）。不論在測(cè)試頻率響應(yīng)點(diǎn)或者返回?fù)p失，測(cè)試時(shí)都必須先做標(biāo)準(zhǔn)化，通常標(biāo)準(zhǔn)化有兩種方式，短路與開路，如圖十七所示。標(biāo)準(zhǔn)化的意義在于將儀器、制具、接頭、線材等的損失先行扣除而直接量測(cè)得出待測(cè)物本身發(fā)出信號(hào)的結(jié)果。

一般來(lái)說(shuō)，直接使用 TG來(lái)傳送信號(hào)、用RF來(lái)接收信號(hào)的測(cè)試方式﹝即中間無(wú)耦和器等線路﹞，其標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)先將待測(cè)物拿掉，先行將兩端短路，然后利用頻譜分析儀內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化功能﹝一般需要有加裝TG 才會(huì)開啟這個(gè)功能﹞校正后，再將待測(cè)物放上即可測(cè)試；而另一種使用Coupler 的方式，一般會(huì)使用網(wǎng)橋來(lái)當(dāng)作中間Coupler，這樣的測(cè)試方式，就會(huì)先將網(wǎng)橋的 Source端接上 TG、Reflected 接到 RF 端，然后將 DUT 端先行開路，等標(biāo)準(zhǔn)化之后再將待測(cè)物接上 DUT 端即可測(cè)試完成。

六、頻譜分析儀的面板認(rèn)識(shí)

   前面介紹了頻譜分析儀的概念、基礎(chǔ)原理與應(yīng)用面，這個(gè)部份介紹頻譜分析儀的面板，讓大家認(rèn)識(shí)頻譜分析儀在面板上分成哪些區(qū)塊，使用者對(duì)于區(qū)塊內(nèi)的功能該怎樣去使用。接下來(lái)我們以GW Instek GSP-830 （圖十八）來(lái)解說(shuō)頻譜分析儀的各個(gè)部分：

分辨帶寬的作用視頻帶寬的作用掃描時(shí)間限定

分辨帶寬的作用  RBW

 分辨帶寬是由中頻濾波器帶寬決定的。頻譜分析儀線跡的形狀取決于中頻濾波器。如果在頻譜分析儀中，使用了一個(gè)以上的中頻濾波器，那么，帶寬zui窄的將決定儀器的分辨帶寬。分辨帶寬的選擇取決于幾個(gè)因素，濾波器穩(wěn)定需要時(shí)間，即當(dāng)一個(gè)信號(hào)從濾波器的輸入端到達(dá)輸出端時(shí)，需要一定的時(shí)間，另外濾波器的輸出達(dá)到穩(wěn)定的值也需要時(shí)間。濾波器帶寬越窄，穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)。分辨帶寬的選擇還取決于被測(cè)量的信號(hào)。如果要分開兩個(gè)同時(shí)輸入的信號(hào)，需要窄的帶寬。如果用較寬的帶寬，那么兩個(gè)信號(hào)的能量就會(huì)顯示在同一幅圖形當(dāng)中，在所觀察的頻帶中就不能分辨出這兩個(gè)信號(hào)。但是，一個(gè)寬帶的測(cè)量將包括基本的頻率、諧波、雜散響應(yīng)和噪聲，而窄帶測(cè)量將濾除所有其它頻率分量，只保留基本頻率的測(cè)量結(jié)果。兩種測(cè)量各有優(yōu)點(diǎn)，具體由用戶的需要來(lái)決定。在測(cè)量當(dāng)中，總有一些噪聲存在，噪聲在頻域的所有頻段都存在。如果在測(cè)量中包括了噪聲，由于噪聲電平將使測(cè)量值不正確（太大），頻帶越寬，包括的噪聲越多。頻帶窄，則進(jìn)入分辨帶寬濾波器的噪聲就很小，在頻譜儀上，噪聲基底將會(huì)下落。這是因?yàn)轭l譜儀的中頻濾波器是窄帶，可以減少噪聲。當(dāng)測(cè)量噪聲電平下落，小信號(hào)就能顯示出來(lái)。作為一個(gè)常用的規(guī)則，頻譜儀測(cè)量的zui大RBW 被設(shè)為 30KHz。

視頻帶寬的作用  VBW

頻譜儀通常在檢波后使用另一種被稱為 VIDEOFILTERING的濾波器。這種濾波器也影響顯示的噪聲，但與分辨帶寬的方式不同。在視頻濾波器中，噪聲的平均電平保持不變但噪聲的變化被減少。因此視頻濾波器的作用是“平滑”信號(hào)的噪聲。頻譜儀顯示的結(jié)果是噪聲基底壓縮為一條單薄的線跡，而線跡的位置保持不變。因此，改變VBW 不能改善靈敏度，但在測(cè)量小功率信號(hào)時(shí)，VBW改善了識(shí)別能立和再現(xiàn)性。作為一個(gè)常用的規(guī)則，頻譜儀測(cè)量所選的VBW與RBW的比例因子為 10到100，這樣，對(duì)分辨帶寬設(shè)為 30KHz 時(shí)，VBW 的典型選擇是3KHz 或 300Hz。  

掃描時(shí)間限定

對(duì)某些頻譜儀來(lái)說(shuō)，用戶可以控制掃描時(shí)間。當(dāng)要保持頻譜儀測(cè)試精度時(shí)，掃描速度不能任意設(shè)定，要取決于分辨帶寬、視頻帶寬以及所選的頻率范圍。掃描速度取決于頻率范圍，掃描間隔則取決于掃描時(shí)間。掃描速度的限制來(lái)自系統(tǒng)的穩(wěn)定或分辨帶寬和視頻帶寬濾波器的響應(yīng)時(shí)間。如果一臺(tái)頻譜分析儀掃速非?？?，濾波器沒(méi)有時(shí)間響應(yīng)，測(cè)量結(jié)果就不準(zhǔn)確。在這種情況下，頻譜分析儀的顯示看起來(lái)模糊，譜線比正常時(shí)要寬，當(dāng)改變RBW和VBW時(shí)，掃頻速度也隨著改變。RBW 和VBW的值越大，掃描速度越快，RBW和VBW的值越小，掃描速度越慢。
 

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固緯頻譜分析儀GSP830的*

   GSP830*35000元/臺(tái)，數(shù)量有限，購(gòu)買頻譜儀贈(zèng)送測(cè)試附件：轉(zhuǎn)接頭、SMA電纜、天線等。

  GSP-830適合3GHz范圍的無(wú)線射頻產(chǎn)品的開發(fā)測(cè)試，性價(jià)比很高，從費(fèi)用上采購(gòu)預(yù)算約是其他品牌同規(guī)格頻譜儀的一半不到。如果您有興趣不妨我，我能夠詳細(xì)從您的測(cè)試技術(shù)需要入手介紹此產(chǎn)品是否滿足你的測(cè)試要求。讓您不走彎路，節(jié)省經(jīng)費(fèi)。

  GSP830性能 

•  低噪聲： -117dBm @1GHz， 3kRBW。

•  快速掃描： 50ms ~ 25.6s。

•  體積?。?330（寬） x 170（高） x 340（深） mm。

•  重量輕巧： 5.8kg （不含附件）。

GSP830特點(diǎn)  

•  自動(dòng)設(shè)定。

• 10 個(gè)標(biāo)記（Δ游標(biāo)和峰值功能） 。

• 3 條波型軌跡。

•  功率量測(cè)：ACPR，OCBW，CH Power，N-dB,相位抖動(dòng)..

•  波形限制線和 Pass/Fail 的功能可快速的核定測(cè)試的條件。

•  分割窗口的功能且可分別設(shè)定。

•  順序編程（使用者可自行定義）  。

• 6.4″ TFT彩色 LCD，640 x 480  分辨率。

•  音頻輸出端口（選購(gòu)的解調(diào)器可提供）  。

• AC/DC/電池多模式電源操作。

GSP830界面  

•  可使用 USBhost 端連接到儲(chǔ)存設(shè)備。

•  可使用 USBSlave/RS-232/GPIB（選購(gòu)配備）與計(jì)算機(jī)連接以及遠(yuǎn)程控制。

•  直接顯示影像的 VGA 輸出。

•  參考信號(hào)同步輸入/輸出。

•  外部觸發(fā)信號(hào)輸入。

GSP830選購(gòu)配備 

•  跟蹤發(fā)生器。

•  前置放大器（11.5dB,6GHz）

•  電池組

•  ±1ppm 穩(wěn)定參考源模塊。

• EMI濾波器含 9kHz/120kHz RBW 和6-dB帶寬。

• 300Hz/10kHz/100kHzRBW

•  解調(diào)器

• GPIB界面

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