頻譜分析儀

頻譜分析儀

頻譜分析儀是研究電信號頻譜結構的儀器，用於信號失真度、調製度、譜純度、頻率穩定度和交調失真等信號參數的測量，可用以測量放大器和濾波器等電路系統的某些參數，是一種多用途的電子測量儀器。它又可稱為頻域示波器、跟蹤示波器、分析示波器、諧波分析器、頻率特性分析儀或傅立葉分析儀等。現代頻譜分析儀能以模擬方式或數字方式顯示分析結果,能分析1赫以下的甚低頻到亞毫米波段的全部無線電頻段的電信號。儀器內部若採用數字電路和微處理器，具有存儲和運算功能；配置標準接口，就容易構成自動測試系統。

簡介

頻譜分析儀是對無線電信號進行測量的必備手段，是從事電子產品研發、生產、檢驗的常用工具。因此，套用十分廣泛，被稱為工程師的射頻萬用表。
1、傳統頻譜分析儀
傳統的頻譜分析儀的前端電路是一定頻寬內可調諧的接收機,輸入信號經變頻器變頻後由低通濾器輸出,濾波輸出作為垂直分量,頻率作為水平分量,在示波器螢幕上繪出坐標圖,就是輸入信號的頻譜圖。由於變頻器可以達到很寬的頻率,例如30Hz-30GHz,與外部混頻器配合,可擴展到100GHz以上,頻譜分析儀是頻率覆蓋最寬的測量儀器之一。無論測量連續信號或調製信號,頻譜分析儀都是很理想的測量工具。但是,傳統的頻譜分析儀也有明顯的缺點,它只能測量頻率的幅度,缺少相位信息,因此屬於標量儀器而不是矢量儀器。
2、現代頻譜分析儀
基於快速傅立葉變換(FFT)的現代頻譜分析儀，通過傅立葉運算將被測信號分解成分立的頻率分量,達到與傳統頻譜分析儀同樣的結果,。這種新型的頻譜分析儀採用數字方法直接由模擬/數字轉換器(ADC)對輸入信號取樣,再經FFT處理後獲得頻譜分布圖。　
在這種頻譜分析儀中，為獲得良好的儀器線性度和高解析度,對信號進行數據採集時 ADC的取樣率最少等於輸入信號最高頻率的兩倍,亦即頻率上限是100MHz的實時頻譜分析儀需要ADC有200MS/S的取樣率。
目前半導體工藝水平可製成解析度8位和取樣率4GS/S的ADC或者解析度12位和取樣率800MS/S的ADC,亦即,原理上儀器可達到2GHz的頻寬，為了擴展頻率上限,可在ADC前端增加下變頻器,本振採用數字調諧振盪器。這種混合式的頻譜分析儀可擴展到幾GHz以下的頻段使用。
FFT的性能用取樣點數和取樣率來表征,例如用100KS/S的取樣率對輸入信號取樣1024點,則最高輸入頻率是50KHz和解析度是50Hz。如果取樣點數為2048點,則解析度提高到25Hz。由此可知,最高輸人頻率取決於取樣率,解析度取決於取樣點數。FFT運算時間與取樣,點數成對數關係,頻譜分析儀需要高頻率、高解析度和高速運算時,要選用高速的FFT硬體,或者相應的數位訊號處理器(DSP)晶片。例如,10MHz輸入頻率的1024點的運算時間80μs,而10KHz的1024點的運算時間變為64ms,1KHz的1024點的運算時間增加至640ms。當運算時間超過200ms時,螢幕的反應變慢,不適於眼睛的觀察,補救辦法是減少取樣點數,使運算時間降低至200ms以下。
3、用FFT計算信號頻譜的算法
離散付里葉變換X(k)可看成是z變換在單位圓上的等距離採樣值
同樣，X（k）也可看作是序列付氏變換X（ejω）的採樣，採樣間隔為ωN=2π/N
由此看出，離散付里葉變換實質上是其頻譜的離散頻域採樣，對頻率具有選擇性（ωk=2πk/N），在這些點上反映了信號的頻譜。
根據採樣定律，一個頻帶有限的信號，可以對它進行時域採樣而不丟失任何信息，FFT變換則說明對於時間有限的信號（有限長序列），也可以對其進行頻域採樣，而不丟失任何信息。所以只要時間序列足夠長，採樣足夠密，頻域採樣也就可較好地反映信號的頻譜趨勢，所以FFT可以用以進行連續信號的頻譜分析

頻譜分析儀原理

頻譜分析儀系統主要的功能是在頻域裡顯示輸入信號的頻譜特性，頻譜分析儀依信號處理方式的不同，一般有兩種類型，即時頻譜分析儀(Real-Time Spectrum Analyzer)與掃描調諧頻譜分析儀(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer).即時頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應的濾波器與檢知器(Detector)，再經由同步的多工掃描器將信號傳送到CRT螢幕上，其優點是能顯示周期性雜散波(Periodic Random Waves)的瞬間反應，其缺點是價昂且性能受限於頻寬範圍，濾波器的數目與最大的多工交換時間(Switching Time)，最常用的頻譜分析儀是掃描調諧頻譜分析儀，其基本結構類似超外差式接收器，工作原理是輸入信號經衰減器直接外加到混波器，可調變的本地振盪器經與CRT同步的掃描產生器產生隨時間作線性變化的振盪頻率，經混波器與輸入信號混波降頻後的中頻信號(IF)再放大，濾波與檢波傳送到CRT的垂直方向板，因此在CRT的縱軸顯示信號振幅與頻率的對應關係。影響信號反應的重要部份為濾波器頻寬,濾波器之特性為高斯濾波器(Gaussian-Shaped Filter)，影響的功能就是量測時常見到的解析頻寬(RBW,ResolutionBandwidth)。RBW代表兩個不同頻率的信號能夠被清楚的分辨出來的最低頻寬差異，兩個不同頻率的信號頻寬如低於頻譜分析儀的RBW,此時該兩信號將重疊，難以分辨，較低的RBW固然有助於不同頻率信號的分辨與量測，低的RBW將濾除較高頻率的信號成份，導致信號顯示時產生失真，失真值與設定的RBW密切相關，較高的RBW固然有助於寬頻帶信號的偵測，將增加雜訊底層值(Noise Floor)，降低量測靈敏度，對於偵測低強度的信號易產生阻礙，因此適當的RBW寬度是正確使用頻譜分析儀重要的概念。

分類

頻譜分析儀

頻譜分析儀分為掃頻式和實時分析式兩類。
掃頻式頻譜分析儀它是具有顯示裝置的掃頻超外差接收機，主要用於連續信號和周期信號的頻譜分析。它工作於聲頻直至亞毫米的波頻段，只顯示信號的幅度而不顯示信號的相位。它的工作原理是：本地振盪器採用掃頻振盪器，它的輸出信號與被測信號中的各個頻率分量在混頻器內依次進行差頻變換，所產生的中頻信號通過窄帶濾波器後再經放大和檢波，加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉信號，使螢幕上的垂直顯示正比於各頻率分量的幅值。本地振盪器的掃頻由鋸齒波掃描發生器所產生的鋸齒電壓控制，鋸齒波電壓同時還用作示波管的水平掃描，從而使螢幕上的水平顯示正比於頻率。
實時式頻譜分析儀　在存在被測信號的有限時間內提取信號的全部頻譜信息進行分析並顯示其結果的儀器主要用於分析持續時間很短的非重複性平穩隨機過程和暫態過程，也能分析40兆赫以下的低頻和極低頻連續信號，能顯示幅度和相位。傅立葉分析儀是實時式頻譜分析儀，其基本工作原理是把被分析的模擬信號經模數變換電路變換成數位訊號後，加到數字濾波器進行傅立葉分析；由中央處理器控制的正交型數字本地振盪器產生按正弦律變化和按餘弦律變化的數字本振信號，也加到數字濾波器與被測信號作傅立葉分析。正交型數字式本振是掃頻振盪器，當其頻率與被測信號中的頻率相同時就有輸出，經積分處理後得出分析結果供示波管顯示頻譜圖形。正交型本振用正弦和餘弦信號得到的分析結果是複數，可以換算成幅度和相位。分析結果也可送到列印繪圖儀或通過標準接口與計算機相連。

工作原理

頻譜分析儀

頻譜分析儀架構猶如時域用途的示波器，面板上布建許多功能控制按鍵，作為系統功能之調整與控制，系統主要的功能是在頻域里顯示輸入信號的頻譜特性。頻譜分析儀依信號處理方式的不同，一般有兩種類型；實時頻譜分析儀(Real-Time Spectrum Analyzer)與掃瞄調諧頻譜分析儀(Sweep-Tuned Spectrum Analyzer)。實時頻率分析儀的功能為在同一瞬間顯示頻域的信號振幅，其工作原理是針對不同的頻率信號而有相對應的濾波器與檢知器(Detector)，再經由同步的多任務掃瞄器將信號傳送到CRT 螢幕上，其優點是能顯示周期性雜散波(PeriodicRandom Waves)的瞬間反應，其缺點是價昂且性能受限於頻寬範圍、濾波器的數目與最大的多任務交換時間(Switching Time)。

技術指標

頻譜分析儀

頻譜分析儀的主要技術指標有頻率範圍、分辨力、分析譜寬、分析時間、掃頻速度、靈敏度、顯示方式和假回響。
頻率範圍：頻譜分析儀進行正常工作的頻率區間。現代頻譜儀的頻率範圍能從低於1赫直至300吉赫。
分辨力：頻譜分析儀在顯示器上能夠區分最鄰近的兩條譜線之間頻率間隔的能力，是頻譜分析儀最重要的技術指標。分辨力與濾波器型式、波形因數、頻寬、本振穩定度、剩餘調頻和邊帶噪聲等因素有關，掃頻式頻譜分析儀的分辨力還與掃描速度有關。分辨頻寬越窄越好。現代頻譜儀在高頻段分辨力為10～100赫。
分析譜寬：又稱頻率跨度。頻譜分析儀在一次測量分析中能顯示的頻率範圍，可等於或小於儀器的頻率範圍，通常是可調的。
分析時間：完成一次頻譜分析所需的時間，它與分析譜寬和分辨力有密切關係。對於實時式頻譜分析儀,分析時間不能小於其最窄分辨頻寬的倒數。
掃頻速度：分析譜寬與分析時間之比，也就是掃頻的本振頻率變化速率。
靈敏度：頻譜分析儀顯示微弱信號的能力，受頻譜儀內部噪聲的限制，通常要求靈敏度越高越好。動態範圍指在顯示器上可同時觀測的最強信號與最弱信號之比。現代頻譜分析儀的動態範圍可達80分貝。
顯示方式：頻譜分析儀顯示的幅度與輸入信號幅度之間的關係。通常有線性顯示、平方律顯示和對數顯示三種方式。
假回響：顯示器上出現不應有的譜線。這對超外差系統是不可避免的，應設法抑止到最小，現代頻譜分析儀可做到小於-90分貝毫瓦。

訊息處理過程

頻譜分析儀

在量測高頻信號時，外差式的頻譜分析儀混波以後的中頻因放大之故，能得到較高的靈敏度，且改變中頻濾波器的頻頻寬度，能容易地改變頻率的解析度，但由於超外差式的頻譜分析儀是在頻帶內掃瞄之故，因此，除非使掃瞄時間趨近於零，無法得到輸入信號的實時(Real Time)反應，故欲得到與實時分析儀的性能一樣的超外差式頻譜分析儀，其掃瞄速度要非常之快，若用比中頻濾波器之時間常數小的掃瞄時間來掃瞄的話，則無法得到信號正確的振幅，因此欲提高頻譜分析儀之頻率解析度，且要能得到準確之回響，要有適當的掃瞄速度。若用比中頻濾波器之時間常數小的掃描時間來掃描的話，則無法得到信號的正確振幅。因此，欲提高頻譜分析儀之頻率解析度，且要得到準確之回響，要有適當的掃描度。由以上之敘述，可以得知超外差式頻譜分析儀無法分析瞬時信號(TransientSignal)或脈衝信號(Impulse Signal)的頻譜，而其主要套用則在測試周期性的信號及其它雜散信號(Random Signal)的頻譜。頻譜分析儀系統內部及面板顯示的特性，一般本地振盪器輸出信號的頻率均高於中頻信號的頻率，振盪器輸出信號的頻率可被調整在諧波之頻率，亦即?IN=n??LO±?I F n=1, 2, 3.......(2)由式(2)得知，頻譜分析儀的信號量測範圍，無形中己被拓寬，低於或高於本地振盪器或其它諧波頻率的輸入信號，均能被混波產生中頻。延伸輸入信號頻率的混波原理，其中縱軸代表輸入信號(?IN)，橫軸代表本地振盪頻率(?LO)，正負整數代表公式(2)中頻放大器對應的正負號。由式(2)得知，頻譜分析儀的信號量測範圍，無形中己被拓寬，低於或高於本地振盪器或其它諧波頻率的輸入信號，均能被混波產生中頻。延伸輸入信號頻率的混波原理 所示，其中縱軸代表輸入信號(?IN)，橫軸代表本地振盪頻率(?LO)，圖中的正負整數代表公式(2)中頻放大器對應的正負號。

使用

噪聲頻譜分析儀

一、什麼是頻譜分析儀在頻域內分析信號的測試儀。以圖形方式顯示信號幅度按頻率的分布，即X軸表示頻率，Y軸表示信號幅度。
二、原理：用窄帶帶通濾波器對信號進行選通。
三、主要功能：顯示被測信號的頻譜、幅度、頻率。可以全景顯示，也可以選定頻寬測試。
四、測量機制：
1、 把被測信號與儀器內的基準頻率、基準電平進行對比。因為許多測量的本質都是電平測試，如載波電平、A/V、頻響、C/N、CSO、CTB、HM、CM以及數字頻道平均功率等。
2、波形分析：通過107選件和相應的分析軟體，對電視的行波形進行分析，從而測試視頻指標。如DG、DP、CLDI、調製深度、頻偏等。
五、操作：
(一) 硬鍵、軟鍵和鏇鈕：這是儀器的基本操作手段。
1、三個大硬鍵和一個大鏇鈕：大鏇鈕的功能由三個大硬鍵設定。按一下頻率硬鍵，則鏇鈕可以微調儀器顯示的中心頻率；按一下掃描寬度硬鍵，則鏇鈕可以調節儀器掃描的頻率寬度；按一下幅度硬鍵，則鏇鈕可以調節信號幅度。鏇動鏇鈕時，中心頻率、掃描寬度（起始、終止頻率）、和幅度的dB數同時顯示在螢幕上。
2、軟鍵：在螢幕右邊，有一排縱向排列的沒有標誌的按鍵，它的功能隨項目而變，在螢幕的右側對應於按鍵處顯示什麼，它就是什麼按鍵。
3、其它硬鍵：儀器狀態(INSTRUMNT STATE)控制區有十個硬鍵：RESET清零、CANFIG配置、CAL校準、AUX CTRL輔助控制、COPY列印、MODE模式、SAVE存儲、RECALL調用、MEAS/USER測量/用戶自定義、SGL SWP信號掃描。游標（MARKER）區有四個硬鍵：MKR游標、MKR 游標移動、RKR FCTN游標功能、PEAK SEARCH峰值搜尋。控制（CONTRL）區有六個硬鍵：SWEEP掃描、BW頻寬、TRIG觸發、AUTO COVPLE自動耦合、TRACE跟蹤、DISPLAY顯示。在數字鍵區有一個BKSP回退，數字鍵區的右邊是一縱排四個ENTER確認鍵，同時也是單位鍵。大鏇鈕上面的三個硬鍵是視窗鍵：ON打開、NEXT下一屏、ZOOM縮放。大鏇鈕下面的兩個帶箭頭的鍵STEP配合大鏇鈕使用作上調、下調。
(二)輸入和輸出接口：位於一起面板下邊一排。TV IN測視頻指標的信號輸入口；VOL INTEN是內外一套鏇鈕控制、調節內置喇叭的音量和螢幕亮度；CAL OUT儀器自檢信號輸出；300Mhz 29dBmv儀器標準信號輸出口；PROBE PWR儀器探針電源；IN 75Ω1M—1.8G測試信號總輸入口。
(三) 測試準備：
1、限制性保護：規定最高輸入射頻電平和造成永久性損壞的最高電壓值：直流25V，交流峰峰值100V。
2、預熱：測試須等到OVER COLD消失。
3、自校：使用三個月，或重要測量前，要進行自校。
4、系統測量配置：配置是測量之前把測量的一些參數輸入進去，省去每次測量都進行一次參數輸入。內容：測試項目、信號輸入方式（頻率還是頻道）、顯示單位、制式、噪聲測量頻寬和取樣點、測CTB、CSO的頻率點、測試行選通等。配置步驟：按MODE鍵——CABLE TV ANALYZER軟鍵——Setup軟鍵，進入設定狀態。細節為tune config調諧配置：包括頻率、頻道、制式、電平單位。Analyzer input輸入配置：是否加前置放大器。Beats setup拍頻設定、測CTB、CSO的頻點（頻率偏移CTB FRQ offset、CSO FRQ offset）。GATING YES NO是否選通測試行。C/N setup載噪比設定：頻點（頻率偏移C/N FRQ offset）、頻寬。