频谱分析仪的工作原理

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(PeriodicRandom 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 Time)。

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。

图1.2：频谱分析仪的外观

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(TransientSignal)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ƒIN=n⋅ƒLO±ƒI F 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(ƒIN)，横轴代表本地振荡频率(ƒLO)，图中的正负整数代表公式(2)中频放大器对应的正负号。

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。

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(TransientSignal)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。

2.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：

例如：频宽从100kHz（BW1）调整到10kHz（BW2），则噪声改变量为：

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：

Pn  =kTBW ， (5)
其中： Pn =噪声功率= 3.98*10−21 瓦/Hz 或-174dB/Hz
k=Boltzman 常数，1.38*10−23 joule/oK
T=绝对温度表示的常温=290 oK
BW=系统的噪声功率频宽（Hz）。
在4MHz、75 Ω 、290 oK 时的噪声功率为-59.1dBm。由噪声功率得知，信号频宽降低，系统噪声功率随之降低，信号的质量以信号噪声比表示
(SNR；Signal-to-Noise Ratio)，信号强度（单位为dBm）与系统噪声功
率（单位为dBm）的相减值即为信号噪声比，数学式为：

3.匹配因素
量测设备的输入阻抗有时无法匹配待测件连接线特性阻抗，根据电磁
理论，阻抗匹配时，输出功率最大且没有其它不良的副作用，而阻抗不匹
配，将造成信号反射，影响系统频率的稳定与造成信号功率的损失。信号
在传输在线往返传送将产生驻波及噪声，进而影响接收端的信号质量与量
测值的准确性。量测设备输入阻抗与待测件组抗不匹配之缺点可规纳为：
A.信号反射，传输缆在线产生驻波。
B.噪声增大。
C.降低信号输出功率。
D.影响系统频率的稳定。
E.影响量测值之准确度。

更详细的介绍请查看：频谱分析仪原理及应用