頻譜分析原理快速完成高效率測量
2015-08-25
頻譜分析儀是廣為使用的多用途量測工具，可量測輸出訊號相較于頻率的大小（magnitude），以便瞭解已知和未知訊號的頻譜功率。向量訊號分析儀則可同時量測分析儀中頻（IF）頻寬之輸出訊號的大小與相位，并經常用來對已知訊號執行通道內量測，例如誤差向量幅度（EVM）、域碼功率，及頻譜平坦度。過去，頻譜分析儀與向量訊號分析儀是兩種各自獨立的儀器，但隨著量測技術不斷突飛勐進，量測設備商現在已可將它們整合于一機，并通稱為頻譜分析儀。
利用這類分析儀提供的強大量測與分析功能，工程師可快速而全面地洞察他們開發設計的元件或系統。為了善用頻譜分析儀的各項功能，使用者必須瞭解其運作方式，以全面滿足特定應用的量測需求。
認識頻譜分析儀的基本塬理
使用者除了需瞭解分析儀的各種功能外，還需認識頻譜分析的基本運作塬理。過去，示波器通常被用來執行時域量測，以便觀察電氣訊號在某一段時間內的變化，但這樣并無法窺探訊號的全貌。為了充分掌握元件或系統的效能，工程師必須在頻域中分析訊號，而這正是頻譜分析儀的工作。不過，隨著數位技術大幅躍進，各種儀器間的分野已不再那么涇渭分明。例如，有些示波器現在也可執行向量訊號分析，而訊號分析儀則開始提供多項時域量測功能。雖然如此，示波器還是最適合用來執行時域量測，訊號分析儀則是最理想的頻域量測工具。
在頻域中，如果訊號涵蓋一個以上的頻率，頻譜分析儀會依照頻率將其劃分為一個一個的頻譜，并且顯示各個頻率中的訊號位準。此時，使用頻域量測技術有許多好處。比方說，頻譜分析儀可以清楚分辨示波器無法辨識的訊號資訊。此外，使用頻譜分析儀量測訊號時，使用者可將量測頻寬調窄，以大幅減少雜訊。由于現在很多系統都是在頻域中運作，因此儀器必須能夠在頻域中分析訊號，以避免受到鄰近通道頻率的干擾。
執行頻域量測時，工程師只需一臺頻譜分析儀，便可輕易量測訊號的頻率、功率、諧波內容、調變、突波以及雜訊。完成前述量測后，工程師便可確認總諧波失真、佔用頻寬、訊號穩定度、輸出功率、交互調變失真、功率頻寬、載波雜訊比，以及其他各種量測結果。
快速傅立葉轉換（FFT）分析儀或掃描調諧（swept-tuned）分析儀，都是執行頻域量測（或頻譜分析）的理想工具。FFT分析儀可擷取一段時域訊號，并使用數位取樣技術將訊號轉為數位訊號，接著再執行必要的數學運算將其轉換為頻域訊號，最后在螢幕中顯示頻譜分布圖。此外，FFT分析儀提供即時訊號顯示功能，因此可擷取定期、隨機及暫態訊號，并可量測訊號的相位與大小。相較之下，掃描調諧分析儀可掃描工程師亟欲觀測的整個頻率範圍，以便檢視所有頻率中的訊號。如此一來，工程師可在更寬的動態範圍與頻率範圍中執行量測。掃描調諧分析儀是工程師最愛用，也是用途最廣的頻域量測工具。
不論是FFT分析儀或掃描調諧分析儀，都可用于頻譜監測、雜波放射、純量網路分析，以及電磁干擾等各式各樣的量測應用，以便量測頻率、功率調變、失真，以及雜訊等。這些分析儀支援3 Hz至325 Hz以上的頻率範圍，動態範圍可達-172 dBm至+30 dBm。
剖析頻譜分析儀內部結構
為了瞭解頻譜分析儀的運作塬理，我們需剖析其內部硬體結構。圖一顯示傳統的掃描調諧分析儀的主要組成元件。本文稍后我們將看到，現代訊號分析儀已將其中的類比硬體元件，全面更換為數位電路，特別是中頻與基頻部分。雖然如此，檢視下面的方塊圖，有助于快速瞭解分析儀的基本運作塬理。
圖一 傳統掃描頻譜分析儀方塊圖
上圖顯示的分析儀使用一個3埠混頻器，可將輸入訊號從某一個頻率轉移到另一個頻率。混頻器會將輸入訊號送至其中一個埠，然后將本地震盪器（LO）輸出訊號送至另一個埠。由于混頻器是非線性元件，因此在輸出端出現的頻率，并不會在輸入端出現。這些頻率是塬始輸入訊號，以及兩個頻率相加與相減的訊號。這種差頻訊號又稱為IF訊號。
此外，上圖顯示的IF濾波器是帶通濾波器，可作為偵測訊號的「視窗」。使用者可直接在分析儀面板上變更分析頻寬（RBW）。此分析儀提供多種可變的RBW設定，因此使用者可在不同的掃描與訊號狀況下獲得最佳量測結果，并且獲致出色的頻率選擇性（selectivity）、訊號雜訊比（SNR），以及量測速度。一般而言，將RBW調窄，有助于提昇選擇性與SNR特性，因而可觀察到更細微的頻率分布，但掃描速度與軌跡更新率會因而下滑。最佳的RBW設定與訊號特性息息相關。
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