频谱分析仪的种类与应用

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频谱分析仪(Spectrum Analyzer)主要用于显示频域输入信号的频谱特性,因此对于信号分析而言是不可缺少的量测仪器。频谱分析仪是透过频域对信号进行分析、研究,并同时 应用于更多不同领域,例如无线讯号收发器、信号干扰的检测、频谱监测、以及元件特性分析等,是从事电子产品研发、生产、检验的常用工具,特别针对无线通讯 信号的测量更是必要工具,其应用十分广泛,因此也有工程师将之称为射频量测的万用电表。其主要功能包括:频率设置、基准电平设置、跟踪发生器设置、跟踪控 制设置、利用标记功能测量回波损耗,以及频宽、扫描时间及触发控制设置等功能。

针对时域方面的信号量测,示波器是一项非常重要且很有效率的量测仪器,它能直 接显示信号波幅、频率、周期、波形与相位等之响应变化。一般来说,示波器都必须具备双轨迹输出显示装置,同时内建有IEEE-488、IEEE-1394 或RS-232等介面功能以便与绘图仪器连结,而利于后续量测显示资讯输出与绘图的研究比较之用。只是示波器缺点在于只侷限于低频信号,对于高频信号的分 析便成为一大挑战。

频谱分析仪的优势,正是在于弥补示波器针对高频信号分析的不足,并可同时将多 频信号以频域的方式来呈现,以方便辨识各不同频率的功率装置,并显示信号在频域里的特性。

 

图一 时域量测与频域量测之不同

频谱分析仪种类

频谱分析仪(Spectrum Analyzer)主要用于显示频域输入信号的频谱特性。并依据信号处理方式的差异分为两种类型,分别是即时频谱 分析仪(Real-Time Spectrum Analyzer),以及扫描调谐频谱分析仪(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)等两种。

即时频谱分析仪可在同 一时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设置相对应的滤波器与检知器(Detector),并经由同步多工扫瞄器将信号输出至萤幕,优 点在于能够显示周期性杂散波(Periodic Random Waves)的瞬时反应,但缺点是价格昂贵,且频宽范围、滤波器的数目与最大多工交换时间(Switching Time)都将对其性能表现造成限制。

扫瞄调谐频谱分析仪是最常用的频谱分析仪类型,它的基本结构与超外差式接收 器类似,主要工作原理是输入信号透过衰减器直接加入混波器中,可调变的本地振荡器经由与CRT萤幕同步的扫瞄产生器产生随时间作线性变化的振荡频率,再将 混波器与输入信号混波降频后的中频信号(IF)放大后、滤波与检波传送至CRT萤幕,因此CRT萤幕的纵轴将显示信号振幅与频率的相对关系。

如上所言,影响信号反应的主要关键为滤波器频宽。高斯滤波器 (Gaussian-Shaped Filter)影响的功能就是量测所常见到的解析频宽(Resolution Bandwidth;RBW)。RBW所代表的意义为两个不同频率信号所能够被清楚分辨出来的最低频宽差异,因此两个不同频率信号的频宽如果低于频谱分析 仪的解析频宽,如此两信号将会重叠而无法分辨。如此看似更低的RBW将有助于不同频率信号的分辨与量测工作,然而过低的RBW有可能将较高频率的信号给滤 除掉,因而导致信号显示时产生失真。较高的RBW当然有助于宽频信号的量测,然而却可能增加杂讯底层值(Noise Floor)、降低量测灵敏度,并对于侦测低强度的信号容易产生阻碍。失真值与设定的RBW密切相关,因此设定适当的RBW宽度才是正确使用频谱分析仪的 重要概念。

此外传统频谱分析仪的前端电路是在一定频宽内可调谐的接收器。当输入信号经 变频器变频后,由低通滤波器输出,滤波器所输出的数值就是垂直分量,至于频率则是水平分量,如此在萤幕上所呈现的座标图就是输入信号频谱图。由于变频器可 以达到很宽的频率(如从30Hz~30GHz),与外部混频器配合,更可提高到100GHz以上,因此频谱分析仪是频率覆盖率最宽的测量仪器之一,不管是 测量连续信号或调变信号,频谱分析仪都是很理想的测量工具。只是传统频谱分析仪的缺点在于,它只能测量频率的幅度,但缺少相位资讯,因此在性质上是属于标 量仪器而不是向量仪器。

新一代频谱分析仪则是基于快速傅立叶转换(FFT)的量测仪器。透过傅立叶 运算将被测信号分解成分立的频率分量,进而达到与传统频谱分析仪同样的结果。新型的频谱分析仪采用数位方式,直接由类比/数位转换器(ADC)对输入信号 取样,再经傅立叶运算处理后而得到频谱分布图。

在今天的量测中,不管是什么信号,都可以用许多方法进行测量。通常所用的最 基本仪器都是示波器,观察信号的波形、频率与振幅等。但由于信号的变化非常复杂,许多资讯是用示波器检测不出来的,例如如果要分析一个非正弦波信号,从理 论上来说,它是由不同频率与电压的向量所叠加而成。就分析的角度来观察,示波器横轴表示时间,纵轴为电压幅度,曲线是表示随时间变化的电压波形,这是时域 的测量方法。如果要观察其频率的组成,必须用频域法,其横坐标为频率,纵轴为功率幅度。如此便可以看到在不同频率点上功率幅度的分布,就可以了解这些信号 的频谱。有了这些单一信号的频谱,接着还能继续把复杂信号再现与复制出来,这对于讯号分析来说是非常重要的。

当一个数位讯号中包含许多影像和声音的信号,它的频谱分布将会相当复杂。在 卫星监测上,这些信号都必须从频谱分析的角度来获得所需要的参数。目前有两种方法可对信号频率进行分析。第一是对信号进行时域的采集,然后对其进行傅立叶 转换,将其转换成频域信号,这种方法称之为动态信号分析。特色是比较快,有较高的采样速率与较高的解析度。即使是两个信号间隔非常近,用傅立叶转换也可将 它们分辨出来。但由于是用数位采样分析,所能分析信号的最高频率受其采样速率的影响,限制了对高频信号的分析。因此目前最高的分析频率只是在10MHz左 右,这样的测量范围是属于是向量分析。此种分析方法一般用于低频信号的分析,如声音与振动等。另一种方法原理则是依靠硬体电路实现,而不是透过数学方程式 转换。它可以直接接收信号,此种分析仪器称为超外差接收直接扫描调谐分析仪,也就是前述所提及的扫描调谐频谱分析仪。

频谱分析仪应用领域

频谱分析仪主要功能在于量测信号的大小或振幅,其应用范围十分广泛,包括系 统维护、信号量测、组件的频率增益与物料品管等,都在频谱分析仪的应用范围之中。

放大器增益、频率响应与被动元件特性之量测

有线电视及通信系统使用大量的放大器与分接器(Tap)、接头、同轴电缆等 被动元件,元件品质的好坏都会影响信号的特性,因此事前的筛选有助于保证信号的品质。例如透过频谱分析仪的追踪产生器来评估待测物件(DUT)的频率反应 特性,量测的结果可由绘图仪器(Plotter)输出而获得资料。量测频率的范围可事先一次设定,并一次获得其对应的关系曲线,如此将大幅减少过去透过示 波器及函数产生器必须依不同频率逐点量测的繁复操作程序。

利用频谱分析仪本身的追踪产生器(Tracking Generator)功能,产生扫瞄信号经由DUT传送到频谱分析仪的射频接收器,由DUT的频率响应和短接线的量测响应,相互比较之,亦可得出DUT的 介入损失(Insertion Loss),同样方式将可得到其它相关元件的频率响应量测值。

失真度量测

由傅立叶方程式可得知,除了不失真的谐振波(正弦波)之外,任何波形除了基 本波,都还包括高谐波的分量,例如周期性的锯齿波(Periodic Sawtooth Wave)等,依傅立叶方程式展开,其对应的数学式显示出无限个谐波,而谐波成份在频谱分析仪中可清楚显示。

示波器无法测知信号的失真度,仅能显示信号波形与时间的关系,但频谱分析仪 由对应的谐波频谱,可准确地评估信号的谐波信号与振幅,进而评估失真度的大小。

通讯监测

无线通讯因频谱使用的规定,必须使用高频,并经由天线收发信号,透过频谱分 析仪搭配天线很容易侦测目前通讯信号的强度与载波的频率,例如使用方向性天线,二组量测设备便能找出信号源,这也是相关单位取缔非法电波(如非法地下电 台)的主要侦测技术。

依据需要可将频谱分析仪之扫描频宽适当地调整,例如缩小或放大,进行细微的 调整以评估受测地区的干扰信号状况,这种方法可做为设计某地区通讯电台或各类行动通讯系统基地台的参考。由方向性天线的调整量所测得的最高信号振幅,便可 依天线的方向性判定信号源方向,若配合邻近的另一组监测装置,由两组天线方向的交叉点就可得出信号源的位置,立即可侦测得知发射源的位置,以这种方法,透 过更多组的量测将可准确得到发射源。

有线电视影像资讯的量测

有线电视(CATV)是透过同轴电缆或光缆电缆等缆线传送视讯到用户家中。 由于科技的发展,为了减少挖马路埋设缆线的施工困难度并降低成本,已有厂商提议开放微波传送或透过卫星以对点(Spot)的方式将讯号传送到用户家中,目 前北美已有服务供应商针对北加州用户发射具有150个视讯频道的卫星讯号。因此缆线、微波与卫星传送视讯的方式已并存应用于市场上,提供收视户更多元化的 选择。

CATV系统 的主要功能是传送影像节目与数据资料,并保持系统的正常运作,传输100个左右或更多频道视讯,以及用户终端资料检索控制信号的适时反应等双向互动式服务 等功能。在CATV系统中包括种类繁多的视讯信号,例如电压与电流振幅、增益、频率及功率等,其中增益、功率大多以对数值表示之。而射频信号的振幅、频率 可由一般仪器(如示波器)量测得之,信号相位(Phase)则由向量示波器(Vector Scope)量测,所谓向量示波器是具有极稳定之环形时基示波器,可用于核对两信号间的时间延迟。而频谱分析仪正是CATV信号量测不可或缺的电子设备。

天线特性的量测

频谱分析仪除了量测空气中的信号强度振幅外,只要搭配桥接器 (Bridger)也能量测反射损失(Return loss)。由于行动电话的普及,基地台在城市中数量相当多,由于电磁辐射伤害的疑虑一直困扰着使用者,因此,电磁波强度量测已逐渐被大家重视。频谱分析 仪也可针对天线辐射强度或任意空间电磁强度进行量测。

频谱分析仪之使用

对于测量的可测与不可测与否,完全取决于频谱分析仪的设定。这包括了对衰减器、频率范围与解析度频宽的设置。频谱分析仪的设定包括频率范围、解析度和动态范围,动态范围又涉及最大输入功率即烧毁功率,增益压缩使小于1W的输入信 号一旦超过线性工作区域便会出现误差。此外灵敏度也是考虑频谱分析仪对输入信号可测与否的关键。

参数频率范围要从两个方面观察,一是频率范围的设定是否够窄,以具有足够的 频率分辨能力,也就是够窄的扫频宽度。二是频率范围是否有足够的宽度,是否可以测到第二次、第三次谐波。当用频谱分析仪测量一个放大器谐波失真的时候,若 放大器为1GHz,则它的三次谐波就是3GHz,这就是要考虑频率范围的最大可测宽度。如果频谱仪是1.8GHz,就不能进行量测,如果频谱分析仪是 26.5GHz,就可以测到它的第三,第四次谐波。

解析度也是频谱分析仪中非常重要的参数设定。解析度表示当要测量两个频率的 功率不一样时,必须将它们区分开来。将中频频宽设置成三种不同的宽度,下面所对应的就是在这一频宽设置时所看到的曲线。中频频宽越窄则解析度越高,中频频 宽越宽则解析度越低。解析度频宽直接影响到微小信号的识别能力和测量的结果。

本文简单介绍了频谱分析仪的应用与运作,在许多应用领域,频谱分析仪都是工程师的好帮手。而频谱分析仪的最佳状态是由许多因素与参数所决定,因此需要全盘考量,而非追求单一指标的完美,对各种基本因素与测量类型进行分析,才能达到趋于完美的量测结果。
 

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