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頻譜分析儀的系統(tǒng)特性與操作原理

頻譜分析儀簡(jiǎn)介

隨著通訊應(yīng)用科技的進(jìn)展神速,，從二次大戰(zhàn)后之傳統(tǒng)軍事專(zhuān)屬的通訊科技一直到今天普遍影響我們生活的行動(dòng)通訊科技，其背后的科學(xué)原理與理論基礎(chǔ)之驗(yàn)證與實(shí)現(xiàn),，無(wú)不需要依賴(lài)對(duì)無(wú)線(xiàn)射頻訊號(hào)的量測(cè)，才能完成各式各樣之通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù),，本應(yīng)用技術(shù)文摘的目的在于供作頻譜分析儀的系統(tǒng)特性與操作原理上之技術(shù)入門(mén)書(shū),，希望對(duì)于產(chǎn)業(yè)界、教育學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu),、基礎(chǔ)科研單位與維修服務(wù)中心等,，在各式各樣的主流應(yīng)用領(lǐng)域上提出應(yīng)用技術(shù)重要的量測(cè)特性與操作原理，俾利于各種基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用人員在追求科技新知,、推進(jìn)科技研發(fā)與促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面能夠更上一層樓,。而本文將從幫助初學(xué)者了解頻譜分析儀的出發(fā)點(diǎn)，學(xué)習(xí)者進(jìn)入知識(shí)的殿堂,，藉由闡述頻譜分析的重要性與頻譜分析儀的基本架構(gòu),，讓有志于培養(yǎng)此一應(yīng)用技術(shù)之興趣與技能者有zui多的體會(huì)與啟發(fā)，zui后則由頻譜分析儀在量測(cè)上的主要參數(shù)分析,、常用配件的搭配說(shuō)明,、操作性能的解說(shuō)來(lái)刻劃出其在各種量測(cè)應(yīng)用上的特色與優(yōu)點(diǎn),。

一,、頻譜分析的原理

在了解頻譜分析儀的工作原理之前有必要先對(duì)頻譜的概念作一番體會(huì)，才有助于實(shí)際上的量測(cè)操作,，因此必須了解何謂頻譜（Spectrum）和為何要進(jìn)行頻譜分析（Spectrum analysis）,。頻譜的概念充斥在我們的生活周遭，各種具有不同頻率的訊號(hào)往往是以機(jī)率分配的方式存在著,，在一般的時(shí)域分析（Time-domain analysis）中,，可以很容易從時(shí)間軸上觀察到任何訊號(hào)波形變化的事件，只要用示波器的量測(cè)就能看出任何具有時(shí)間函數(shù)之電子訊號(hào)事件的瞬間物理量,。關(guān)于頻譜分析儀的發(fā)展起源,，是在早期的通信系統(tǒng)上頻率量測(cè)中，為了實(shí)現(xiàn)以頻率為基準(zhǔn)點(diǎn),，在頻域上檢測(cè)信號(hào)而研發(fā)出來(lái)的儀器,，并且被廣泛地使用在測(cè)量通信系統(tǒng)的各種重要參數(shù)，如平均噪聲位準(zhǔn) （Average noise level）,、動(dòng)態(tài)范圍（Dynamic range）,、頻率范圍（Frequency range）等等。除此之外,，還可以用在時(shí)域的量測(cè),，如測(cè)量傳輸輸出功率等項(xiàng)目,。基本上依功能面來(lái)看,，一般的計(jì)頻器只能量測(cè)訊號(hào)的頻率,，功率計(jì)只能量測(cè)訊號(hào)的功率，而可以將頻譜分析儀視為兼具計(jì)頻器與功率計(jì)兩種功能的量測(cè)儀器,。

如果要*地分析且厘清一個(gè)信號(hào)的特性,，除了使用示波器從時(shí)域 （Time domain）去觀察信號(hào)外，還需要從頻率的角度（簡(jiǎn)稱(chēng)頻域：Frequency domain）去分析信號(hào),。通常用示波器來(lái)觀察信號(hào)并不能看出一窺信號(hào)的全貌,，只能看到組成之后的波形；例如方波事實(shí)上是經(jīng)過(guò)許多信號(hào)的累積而形成的一種信號(hào),。偉大的法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉（Jean-Baptiste-Joseph Fourier）則告訴我們,，任何時(shí)域上的電子訊號(hào)現(xiàn)象必然是由多組具有適當(dāng)之頻率、振幅與相位的弦波訊號(hào)（Sine wave）所組成,。因此,，理論上任何具有有適當(dāng)濾波功能的電子系統(tǒng)必可將訊號(hào)波形分解為多個(gè)分別不同的弦波或頻率組成，以利于個(gè)別分析,。其中,，這些個(gè)別不同的弦波則由其所具有的振幅與相位來(lái)決定其訊號(hào)特性。換言之,，藉由這種組成分析即可將弦波訊號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域,。對(duì)無(wú)線(xiàn)射頻與微波訊號(hào)而言，在不加入分析的要素時(shí),，保留相位信息往往只會(huì)使轉(zhuǎn)換過(guò)程變得更為復(fù)雜,，因此我們必須設(shè)法隔離相位信息。當(dāng)我們?cè)诜治鲋芷谛杂嵦?hào)時(shí),，透過(guò)傅立葉在理論上的詮釋讓我們可以體會(huì)到,，在頻域中個(gè)別組成的弦波之間的距離單位為頻率f或1/T，而T即為弦波訊號(hào)的周期,。

了適當(dāng)?shù)赜蓵r(shí)域轉(zhuǎn)換至頻域而必須對(duì)訊號(hào)進(jìn)行連續(xù)性的計(jì)算,，一般我們所進(jìn)行的訊號(hào)觀察活動(dòng)只是以在一小段時(shí)間范圍內(nèi)的特性來(lái)概括其全貌。運(yùn)用傅立葉變換就能夠從頻域的訊號(hào)觀點(diǎn)轉(zhuǎn)換到時(shí)域的空間進(jìn)行思考,，而要利用這樣的架構(gòu)則須計(jì)算出沿著頻率軸所有范圍的頻譜成分及其個(gè)別成分之相位,。例如，將一個(gè)時(shí)域中的方波轉(zhuǎn)換到頻域后再反轉(zhuǎn)換回時(shí)域時(shí)往往會(huì)因?yàn)橄辔粎?shù)未加以保留而會(huì)產(chǎn)生鋸齒波的失真現(xiàn)象,。

在此段落所闡述之頻譜的真諦為時(shí)域中任意訊號(hào)必為一群弦波訊號(hào)的線(xiàn)性組合訊號(hào)或合成訊號(hào),，如圖二所示，在頻譜的頻域象限中所呈現(xiàn)的所有弦波訊號(hào)特性圖可用振幅與頻率來(lái)加以表達(dá)，而所有非純弦波波形的訊號(hào)則是包含了二次諧波（Second Harmonic）之類(lèi)的組成訊號(hào),。值得關(guān)注的議題是有了頻譜分析是否就可以*取代時(shí)域分析,？似乎不盡然，時(shí)域分析在大多數(shù)訊號(hào)量測(cè)重要性仍占有一席之地,，因?yàn)闀r(shí)域分析的方法提供了針對(duì)訊號(hào)的脈波上升與下降時(shí)間,、訊號(hào)過(guò)沖與振蕩現(xiàn)象等，亦即頻譜組成分析與時(shí)域分析是相輔相成的訊號(hào)分析方法,。

在射頻電路中可能會(huì)有放大器（Amplifier）,、振蕩器（Oscillator）、混頻器（Mixer）,、濾波器（Filter）等電路組件,，單純只用示波器來(lái)觀察的話(huà)，根本無(wú)法察覺(jué)該組件在電路中的變化,，這時(shí)候就必須使用頻譜分析儀,，分析其頻率響應(yīng)來(lái)說(shuō)明電路的特性。圖二說(shuō)明了時(shí)域與頻域上的差別,。

為何要量測(cè)頻譜,？

由于在頻域中也有其所對(duì)應(yīng)的訊號(hào)強(qiáng)度可供量測(cè)，故頻域分析法是找出待測(cè)訊號(hào)各個(gè)諧波成分的*解決方案,，尤其是對(duì)通訊工程人員所zui關(guān)注的諧波失真分析有其重要性,，例如在無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中的載波訊號(hào)上，必須經(jīng)常加以檢查是否有來(lái)自于其他系統(tǒng)之間的諧波干擾所造成的訊號(hào)失真程度而影響到通話(huà)質(zhì)量,？除此之外,，通訊工程人員也關(guān)心載波訊號(hào)上的調(diào)變訊號(hào)失真程度，例如交互調(diào)變現(xiàn)象即是一種特別復(fù)雜的問(wèn)題,，因?yàn)槠渌a(chǎn)生的失真成分往往落在所攸關(guān)的頻帶中且難以加以濾除,。

頻譜的占據(jù)率也是一種在頻域分析上的重要量測(cè),，為了防范鄰近頻率的訊號(hào)干擾而針對(duì)調(diào)變訊號(hào)所進(jìn)行的展頻動(dòng)作往往是基于有效規(guī)范各種發(fā)射頻譜之帶寬的考慮,。電磁干擾本身即是一種頻譜的占據(jù)現(xiàn)象，由于今天在各式各樣的資通電子產(chǎn)品的普遍使用下,，已造成了各種不需要電磁訊號(hào)*的電磁污染源,，無(wú)論是輻射式或傳導(dǎo)式電磁干擾，無(wú)一不會(huì)造成其他電子系統(tǒng)在操作運(yùn)轉(zhuǎn)上的損害,，因此當(dāng)前所有電子或電器產(chǎn)品的制造廠商,，皆必須依據(jù)電子電器商品的相關(guān)法令規(guī)范來(lái)進(jìn)行必要的電磁輻射測(cè)試，才能順利推展產(chǎn)品上市的計(jì)劃,。

二,、頻譜分析儀的種類(lèi)

頻譜分析儀一般而言分成兩種類(lèi)型，Real Time頻譜分析儀（SA）與Sweep Tuned頻譜分析儀兩種類(lèi)型。

Real Time頻譜分析儀（SA） 

這類(lèi)型的 SA 稱(chēng)為實(shí)時(shí)性頻譜分析儀,，顧名思義是能立即把信號(hào)濾出來(lái),，所以它使用了許多平行架構(gòu)的濾波器來(lái)分布在所有的帶寬范圍中，而信號(hào)一經(jīng)輸入之后沒(méi)有 Delay 就能馬上表示出來(lái),，如圖三所示,，為實(shí)時(shí)性頻譜分析儀的架構(gòu)。

實(shí)時(shí)性頻譜分析儀的好處即是可以立即的將信號(hào)濾出來(lái),，而且 Filter的帶寬可以依照不同的 span來(lái)作調(diào)整與改變,，不過(guò)這類(lèi)型的頻譜儀，zui大的問(wèn)題在于因?yàn)樗褂么罅康臑V波器來(lái)作實(shí)時(shí)處理,，所以?xún)r(jià)格非常昂貴,，且?guī)挾疾粫?huì)很高，一般而言約 10MHz-30MHz 左右,。

Sweep Tuned頻譜分析儀

在這類(lèi)型的頻譜分析儀當(dāng)中,，又可區(qū)分為兩大類(lèi)，RF調(diào)諧方式,、超外差掃描方式,。

RF調(diào)諧方式

圖四所示的為 RF 調(diào)諧方式架構(gòu)而成的頻譜分析儀方塊圖，它是使用一個(gè)帶通可調(diào)的濾波器（Tunable Filter）,，由一掃描儀來(lái)調(diào)變期帶通寬度,，進(jìn)而使得相關(guān)的頻率信號(hào)通過(guò)并加至垂直偏向版（即 CRT 中的橫軸），而CRT 中的水平軸受掃描儀頻率同步的控制,，使不同的頻

率信號(hào)在水平軸上分別對(duì)應(yīng)地呈現(xiàn),。

    使用此種方式構(gòu)成的頻譜分析儀較為簡(jiǎn)單，能包含較廣的頻率范圍且價(jià)格便宜,，但是靈敏度與頻率特性等效能較差,，且濾波器的帶寬固定，即頻率的分辨率無(wú)法改變,。由于此種調(diào)諧型的頻譜分析儀較為經(jīng)濟(jì)以及所能測(cè)量的頻率范圍較廣,，故早期的微波頻帶的頻譜分析常常使用這一方式；但是較可惜的,，因?yàn)榇朔N方式是以?huà)呙槠鱽?lái)調(diào)變?yōu)V波器的帶通,，故掃描儀的掃描速度不能太快，通常在數(shù)個(gè) MHz/s 左右,，當(dāng)掃描超出這個(gè)比值,，濾波器對(duì)于信號(hào)的響應(yīng)尚未達(dá)到 100%時(shí)，濾波器的帶通范圍已經(jīng)改變,，所以所測(cè)出的值往往會(huì)較小于原來(lái)的信號(hào)而不準(zhǔn)確,。

超外差式頻譜分析儀

由于調(diào)諧式的頻譜分析儀的靈敏度與準(zhǔn)確性不高,，所以目前使用zui廣的頻譜分析儀是超外差式的頻譜分析儀，如圖五,。此種方式乃將輸入濾波器的帶通固定,，使用一個(gè)頻率可變的本地振蕩器（Local Oscillator），使之產(chǎn)生隨著時(shí)間而作線(xiàn)性變化的振蕩頻率,。將此可變的振蕩頻率與輸入信號(hào)在混波器（Mixer）混合后,，產(chǎn)生一中頻。此中頻成為接收機(jī)的輸出,，加至屏幕的垂直偏向版（橫軸）,，且巨齒波電壓亦同時(shí)加至水平偏向板（縱軸），結(jié)果在屏幕上顯示出的信號(hào)為頻率與振幅的對(duì)應(yīng)關(guān)系?，F(xiàn)在就根據(jù)圖五中每一個(gè)單元作簡(jiǎn)單的介紹：

衰減器（Input Attenuator）  因?yàn)榛觳ㄆ鞯?span lang="EN-US">RF輸入zui大線(xiàn)性范圍有限,，這對(duì)一般的量測(cè)是不夠用的，因此必須將過(guò)大的信號(hào)預(yù)先衰減到混波器的RF輸入線(xiàn)性范圍,。經(jīng)過(guò)混波器之后,，在利用放大器將之還原。但這種架構(gòu)會(huì)造成頻譜分析儀上的顯示噪聲位準(zhǔn),，隨著衰減器的值而起伏,。

混波器（Mixer） RF信號(hào)與本地振蕩器（LO）信號(hào)經(jīng)過(guò)混波器之后，會(huì)產(chǎn)生許多兩者之間頻率倍數(shù)相加減的信號(hào),。而當(dāng)輸入信號(hào)與本地振蕩器經(jīng)過(guò)混頻之后,，會(huì)產(chǎn)生三種中頻的可能（或者更多），可用以下公式來(lái)求出所要的正確中頻信號(hào)：

 從（1）式來(lái)看,， f _IF 所產(chǎn)生的中頻頻率遠(yuǎn)高過(guò)頻譜分析儀內(nèi)中頻濾波器的協(xié)振  頻率,，故不能為此儀器所接受。而（3）式所產(chǎn)生之中頻,，其輸入信號(hào)之頻率 f _RF 必須 比 f _LO 高,，所以此種 f _RF 信號(hào)比振蕩頻率 f _LO 高的射頻就會(huì)被排除在外。故zui后只有第（2）式中所產(chǎn)生之中頻才為政確之中頻信號(hào),。

解析帶寬（Resolution Bandwidth, RBW）濾波器 RBW濾波器也稱(chēng)中頻濾波器,，他的作用是將RF頻率與本地振蕩頻率相檢的信號(hào)，也就是所謂的IF信號(hào),，由混波器產(chǎn)生的眾多頻率中過(guò)濾出來(lái),。使用者可藉由頻譜分析一面板上的RBW控制鈕選擇不同的3dB帶寬的RBW濾波器,。由圖六中可看出,，RBW設(shè)的愈窄，所觀察到的頻率分布就越細(xì)微,，也降低了噪聲位準(zhǔn),。

電壓控制振蕩器（VCO） 頻譜分析儀上VCO的頻率,，必須由高于zui高輸入頻率延伸到至少zui高輸入頻率兩倍的頻率以上。對(duì)工作在1GHz以上的頻譜分析儀而言,，這就代表著振蕩器至少要由1GHz到3GHz,。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，大多數(shù)為2GHz到3.5GHz左右,。這種頻率范圍通常需要具有調(diào)諧電路的振蕩器,，而非低頻振蕩器中典型的線(xiàn)圈與電容。

檢波器（Detector）  我們?nèi)糁苯訉⒅蓄l信號(hào)輸出到屏幕上,，會(huì)造成一團(tuán)雜波,。所以必須透過(guò)檢波器，將中頻的AC信號(hào)振幅轉(zhuǎn)換為直流偏壓,，再輸出到屏幕行程相對(duì)的傳值偏向,，已呈現(xiàn)各個(gè)頻率的大小。現(xiàn)行的頻譜分析儀,，大多以數(shù)字取樣的方式,，將波型呈現(xiàn)在屏幕上。

視訊帶寬（Video Bandwidth, VBW） 中頻振幅的直流偏壓送到屏幕之前,，還要經(jīng)過(guò)視訊濾波器,。它是一個(gè)低通濾波器，可將屏幕的垂直偏壓變化變的比較平緩,。

    一般來(lái)說(shuō),，超外差式的頻譜分析儀混頻之后因?yàn)橹蓄l放大的緣故，可以得到較大的靈敏度,，且改變中頻濾波器的頻帶寬度,，能夠很容易的改變頻率的分辨率。但由于超外差式的頻譜分析儀是在頻袋內(nèi)掃描的緣故,，因此無(wú)法得到實(shí)時(shí)性（Real Time）的分析（瞬間分析全部頻

譜）,，除非要使掃描時(shí)間趨近于零。況且,，若使用比中頻濾波器的時(shí)間常數(shù)小的掃描時(shí)間來(lái)掃描的話(huà),，則無(wú)法得到信號(hào)的正確振幅（即功率），因此想要提高頻譜分析儀的頻率分辨率,，且要得到的響應(yīng),，掃描的速度要調(diào)整的很適當(dāng)。由上面的理由可以得之,，在超外差的頻譜分析儀中,，較無(wú)法分析瞬時(shí)信號(hào)（Transient Signal）或單一脈沖信號(hào)（Impulse），而主要應(yīng)用在測(cè)試周期性訊號(hào)或者其他離散訊號(hào),。

三,、頻譜分析儀的操作特性

頻率分辨率與頻帶寬度（Frequency Resolution and Bandwidth）

頻率分辨率乃是頻譜分析儀對(duì)于一些頻率相隔很近之信號(hào)區(qū)分的能力）,。有兩個(gè)因素來(lái)決定此分辨率：中頻放大器的頻帶寬度或選擇性（Selectivity）；另一個(gè)為頻譜分析儀本身的頻率穩(wěn)定度（Stability）,，此穩(wěn)定度決定于頻率漂移（Drift）,、殘余的FM信號(hào)（Residual FM），以及本地振蕩器上面的噪聲大小,。

掃描之靈敏度衰減（Sweep Desensitization）

掃描靈敏度的衰檢乃是因?yàn)轭l譜分析儀的掃描速度太快所致,。他將會(huì)造成對(duì)振幅、選擇性與分辨率上面的損失但是他仍可以加以改善,。當(dāng)掃描信號(hào)被維持在中頻濾波器的頻帶寬度而有足夠長(zhǎng)的時(shí)間允許信號(hào)的幅度在濾波器中建立一個(gè)適當(dāng)值,，則有一簡(jiǎn)單的規(guī)則就可以避免掃描靈敏度的衰減，即掃描的速度（Hz/s）不可超過(guò)中頻濾波器3dB帶寬的平方,。

靈敏度（Sensitivity）

    衡量zui微弱信號(hào)檢出的能力稱(chēng)為靈敏度,。而zui大靈敏度是由頻譜分析儀內(nèi)所發(fā)生的噪聲來(lái)決定。通常內(nèi)部的噪聲分成兩種,，熱噪聲與其他噪聲,。熱噪聲的電功率為：

 由此可知噪聲大小直接與頻帶寬度成比例，因此,，頻譜分析儀的分析能力,，當(dāng)頻帶寬度下降1/10時(shí)，噪聲水平（Noise Floor）會(huì)減少10dB,，靈敏度也就改善10dB,。

四、頻譜分析儀主要的設(shè)定參數(shù)

    頻譜分析儀通常提供下列幾個(gè)基本設(shè)定的參數(shù),，如圖七所示,。

（A） 頻率顯示的范圍：顯示頻率的范圍可以經(jīng)由設(shè)定開(kāi)始頻率和截止頻率（也就是頻率的zui大值與zui小值），或者也可以設(shè)定想要的中心頻率再設(shè)定所要展開(kāi)的帶寬,。

（B） 位準(zhǔn)顯示范圍：設(shè)定此范圍有助于zui大位準(zhǔn)的顯示與間距,，以圖 1-6為例，參考位準(zhǔn)設(shè)為-20dBm而總范圍為 80dBm（一格 10dB）,。

（C） 頻率的分辨率：當(dāng)頻譜分析儀以外差式原理來(lái)操作的話(huà),，頻率的分辨率是由 IF Filter的帶寬來(lái)設(shè)定的，也就是上面所提到的RBW,。

（D） 掃描時(shí)間（Sweep Time）：這主要針對(duì)以外差式的頻譜分析儀來(lái)設(shè)定,。這是指紀(jì)錄我們所要全部頻率范圍所需的時(shí)間，稱(chēng)為Sweep Time,。如果我們希望得到較小的解析帶寬,，則所花的Sweep Time就會(huì)變長(zhǎng)。

五,、常用的頻譜分析儀配件介紹

    一臺(tái)頻譜分析儀,，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)呐浼蛘哌B接線(xiàn)材等外圍產(chǎn)品來(lái)輔助,，其實(shí)是無(wú)法發(fā)揮其功用的,，就像是一臺(tái)計(jì)算機(jī)只有主機(jī)而無(wú)其他如屏幕,、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等外圍一樣的意思,。在這邊介紹幾種常用的頻譜分析儀配件,，提供給學(xué)員認(rèn)識(shí)，也讓學(xué)員認(rèn)知該怎樣去選擇需要的配備來(lái)將儀器發(fā)揮到zui大效用,。

接頭介紹

    在一臺(tái)頻譜分析儀上,，在RF輸出端通常會(huì)有兩種不同的接頭，BNC頭跟N-Type頭兩種,，如圖八所示,；對(duì)于一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，BNC接頭的頻譜分析儀通常能測(cè)試的范圍比較小,，且透過(guò)BNC所測(cè)試出來(lái)高頻的部分較容易產(chǎn)生誤差,，所以在現(xiàn)今的高頻測(cè)試儀器，幾乎都是使用 N-Type的接頭為主,。

 而在測(cè)試系統(tǒng)中,，就有各類(lèi)型的接頭來(lái)做測(cè)試。常見(jiàn)的接頭除了 N Type,、BNC接頭外,，另外還有zui常見(jiàn)的SMA接頭、F接頭等常見(jiàn)的接頭,，如圖九所示,。SMA接頭常用在高頻測(cè)試或者電路板連接的部分，在本教材的模板上,，其測(cè)試接頭也都是以 SMA接頭為主,；F接頭較常使用在有線(xiàn)電視系統(tǒng)中，或者在 AV 信號(hào)中也時(shí)?？匆?jiàn)它的影子,。其他還有像是 TNC 接頭、M 接頭,、UHF接頭等這類(lèi)型的接頭,，較常在無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)中被使用；這些類(lèi)型的接頭雖然在 RF 通訊系統(tǒng)中并不會(huì)時(shí)常用到,，但是在測(cè)量某些特殊規(guī)格或者測(cè)試過(guò)程還是有可能會(huì)使用到,。

線(xiàn)材介紹

    當(dāng)儀器有適合的接頭可以做連接后，接下來(lái)要選定的就是適合的線(xiàn)材了,，通常線(xiàn)材的分類(lèi)是以訊號(hào)衰減量,、阻抗值,、導(dǎo)體材料等單位來(lái)作區(qū)分；常見(jiàn)的RF線(xiàn)材 有幾個(gè)型號(hào),，RG223,、RG316等這類(lèi)型的線(xiàn)材較常使用在高頻通訊上；RG58,、RG59等這類(lèi)型線(xiàn)材較常用在低頻測(cè)試上,。在本課程的實(shí)驗(yàn)中,，在RF部分的量測(cè)常見(jiàn)的是以RG316線(xiàn)材來(lái)作測(cè)試線(xiàn)材,。如圖十所示為常用的測(cè)試線(xiàn)材。

六、頻譜分析儀的應(yīng)用

    頻譜分析儀的應(yīng)用非常的廣,，依照不同的待測(cè)物、不同的信號(hào)即可變化出各式各樣的測(cè)試方式,，在此提出幾個(gè)較常見(jiàn)的測(cè)試方式,。

傅立葉分析驗(yàn)證

    傅立葉變換（Fourier Transform）是一種目*分重要而且廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的數(shù)字訊號(hào)分析技術(shù),，當(dāng)儀器測(cè)量所得的訊號(hào)為時(shí)間-振幅的數(shù)據(jù)時(shí)，可以使用傅立葉變換將此一訊號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率-振幅,，從而進(jìn)行此一訊號(hào)的頻率特性的分析,。

傅立葉積分的定義為：

 式中：  a ₀、 a _n ,、 b _n 為傅立葉系數(shù),；  T₀ 為周期，也就是信號(hào)基頻成分的周期,；ω₀ /2π/T₀ =  為信號(hào)的基頻,，  nω₀為n次諧波。

 而正弦波、方波,、三角波等的頻譜如圖十一所示,，使用信號(hào)源輸入到頻譜分析儀中即可驗(yàn)證各波型的頻譜變化：

諧波量測(cè)

    任何的信號(hào)都會(huì)有所謂的諧波效應(yīng)，比較不同的是電路的設(shè)計(jì)將諧波效應(yīng)抑制下來(lái),，例如使用一臺(tái)信號(hào)源送入100MHz訊號(hào),，在其N倍頻下通常能看到其諧波的信號(hào)，如圖十二所示,。

通訊監(jiān)測(cè)與頻段測(cè)試

    在頻譜分析儀上裝設(shè)天線(xiàn)可以接收到天線(xiàn)響應(yīng)范圍內(nèi)的信號(hào),，例如電臺(tái)信號(hào)、無(wú)線(xiàn)電信號(hào),、手機(jī)信號(hào)等,。如圖十三所示，在接收范圍內(nèi)有 125MHz,、700MHz,、1GHz等信號(hào)出現(xiàn),，在頻譜儀上就可很清楚的接收到,。

相位噪聲測(cè)試

    一個(gè)理想的信號(hào),，再頻譜分析儀上可以用一條垂直線(xiàn)來(lái)代表，換句話(huà)說(shuō)，只有在此頻率上才有信號(hào)的功率值,，在信號(hào)的左右*沒(méi)有功率,。但在真實(shí)的世界中,，因?yàn)槲锢硖匦缘年P(guān)系，是不可能有如此的信號(hào)存在,，如圖十四所示,。一個(gè)信號(hào)除了本身的頻率之外,，還會(huì)有殘留的功率在其附近,，這就被稱(chēng)為相位噪聲。

通道功率

    信道功率是以設(shè)定信道寬度的大小的帶寬來(lái)測(cè)定,，來(lái)計(jì)算其中的總功率值；例如的信號(hào)帶寬設(shè)定在 1MHz﹝即中心頻率左右各 500kHz﹞,，那通道功率就以這個(gè)范圍來(lái)測(cè)量整個(gè)帶寬中的總功率,；換言之，如果帶寬設(shè)定在 100kHz,，那通道功率就會(huì)以 100kHz內(nèi)的總功率來(lái)作計(jì)算,。圖十五為通道功率的示意圖。

調(diào)變信號(hào)測(cè)試

    在目前的數(shù)字信號(hào)中,，幾乎都是屬于調(diào)變過(guò)后的信號(hào),，因?yàn)檎{(diào)變信號(hào)可以加強(qiáng)信號(hào)的安全性，常見(jiàn)的調(diào)變訊號(hào)有 AM,、FM、FSK以及其他常被提及的調(diào)變方式,。且不同的調(diào)變信號(hào)可以讓設(shè)計(jì)者或者系統(tǒng)中來(lái)判別,，該接收到的信號(hào)是否為所想要的信號(hào)，圖十六即是使用頻譜分析儀來(lái)作信號(hào)檢測(cè)的圖例,。

Gain/Loss的量測(cè)

    當(dāng)頻譜分析儀結(jié)合訊號(hào)追蹤器（Tracking Generator, TG）就成了一個(gè)激發(fā)響應(yīng)（Stimulus Response）量測(cè)系統(tǒng),。使用 TG來(lái)發(fā)射信號(hào)可當(dāng)作一信號(hào)發(fā)生器，把 RF接收端當(dāng)成接收器,；由于 TG與 RF的信號(hào)同步,，故可以很容易的可以找出產(chǎn)品的頻率響應(yīng)點(diǎn)（Insertion Loss），且如果搭配 Directional Coupler 的配件,，可量測(cè)返回?fù)p失（Return Loss）,。不論在測(cè)試頻率響應(yīng)點(diǎn)或者返回?fù)p失，測(cè)試時(shí)都必須先做標(biāo)準(zhǔn)化,，通常標(biāo)準(zhǔn)化有兩種方式,，短路與開(kāi)路,，如圖十七所示。標(biāo)準(zhǔn)化的意義在于將儀器,、制具,、接頭、線(xiàn)材等的損失先行扣除而直接量測(cè)得出待測(cè)物本身發(fā)出信號(hào)的結(jié)果,。

Gain/Loss的量測(cè)

    當(dāng)頻譜分析儀結(jié)合訊號(hào)追蹤器（Tracking Generator, TG）就成了一個(gè)激發(fā)響應(yīng)（Stimulus Response）量測(cè)系統(tǒng),。使用 TG來(lái)發(fā)射信號(hào)可當(dāng)作一信號(hào)發(fā)生器，把 RF接收端當(dāng)成接收器,；由于 TG與 RF的信號(hào)同步,，故可以很容易的可以找出產(chǎn)品的頻率響應(yīng)點(diǎn)（Insertion Loss），且如果搭配 Directional Coupler 的配件,，可量測(cè)返回?fù)p失（Return Loss）,。不論在測(cè)試頻率響應(yīng)點(diǎn)或者返回?fù)p失，測(cè)試時(shí)都必須先做標(biāo)準(zhǔn)化,，通常標(biāo)準(zhǔn)化有兩種方式,，短路與開(kāi)路，如圖十七所示,。標(biāo)準(zhǔn)化的意義在于將儀器,、制具、接頭,、線(xiàn)材等的損失先行扣除而直接量測(cè)得出待測(cè)物本身發(fā)出信號(hào)的結(jié)果,。

一般來(lái)說(shuō)，直接使用 TG來(lái)傳送信號(hào),、用 RF來(lái)接收信號(hào)的測(cè)試方式﹝即中間無(wú)耦和器等線(xiàn)路﹞,，其標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)先將待測(cè)物拿掉，先行將兩端短路,，然后利用頻譜分析儀內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化功能﹝一般需要有加裝 TG 才會(huì)開(kāi)啟這個(gè)功能﹞校正后,，再將待測(cè)物放上即可測(cè)試；而另一種使用 Coupler 的方式,，一般會(huì)使用網(wǎng)橋來(lái)當(dāng)作中間Coupler,，這樣的測(cè)試方式，就會(huì)先將網(wǎng)橋的 Source端接上 TG,、Reflected 接到 RF 端,，然后將 DUT 端先行開(kāi)路，等標(biāo)準(zhǔn)化之后再將待測(cè)物接上 DUT 端即可測(cè)試完成,。

六,、頻譜分析儀的面板認(rèn)識(shí)

    前面介紹了頻譜分析儀的概念、基礎(chǔ)原理與應(yīng)用面,，這個(gè)部份介紹頻譜分析儀的面板,，讓大家認(rèn)識(shí)頻譜分析儀在面板上分成哪些區(qū)塊,，使用者對(duì)于區(qū)塊內(nèi)的功能該怎樣去使用。接下來(lái)我們以 GW Instek GSP-830 （圖十八）來(lái)解說(shuō)頻譜分析儀的各個(gè)部分：

固緯所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的頻譜分析儀是基于全數(shù)字合成（DDS）及低噪聲的設(shè)計(jì),，具有多樣化的量測(cè)功能,，包括：光標(biāo)測(cè)量、功率測(cè)量,、限制線(xiàn)設(shè)定,、雙軌跡和觸發(fā)功能等各類(lèi)型應(yīng)用。且簡(jiǎn)單和快速的量測(cè)讓您的操作實(shí)現(xiàn)真正的便捷,。GSP系列的頻譜分析儀配置了靈活且便利的功能,、人性化的用戶(hù)操作面板，透過(guò)完整的設(shè)置選單,，可廣泛地應(yīng)用于實(shí)驗(yàn),、測(cè)量和維修服務(wù)領(lǐng)域,。GSP系列在固緯的設(shè)計(jì)技術(shù)中表現(xiàn)出了顯著的成就,。頻譜分析儀的概述在無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備,、元器件和系統(tǒng)測(cè)量應(yīng)用中，頻譜分析儀是應(yīng)用地zui廣泛的測(cè)量?jī)x器,。它測(cè)量和展現(xiàn)射頻信號(hào)的頻率分布,。信號(hào)的頻率和振幅等訊息都可以通過(guò)頻譜分析儀進(jìn)行測(cè)量和讀取。當(dāng)前的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)主要使用數(shù)字通信技術(shù),，但是在工業(yè)測(cè)量中,，使用頻譜分析儀測(cè)量頻譜仍然具有重要的意義。為了滿(mǎn)足不同的頻譜分析需要,，固緯提供了3款不同的頻譜分析儀：3GHz,、2.7GHz和1GHz。配置了的性能和低廉價(jià)格,，無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的制造,、服務(wù)、設(shè)計(jì),、教育制定等。固緯電子所推出的3GHz頻譜分析儀GSP-830是掃瞄式頻譜分析儀中具有高性能,、低噪聲準(zhǔn)位,、易于操作和便于攜帶等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)的分析儀器，能夠在高頻與通訊應(yīng)用上,，提供學(xué)術(shù)研究,、教育訓(xùn)練、電子零組件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)系統(tǒng),，以及自動(dòng)化測(cè)試中*的有效解決方案,。固緯電子的GSP-830采用*的整合性功能設(shè)計(jì),，不僅能使原有之低噪聲準(zhǔn)位-117dBm/Hz在搭配20dB增益的前置放大器GAP-802后，進(jìn)一步再降到-137dBm/Hz,，以提供*的靈敏度來(lái)捕捉微弱訊號(hào),。同時(shí)透過(guò)自動(dòng)程序編輯模式，讓用戶(hù)可編輯10組量測(cè)步驟以進(jìn)行自動(dòng)化執(zhí)行序列的程序設(shè)定,，而其中可進(jìn)入暫停,、重復(fù)和單次模式以配合不同的選用場(chǎng)合。此外,，GSP-830尚有更多優(yōu)異且*之功能,，包括自動(dòng)設(shè)定、窗口分割,、功率量測(cè),、訊號(hào)通過(guò)/失敗測(cè)試等項(xiàng)目，皆能在頻譜分析的專(zhuān)業(yè)工作上滿(mǎn)足所有使用者的應(yīng)用需求,。加上各式各樣數(shù)據(jù)與訊號(hào)的傳輸界面設(shè)計(jì),，如USB Host/Device，RS-232C,，VGA和GPIB等標(biāo)準(zhǔn)或選配配件,，使得GSP-830已成為使用者在頻譜分析中運(yùn)用遠(yuǎn)程控制、監(jiān)控和多元化數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾鳌?/span>

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主要特性

固緯電子現(xiàn)在把頻譜分析儀產(chǎn)品系列擴(kuò)展到3GHz,。GSP-830繼承了固緯產(chǎn)品高性能,、低價(jià)格、易操作和輕重量的優(yōu)勢(shì),。且驚人的低底噪噪聲大大增加了測(cè)量范圍,；*的用戶(hù)接口帶給您很好的視覺(jué)效果、豐富的測(cè)量功能使您的工作更加簡(jiǎn)單和輕松,。GSP-830為您提供了市場(chǎng)上zui高的性能價(jià)格比,。

寬廣的測(cè)量范圍

GSP-830杰出的底噪噪聲，-152dBm/Hz @1GHz,，在捕獲微弱信號(hào)表現(xiàn)的極為穩(wěn)定,。且接上20dB增益的前置放大器GAP-802后，GSP-830的底噪能夠達(dá)到相當(dāng)于-172dBm/Hz,，提供更寬廣的測(cè)量范圍,。

自動(dòng)測(cè)量功能

GSP-830在不使用外部計(jì)算機(jī)控制的情況下能也能成為一部自動(dòng)測(cè)量?jī)x器。用戶(hù)可透過(guò)前面板的按鍵定義自己所需要的執(zhí)行程序并且儲(chǔ)存到10組程序設(shè)置里,。除了面板上所有的功能外,，程序設(shè)置還可包含暫停指令，所以需要觀測(cè)面板的信息時(shí)可先暫停運(yùn)行的程序去觀察測(cè)量結(jié)果,，然后接著執(zhí)行,。且過(guò)程控制功能可根據(jù)應(yīng)用需要可以選擇重復(fù)直行和單次執(zhí)行兩種模式,。

便捷可攜的電源操作

配置了兩組Li-lon電池后，GSP-830能夠在正常操作下維持3小時(shí),。直流電源操作模式也能用12V電源供應(yīng)器或汽車(chē)的點(diǎn)煙器給GSP-830供電,。且提供了一個(gè)背包，除了能將您的GSP-830安全收納外,，也可收納您所需的測(cè)試配件,。對(duì)于時(shí)常在外的維修工程師來(lái)說(shuō)，GSP-830是一個(gè)便捷的工具,。僅有6kg輕便的重量和輕巧的體積,，使得GSP-830非常適合于戶(hù)外使用。

*的用戶(hù)接口

*的接口設(shè)計(jì)能夠讓用戶(hù)很愉快的處理復(fù)雜的工作,。高解析的6.4" TFT LCD提供了高質(zhì)量的圖形顯示,。用戶(hù)可自行定義多種不同的顏色軌跡，能夠一眼就觀察到波形細(xì)微的差異,。分割窗口模式能夠在同一顯示器上同時(shí)監(jiān)控不同頻段的數(shù)值,；在分割窗口的模式下，GSP-830相當(dāng)于將兩臺(tái)頻譜分析儀合而為一,。

豐富的界面支持

前面板的USB接口支持常見(jiàn)的USB Flash裝置,，可以實(shí)現(xiàn)多種處理，包括設(shè)置狀態(tài),、波形數(shù)據(jù)和圖形,。后面板的USB接口不僅可做為主控接口，還可做為被控裝置,。GSP-830顯示的圖形能夠通過(guò)后面的VGA接口直接將畫(huà)面送到其他外接的顯示器上,。方便在測(cè)試時(shí)需要遠(yuǎn)程監(jiān)控或者講解討論時(shí)很好的應(yīng)用。

免費(fèi)的PC軟件

不論是RS-232C或者USB接口,，GSP-830所提供的EagleShot軟件可將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳到PC端,。用戶(hù)除了可以?xún)?chǔ)存圖像格式外，還可將數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存成文件文件供進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析,。除了提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)存外,，在軟件上還支持光標(biāo)功能，便于快速檢測(cè)在頻段上的各類(lèi)數(shù)據(jù),。新版的EagleShot PC軟件同時(shí)也支持GSP-830和GSP-827,。

GSP-830 是一個(gè)中高層級(jí)的數(shù)字合成控制頻譜分析儀，適合廣泛的應(yīng)用,，比如生產(chǎn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室研究和認(rèn)證,。

GSP830性能 

•  低噪聲： -117dBm @1GHz,， 3k RBW,。

•  快速掃描： 50ms ~ 25.6s。

•  體積?。?span lang="EN-US"> 330（寬） x 170（高） x 340（深） mm,。

•  重量輕巧： 5.8kg （不含附件）。

GSP830特點(diǎn)  

•  自動(dòng)設(shè)定,。

•  10 個(gè)標(biāo)記（Δ游標(biāo)和峰值功能）  ,。

•  3 條波型軌跡。

•  功率量測(cè)：ACPR,，OCBW,，CH Power，N-dB,相位抖動(dòng)..

•  波形限制線(xiàn)和 Pass/Fail 的功能可快速的核定測(cè)試的條件,。

•  分割窗口的功能且可分別設(shè)定,。

•  順序編程（使用者可自行定義）  。

•  6.4″ TFT彩色 LCD,，640 x 480  分辨率,。

•  音頻輸出端口（選購(gòu)的解調(diào)器可提供）  。

•  AC/DC/電池多模式電源操作,。

GSP830界面  

•  可使用 USB host 端連接到儲(chǔ)存設(shè)備,。

•  可使用 USB Slave/RS-232/GPIB（選購(gòu)配備）與計(jì)算機(jī)連接以及遠(yuǎn)程控制。

•  直接顯示影像的 VGA 輸出,。

•  參考信號(hào)同步輸入/輸出,。

•  外部觸發(fā)信號(hào)輸入。

GSP830選購(gòu)配備 

•  跟蹤發(fā)生器,。

•  前置放大器（11.5dB,6GHz）

•  電池組

•  ±1ppm 穩(wěn)定參考源模塊,。

•  EMI濾波器含 9kHz/120kHz RBW 和 6-dB帶寬。

•  300Hz/10kHz/100kHz RBW

•  解調(diào)器

•  GPIB界面

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SKYPE:abiaozou

銷(xiāo)售,、試用: