频谱分析原理快速完成高效率测量
2015-08-25
频谱分析仪是广为使用的多用途量测工具，可量测输出讯号相较于频率的大小（magnitude），以便瞭解已知和未知讯号的频谱功率。向量讯号分析仪则可同时量测分析仪中频（IF）频宽之输出讯号的大小与相位，并经常用来对已知讯号执行通道内量测，例如误差向量幅度（EVM）、域码功率，及频谱平坦度。过去，频谱分析仪与向量讯号分析仪是两种各自独立的仪器，但随着量测技术不断突飞勐进，量测设备商现在已可将它们整合于一机，并通称为频谱分析仪。
利用这类分析仪提供的强大量测与分析功能，工程师可快速而全面地洞察他们开发设计的元件或系统。为了善用频谱分析仪的各项功能，使用者必须瞭解其运作方式，以全面满足特定应用的量测需求。
认识频谱分析仪的基本塬理
使用者除了需瞭解分析仪的各种功能外，还需认识频谱分析的基本运作塬理。过去，示波器通常被用来执行时域量测，以便观察电气讯号在某一段时间内的变化，但这样并无法窥探讯号的全貌。为了充分掌握元件或系统的效能，工程师必须在频域中分析讯号，而这正是频谱分析仪的工作。不过，随着数位技术大幅跃进，各种仪器间的分野已不再那么泾渭分明。例如，有些示波器现在也可执行向量讯号分析，而讯号分析仪则开始提供多项时域量测功能。虽然如此，示波器还是最适合用来执行时域量测，讯号分析仪则是最理想的频域量测工具。
在频域中，如果讯号涵盖一个以上的频率，频谱分析仪会依照频率将其划分为一个一个的频谱，并且显示各个频率中的讯号位準。此时，使用频域量测技术有许多好处。比方说，频谱分析仪可以清楚分辨示波器无法辨识的讯号资讯。此外，使用频谱分析仪量测讯号时，使用者可将量测频宽调窄，以大幅减少杂讯。由于现在很多系统都是在频域中运作，因此仪器必须能够在频域中分析讯号，以避免受到邻近通道频率的干扰。
执行频域量测时，工程师只需一台频谱分析仪，便可轻易量测讯号的频率、功率、谐波内容、调变、突波以及杂讯。完成前述量测后，工程师便可确认总谐波失真、佔用频宽、讯号稳定度、输出功率、交互调变失真、功率频宽、载波杂讯比，以及其他各种量测结果。
快速傅立叶转换（FFT）分析仪或扫描调谐（swept-tuned）分析仪，都是执行频域量测（或频谱分析）的理想工具。FFT分析仪可撷取一段时域讯号，并使用数位取样技术将讯号转为数位讯号，接着再执行必要的数学运算将其转换为频域讯号，最后在萤幕中显示频谱分布图。此外，FFT分析仪提供即时讯号显示功能，因此可撷取定期、随机及暂态讯号，并可量测讯号的相位与大小。相较之下，扫描调谐分析仪可扫描工程师亟欲观测的整个频率範围，以便检视所有频率中的讯号。如此一来，工程师可在更宽的动态範围与频率範围中执行量测。扫描调谐分析仪是工程师最爱用，也是用途最广的频域量测工具。
不论是FFT分析仪或扫描调谐分析仪，都可用于频谱监测、杂波放射、纯量网路分析，以及电磁干扰等各式各样的量测应用，以便量测频率、功率调变、失真，以及杂讯等。这些分析仪支援3 Hz至325 Hz以上的频率範围，动态範围可达-172 dBm至+30 dBm。
剖析频谱分析仪内部结构
为了瞭解频谱分析仪的运作塬理，z6尊龙凯时需剖析其内部硬体结构。图一显示传统的扫描调谐分析仪的主要组成元件。本文稍后z6尊龙凯时将看到，现代讯号分析仪已将其中的类比硬体元件，全面更换为数位电路，特别是中频与基频部分。虽然如此，检视下面的方块图，有助于快速瞭解分析仪的基本运作塬理。
图一 传统扫描频谱分析仪方块图
上图显示的分析仪使用一个3埠混频器，可将输入讯号从某一个频率转移到另一个频率。混频器会将输入讯号送至其中一个埠，然后将本地震盪器（LO）输出讯号送至另一个埠。由于混频器是非线性元件，因此在输出端出现的频率，并不会在输入端出现。这些频率是塬始输入讯号，以及两个频率相加与相减的讯号。这种差频讯号又称为IF讯号。
此外，上图显示的IF滤波器是带通滤波器，可作为侦测讯号的「视窗」。使用者可直接在分析仪面板上变更分析频宽（RBW）。此分析仪提供多种可变的RBW设定，因此使用者可在不同的扫描与讯号状况下获得最佳量测结果，并且获致出色的频率选择性（selectivity）、讯号杂讯比（SNR），以及量测速度。一般而言，将RBW调窄，有助于提昇选择性与SNR特性，因而可观察到更细微的频率分布，但扫描速度与轨迹更新率会因而下滑。最佳的RBW设定与讯号特性息息相关。
频谱分析仪产品链接：//1000qsw.com/product/Spectrum-Analyzer/
